正電子發(fā)射斷層掃描成像簡介

本教程解釋了正電子發(fā)射斷層掃描 （PET） 成像系統(tǒng)如何生成 3D 醫(yī)學(xué)圖像。本文詳細(xì)介紹了PET系統(tǒng)如何檢測注射摻雜糖時產(chǎn)生的伽馬射線對受影響組織的不同反應(yīng)。本文還討論了環(huán)境中競爭性電噪聲如何影響成像，以及為什么準(zhǔn)確檢測光子定時和運動非常重要，以便可以定位患者體內(nèi)產(chǎn)生的信號。功能框圖顯示了PET系統(tǒng)中常見的IC元件。

概述

正電子發(fā)射斷層掃描（PET）成像系統(tǒng)通過檢測將某些放射性摻雜的糖注射到患者體內(nèi)時發(fā)射的伽馬射線來構(gòu)建3D醫(yī)學(xué)圖像。一旦攝入，這些摻雜的糖就會被活性/代謝水平高于身體其他部位的組織（例如活動性腫瘤）吸收。

當(dāng)放射性物質(zhì)發(fā)射的正電子與組織中的電子碰撞時，會產(chǎn)生伽馬射線。由此產(chǎn)生的碰撞產(chǎn)生一對伽馬射線光子，這些光子從碰撞部位以相反的方向發(fā)出，并由布置在患者周圍的伽馬射線探測器檢測到。與計算機斷層掃描 （CT）、X 射線和超聲波等解剖成像技術(shù)不同，PET 成像提供有關(guān)人體的“功能”信息。

CT和PET系統(tǒng)可以組合在一起，以提供出色的解剖細(xì)節(jié)和功能信息。

檢測光子

PET檢測器由數(shù)千個閃爍晶體陣列和數(shù)百個光電倍增管（PMT）組成，這些光電倍增管（PMT）在患者周圍以圓形排列。閃爍晶體將伽馬輻射轉(zhuǎn)換為光，由PMT檢測和放大。

信號與隨機光子“噪聲”

PET成像設(shè)備制造商繼續(xù)提高這些系統(tǒng)的診斷性能。他們的重點是提高伽馬射線光子探測的定時精度和定位。

環(huán)境中存在隨機伽馬射線，PET成像系統(tǒng)必須將隨機光子與體內(nèi)產(chǎn)生的光子對區(qū)分開來。為此，系統(tǒng)必須檢測一個時間相關(guān)的光子對，或者更簡單地說，兩個質(zhì)子同時產(chǎn)生并沿相反方向行進(jìn)。該系統(tǒng)通過分析光子對撞擊圓形探測器陣列的位置來實現(xiàn)這一點，以確保它們以相反的方向行進(jìn)。系統(tǒng)還必須準(zhǔn)確測量光子對撞擊探測器的時間，以確保它們大約同時產(chǎn)生。利用這些信息，PET系統(tǒng)可以區(qū)分來自所需信號的隨機光子噪聲。

PET系統(tǒng)框圖。此圖顯示了共享公共時間鑒別器的多個接收器組之一。

檢測光子信號強度以進(jìn)行事件定位

為了降低成本和復(fù)雜性，大多數(shù)現(xiàn)代PET系統(tǒng)具有比PMT更多的閃爍晶體。鑒于晶體和PMT數(shù)量之間的差異，系統(tǒng)必須確定許多閃爍晶體中的哪一個被光子擊中。它通過分析目標(biāo)晶體附近PMT輸出的信號強度來實現(xiàn)這一點。

來自每個PMT輸出的電流信號被轉(zhuǎn)換為電壓，并由低噪聲放大器（LNA）放大。PMT產(chǎn)生的信號是具有快速起音和緩慢衰減的脈沖。每個PMT的信號強度是通過對該時域脈沖下的區(qū)域進(jìn)行數(shù)字積分來確定的。該系統(tǒng)在LNA之后使用可變增益放大器（VGA）來補償PMT靈敏度的變化。

LNA和VGA的組合增益約為40dB，增益范圍約為20dB。所使用的放大器通常具有幾nV/√Hz或更低的噪聲，帶寬在100kHz至1GHz范圍內(nèi)。電流反饋放大器有時用于提供高速，同時最大限度地降低功耗。具有10位至12位分辨率的高密度數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）用于控制VGA的增益。

VGA的輸出通過低通濾波器，進(jìn)行失調(diào)補償，然后通過10位至12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）采樣以50Msps至100Msps速率轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

ADC樣本通常由現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）鑒別器處理，該鑒別器可以處理多個ADC輸出。因此，在某些情況下，具有串行LVDS輸出的ADC或具有多路復(fù)用CMOS輸出總線的雙通道ADC可用于降低互連復(fù)雜性和數(shù)字噪聲。如上所述，來自多個PMT的數(shù)字信號信息用于計算特定光子撞擊的位置。

檢測光子撞擊的時間

不幸的是，數(shù)字化接收器輸出的定時分辨率不足以確定精確的飛行時間信息，以增強成像，甚至無法確定兩次光子撞擊的近似重合。因此，PET系統(tǒng)采用超高速比較器。

來自多個（通常為四個或更多）物理接近的PMT的信號相加，該組合信號驅(qū)動超高速比較器的輸入。DAC產(chǎn)生比較器的基準(zhǔn)電壓以補償直流失調(diào)。計算飛行時間需要極高的精度，因此使用比較器的輸出信號和超高速時鐘生成數(shù)字時間戳。通過這種方式，可以比較物理上相隔很遠(yuǎn)的多個PMT的時序信息。

生成映像

光子對定義了發(fā)生碰撞的一條線。這稱為響應(yīng)線 （LOR）。通過分析數(shù)以萬計的LOR，后端圖像信號處理器可以將碰撞活動顯示為3D圖像。在某些PET系統(tǒng)中，兩次光子撞擊事件的時間戳僅用于確定兩次撞擊在時間上是否足夠接近，以便系統(tǒng)將其計為有效信號。驗證此LOR具有挑戰(zhàn)性，需要幾納秒的定時精度。

更新、更高性能的PET系統(tǒng)現(xiàn)在正在使用兩次光子撞擊事件的時間戳來確定碰撞地點在LOR上的大致位置。此技術(shù)可提高圖像質(zhì)量。這些PET系統(tǒng)通過將每個光子的飛行時間計算到10ps以內(nèi)，將碰撞的位置計算到~100cm以內(nèi)。這種計算對系統(tǒng)的定時精度提出了更高的要求。

功耗和積分密度考慮因素

功耗是PET系統(tǒng)中的一個重要問題，因為有大量的系統(tǒng)通道和信號處理速度。因此，制造商需要更低功耗和更高集成度的解決方案。未來，PET系統(tǒng)將從PMT發(fā)展，開始利用具有更高通道數(shù)的固態(tài)光電探測器。發(fā)生這種情況時，通道數(shù)可能會從數(shù)百個增加到數(shù)萬個。這種演變將給IC解決方案提供商帶來巨大壓力，要求他們進(jìn)一步降低功耗并提高集成密度。

審核編輯：郭婷