新型PET探测闪烁晶体光子输运特性模拟及试验研究

论文摘要

正电子发射断层显像（Positron Emission Tomography, PET）可在活体上显示生物分子代谢及神经介质活动,是当今最高层次的核医学诊断与研究技术之一。围绕PET展开的科研攻关一直是国内外临床医学界和高端医学影像研发部门所关注的重要课题。本文对PET探测器闪烁晶体内光子输运过程进行了模拟及实验研究,并在以下方面取得进展。针对伽马光子与探测器闪烁晶体作用后产生的荧光光子在闪烁晶体与光导内输运,经PMT接收并放大的过程非常复杂,物理实验困难的特点,本文在Linux fedora操作系统上成功构建了GATE （Geant4Application for Tomographic Emission）核医学仿真平台。基于GATE软件工具包,分析了传统8×8阵列、象限共享式10×10阵列LYSO闪烁晶体PET探测器的建模方法,对伽马光子与闪烁晶体作用产生荧光并被光电倍增管接收的整个物理过程的模拟,研究了晶体材料、表面特性对探测器性能的影响。采用质心定位算法成功绘制了伽马光子散点图；基于伽马光子概率分布模型,分析了分光光导的最优切割深度的影响因素；基于分水岭算法完成了基于模拟数据的8×8闪烁晶体探测器的位置查找表的制作；建立了探测器的空间分辨率、能量分辨率的定量分析方法。在上述工作的基础上,研制了集LYSO闪烁晶体阵列、分光光导及光电倍增管于一体的探测器模块,并在东软加速器测试中心锗-68射线源测试平台上完成了探测器测试,讨论了核脉冲信号波形特征的影响因素。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 PET成像技术发展概述
• 1.2 研究内容及意义
• 1.3 论文内容结构
• 第二章 PET工作原理及结构
• 2.1 PET工作原理
• 2.1.1 生化原理
• 2.1.2 PET物理原理
• 2.2 PET探测器设计原理
• 2.2.1 PET闪烁晶体探测器性能参数
• 2.2.2 PET探测器设计
• 第三章 GATE仿真系统介绍及设置
• 3.1 GATE简介
• 3.2 GATE的基本构架及主要模块功能
• 3.2.1 可视化定义
• 3.2.2 几何体定义
• 3.2.3 系统模块的定义
• 3.2.4 Sensitive Detectors定义
• 3.2.5 Physical模块定义
• 3.2.6 Source模块定义
• 3.2.7 Digitizer模块
• 3.2.8 output模块定义
• 3.3 光子输运模拟的相关功能参数设置
• 第四章 基于GATE的探测器设计及模拟
• 4.1 建立闪烁晶体阵列模型
• 4.1.1 晶体阵列结构的模拟
• 4.1.2 晶体表面处理及材料特性
• 4.2 光电倍增管的模型建立
• 4.2.1 光电倍增管的排列模拟
• 4.2.2 光电倍增管表面定义
• 4.3 光导切割及其性能优化
• 4.3.1 使用光导的依据
• 4.3.2 光导的结构模拟
• 4.3.3 光导材料及表面的定义
• 4.3.4 光子传输模拟过程
• 4.3.5 切槽深度的优化
• 4.4 位置表的建立
• 4.4.1 基于分水岭的位置映射算法
• 4.4.2 基于边界提取位置映射算法
• 4.5 象限共享式PET探测器模型的建立
• 4.5.1 模型建立
• 4.5.2 生成散点图
• 第五章 模拟结果性能分析及探测器组装
• 5.1 模拟结果的性能分析
• 5.1.1 空间分辨率
• 5.1.2 能量分辨率
• 5.1.3 定位精度
• 5.2 探测器制作组装及测试
• 5.2.1 探测器制作组装
• 5.2.2 探测器性能测试
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢