正电子发射断层扫描成像简介

本教程解释了正电子发射断层扫描 （PET） 成像系统如何生成 3D 医学图像。本文详细介绍了PET系统如何检测注射掺杂糖时产生的伽马射线对受影响组织的不同反应。本文还讨论了环境中竞争性电噪声如何影响成像，以及为什么准确检测光子定时和运动非常重要，以便可以定位患者体内产生的信号。功能框图显示了PET系统中常见的IC元件。

概述

正电子发射断层扫描（PET）成像系统通过检测将某些放射性掺杂的糖注射到患者体内时发射的伽马射线来构建3D医学图像。一旦摄入，这些掺杂的糖就会被活性/代谢水平高于身体其他部位的组织（例如活动性肿瘤）吸收。

当放射性物质发射的正电子与组织中的电子碰撞时，会产生伽马射线。由此产生的碰撞产生一对伽马射线光子，这些光子从碰撞部位以相反的方向发出，并由布置在患者周围的伽马射线探测器检测到。与计算机断层扫描 （CT）、X 射线和超声波等解剖成像技术不同，PET 成像提供有关人体的“功能”信息。

CT和PET系统可以组合在一起，以提供出色的解剖细节和功能信息。

检测光子

PET检测器由数千个闪烁晶体阵列和数百个光电倍增管（PMT）组成，这些光电倍增管（PMT）在患者周围以圆形排列。闪烁晶体将伽马辐射转换为光，由PMT检测和放大。

信号与随机光子“噪声”

PET成像设备制造商继续提高这些系统的诊断性能。他们的重点是提高伽马射线光子探测的定时精度和定位。

环境中存在随机伽马射线，PET成像系统必须将随机光子与体内产生的光子对区分开来。为此，系统必须检测一个时间相关的光子对，或者更简单地说，两个质子同时产生并沿相反方向行进。该系统通过分析光子对撞击圆形探测器阵列的位置来实现这一点，以确保它们以相反的方向行进。系统还必须准确测量光子对撞击探测器的时间，以确保它们大约同时产生。利用这些信息，PET系统可以区分来自所需信号的随机光子噪声。

PET系统框图。此图显示了共享公共时间鉴别器的多个接收器组之一。

检测光子信号强度以进行事件定位

为了降低成本和复杂性，大多数现代PET系统具有比PMT更多的闪烁晶体。鉴于晶体和PMT数量之间的差异，系统必须确定许多闪烁晶体中的哪一个被光子击中。它通过分析目标晶体附近PMT输出的信号强度来实现这一点。

来自每个PMT输出的电流信号被转换为电压，并由低噪声放大器（LNA）放大。PMT产生的信号是具有快速起音和缓慢衰减的脉冲。每个PMT的信号强度是通过对该时域脉冲下的区域进行数字积分来确定的。该系统在LNA之后使用可变增益放大器（VGA）来补偿PMT灵敏度的变化。

LNA和VGA的组合增益约为40dB，增益范围约为20dB。所使用的放大器通常具有几nV/√Hz或更低的噪声，带宽在100kHz至1GHz范围内。电流反馈放大器有时用于提供高速，同时最大限度地降低功耗。具有10位至12位分辨率的高密度数模转换器（DAC）用于控制VGA的增益。

VGA的输出通过低通滤波器，进行失调补偿，然后通过10位至12位模数转换器（ADC）采样以50Msps至100Msps速率转换为数字信号。

ADC样本通常由现场可编程门阵列（FPGA）鉴别器处理，该鉴别器可以处理多个ADC输出。因此，在某些情况下，具有串行LVDS输出的ADC或具有多路复用CMOS输出总线的双通道ADC可用于降低互连复杂性和数字噪声。如上所述，来自多个PMT的数字信号信息用于计算特定光子撞击的位置。

检测光子撞击的时间

不幸的是，数字化接收器输出的定时分辨率不足以确定精确的飞行时间信息，以增强成像，甚至无法确定两次光子撞击的近似重合。因此，PET系统采用超高速比较器。

来自多个（通常为四个或更多）物理接近的PMT的信号相加，该组合信号驱动超高速比较器的输入。DAC产生比较器的基准电压以补偿直流失调。计算飞行时间需要极高的精度，因此使用比较器的输出信号和超高速时钟生成数字时间戳。通过这种方式，可以比较物理上相隔很远的多个PMT的时序信息。

生成映像

光子对定义了发生碰撞的一条线。这称为响应线 （LOR）。通过分析数以万计的LOR，后端图像信号处理器可以将碰撞活动显示为3D图像。在某些PET系统中，两次光子撞击事件的时间戳仅用于确定两次撞击在时间上是否足够接近，以便系统将其计为有效信号。验证此LOR具有挑战性，需要几纳秒的定时精度。

更新、更高性能的PET系统现在正在使用两次光子撞击事件的时间戳来确定碰撞地点在LOR上的大致位置。此技术可提高图像质量。这些PET系统通过将每个光子的飞行时间计算到10ps以内，将碰撞的位置计算到~100cm以内。这种计算对系统的定时精度提出了更高的要求。

功耗和积分密度考虑因素

功耗是PET系统中的一个重要问题，因为有大量的系统通道和信号处理速度。因此，制造商需要更低功耗和更高集成度的解决方案。未来，PET系统将从PMT发展，开始利用具有更高通道数的固态光电探测器。发生这种情况时，通道数可能会从数百个增加到数万个。这种演变将给IC解决方案提供商带来巨大压力，要求他们进一步降低功耗并提高集成密度。

审核编辑：郭婷