基于连续闪烁体PET探测器的高时间分辨技术研究

The development of TOF-PET has a very high demand to the timing performance of PET detectors. Based on our research results on high spatial resolution of continuous crystal PET detectors, we propose to study the timing techniques for its high temporal resolution. By experimental measurements, the project will unveil the effects to the timing accuracy coming from all the parts in the timing chain，including the influence from different interaction position of γ photon in detector. Then,the project will focus on a time readout driven timing correction solution to improve the timing performance, and study its practical electronics circuit as well as the high resolution TDC circuits for TOF-PET applications. Combining the new techniques for the continuous crystal based PET detector, such as neural network based position estimation, TODT anode readout scheme, and the timing techniques this project will have, the project will finally build a practical prototype of the PET detector module with a high spatial resolution and a high temporal resolution. The project is an essential technique preparation for the future development of high performance TOF-PET using this new type of detector structures.

TOF-PET的应用研究对提高PET探测器模块的时间性能有着迫切需求。本课题在申请者已有的基于连续晶体PET探测器高位置分辨研究工作的基础上，提出开展连续晶体PET探测器高时间分辨技术的研究。课题将通过实验测试手段揭示PET探测器定时链上的各个环节对定时精度的影响，特别是γ光子作用位置对最终定时性能的影响，提出研究基于时间读出驱动的新型定时校正方法，开展定时校正实用电路研究、以及满足TOF-PET应用要求的高精度TDC技术研究，并和现有的神经网络三维定位算法以及TODT阳极信号读出新方法结合，面向实际应用，研发具有高位置分辨和高时间分辨能力的PET探测器模块原理样机，为基于这一新型探测器结构的高性能TOF-PET的研发做技术准备。

相对于传统的基于分割晶体阵列的PET探测器，基于连续晶体的PET探测器具有探测效率高、能量分辨率高和低成本的优势，是近年来研究的热点。本课题针对连续晶体PET探测器的高时间分辨技术展开研究，目标是揭示探测器时间信息读出各个环节对最终时间分辨率的影响，进而研究相关技术，旨在提高PET探测器的时间分辨能力。课题开展的主要研究内容包括：（1）建立一套实验装置，对基于连续晶体PET探测器的定时性能，特别是定时性能随入射γ光子的三维作用位置的变化展开实验测试研究；（2）揭示γ光子作用位置对定时性能的影响程度，证明一种行之有效的定时校正方法，可以将作用位置带来的影响校正去除；（3）研究基于FPGA芯片的高精度时间测量技术，取得了多项研究成果，将国际上该领域的时间测量技术提高了一个层次；（4）继续开展基于连续晶体PET探测器的定位算法研究，以及基于FPGA的在线实时计算的实现研究，实现了PET探测器的三维作用位置的实时定位；（5）结合课题组原有的基于TODT方法的核信号幅度数字化技术，建立了高时间分辨和高空间分辨的基于连续晶体PET探测器的原理样机。到目前为止的项目研究成果：在该领域的顶尖学术期刊共发表学术论文8篇，在相关国际会议上共发表学术论文13篇，共提出4项国家发明专利申请和1项国际PCT专利申请，培养博士生2名。本课题的研究成果对基于连续晶体PET探测器的实际应用研究，特别是TOF-PET的应用开发研究具有重要意义。