原创 【博客大赛】PET之电子学基础

PET之电子学基础

王敏志

概述

         PET即正电子发射型电脑断层显像技术（Positron Emission Tomography）号称最近几年来核医学最大进展，也是当年影像学领域最先进的技术之一，代表了现代核医学影像技术的最高水平。PET技术横跨数个学科领域，核物理、化学、电子学等等。本文试图概略描述下PET系统中电子学应用。

PET工作原理基础

         PET是由发射正电子的放射性核素及其标记化合物进行显像，这种正电子在组织中穿过一定距离（一般是几个毫米）后，与一个负电子相撞（人体内一般都富含负离子），发生湮灭辐射，发送出方向相反、能量相等（511keV）的两个γ光子，如图1所示。这两个γ光子同时激活处于相对位置（180°）的两个探头，通过符合电路探测技术得到一个符合脉冲，并在计算机的辅助下重建影像。从而在体外非创伤性测定、显示注入体内的正电子核素标记的化合物在各种组织、脏器的断层分布，可灵敏而准确地定量分析各种组织、脏器的血流灌注和葡萄糖代谢、蛋白质合成与转运、DNA复制、受体的功能与分布状态等方面的变化。

上面有提到PET系统跨多学科，手续放射性核素属于高能物理；事后分析需要用到生物学；其探测器需要用到的晶体涉及化学；最后光子转换为电子信号就属于所谓的电子学。本文就是试图谈谈笔者了解的PET电子学。

图1：湮灭辐射的产生

PET探测器

         PET探测器是PET系统前端最重要的部分，主要由PMT和晶体组成。探测器的目的就是将上述两个反向的光子信号转变为电信号，从而可以在基本的电子学里进行相应的处理。图2所示为探测器模块示意图，上面是晶体模块，用于接收光子，下面为PMT阵列，如图3所示。

图2：探测器模块

图3：PMT阵列

信号调理

探测器的作用是将光子信号转换为电信号，打个比方，探测器就相当于一般的传感器一样。这样我们就知道后面跟着的就是模拟信号的调理电路了，比如信号放大、滤波乃至模拟数字转换等等。这个和一般的雷达或者通讯处理没有任何区别，只是需要注意的是PET分析的是脉冲信号时域信息，所以没有上述应用里频域处理。

所以PET的信号调理着重关注信号的幅度，但是由于PET的工作原理得知，信号调理还有另外一个重要的任务就是要保留信号的时间信息（这里的时间信息不是指上述的时域概念），也就是图1所示两个光子被探测器获取的时间。因为PET最重要的一个部分即符合电路需要根据这个时间信息来给探测器获取的大量的光子之间进行“配对”，每配对成功一对就得到一个LOR（Line of Response），电脑通过大量的LORs来重建图像。

PET关键技术

    上一节其实已经给出了这两个PET电子学里关键点，即一个是时间测量，涉及到每个事件形成后前沿的保留，如果滤波不当会将高频分量滤掉，从而丢失时间信息；另一个是能量测量，其实就是电荷测量，这是最终图像重建时需要基本信息。

    上述两个关键点是PET的前端电子学（Front End Electronics：简称FEE）基本组成部分，在信号调理的时候是需要分开独立进行设计。所以后端数字化处理的时候又需要将两部分信息进行组合。

    所谓的能量测量，其实ADC采样后进行数字化处理，这里没有必要进行描述，在《PMT能谱测试报告》一文中给出了能谱测试的结果。

    时间测量（即arrival time）相对来说比较麻烦，而且有两个非常重要的难点。首先就是前面提到的时间信息的保留，其实就是PMT输出信号上升沿的保留问题。因为我们一方面需要将信号进行调理滤除高频分量以利ADC采集信号能量，另一方面我却要需要获取这些高频分量以得到脉冲的时间信息。所以这时候需要将PMT输出一分为二，一路用于ADC采样，另一路用于产生一个时间标志信号。产生时间标志的方法有两种方法，传统的方法是应用双阈甄别器；另外一种方法是CFD。这里不进行展开，有机会有时间另外开篇描述。

    时间测量的另一个难题是时间量化，即时间标志最终测量。这个最终测量也就是使用TDC对时间标志- trigger进行测量。

图4：前端电子学原理框图

    图4是网上找到的BESIII探测器前端电子学原理框图，基本包括了笔者上述提到的PET两个关键技术。需要注意的是图4进行时间测量的是CERN微电子组研制的HPTDC芯片，这类芯片还有德国ACAM公司的TDC-GPX芯片。实际上我们可以用FPGA来实现这类TDC芯片的功能了。

符合电路

    符合电路就是为了得到符合事件，即coincidences。这有点象电子准直，即collimation。另外，符合电路也其实就是为了找到上述提到的LOR。由于γ-ray的发生是随机的，因此需要考虑所有符合应该包含实际符合、散射符合以及随机符合，因为宇宙射线等也会被PET探测器探测到，另外真正的湮没产生的光子也会产生很多随即符合。

图5：符合事件

    图5显示了PET系统中可能存在的符合事件，对于系统来说只有真符合才有用，符合电路不但要找出符合事件，还需要在所有符合事件中找出那些是真符合。

分析及结论

本文试图简要介绍PET的功能，并重点介绍了PET系统电子学系统。提出使用FPGA来代替TDC芯片。