四维生物医学成像前端电子系统结构研究

辐射成像探测器前端读出和信号处理是现代生物医学成像的关键技术之一，本项目将结合实时三维（即四维）生物医学成像的需求，重点研究正电子发射断层（PET）成像系统的前端电子系统结构。项目将从PET成像的原理出发，研究其前端电子系统的功能、建模及关键电路模块实现。将研究针对PET成像的信号处理及图像处理算法，实现合理的任务分配和数据交互，以满足实时成像的要求；将同时研究高速、高分辨率双功能数字化电路（包括时间-数字转换TDC和模数转换ADC）和PET成像专用数字处理IP核等。项目的预期目标是提出四维生物医学成像前端电子系统的结构及建模方法，完成前端电子系统关键模块电路研究。

本项目在研究四维生物医学成像前端电子系统处理需求的基础上，针对未来可用于四维PET生物医学成像的探测器结构（SiPM探测器和CZT探测器）以及探测器物理形状（环形PET和平板PET），分别研究了相应的前端电子系统的结构和数据处理方法。另外，针对四维PET成像前端电子系统的关键电路模块，研究了ADC、TDC、低噪声前端读出电路、数字DC-DC稳压电源等，通过仿真或流片测试，验证了这些电路模块的实用性。取得的主要成果总结如下。.1）针对基于SiPM探测器的PET成像系统，提出了采用DSP进行数据预处理的电子系统结构。这种结构不需要复杂的慢速脉冲整形电路，并采用高速DSP预处理和并行运算技术，提高了信号处理速度。.2）针对基于CZT探测器的PET成像系统，提出了低噪声前端读出ASIC和高速ADC组成的前端电子系统结构。前端读出ASIC输出的模拟电压信号被高速ADC采样和数字化后，在FPGA中通过曲线拟合算法计算出模拟电压信号的峰值电压和峰值时间，从而获得γ光子到达探测器的能量和时间信息。.3）针对采用LYSO（Ce）闪烁晶体并从两端用MCP探测器读出的环形PET成像系统，提出了单片集成前端模拟读出链、TDC和ADC等模块的多通道前端读出ASIC芯片的结构。针对基于LYSO/Si-PMT探测器的平板PET成像系统，提出了一种64通道全定制前端读出ASIC芯片的结构。.4）提出了一种新型DDLL电路，具有低抖动、低功耗的特点，可用于多通道ADC以及TDC的设计。提出了基于DDLL的多通道斜坡ADC电路结构，为实现单片集成低噪声前端模拟读出电路以及TDC和ADC提供了可能。另外，设计了一款16通道的流水线ADC电路和一款 64 通道、高精度、具有自校准功能的TDC电路。.5）针对CZT探测器的低噪声读出电路，研究了多种低噪声读出策略和提高信噪比的措施，包括采用不同的电路拓扑结构和器件尺寸，采用不同的CMOS工艺设计和制造等。.6）针对数字DC-DC稳压电源中数字补偿器的控制方法，提出了多种高效数字控制算法，并通过采用FPGA搭建的硬件验证平台验证了这些控制算法的有效性。另外，还研究了其它用于前端电子系统的电路模块。. 本项目在前端电子系统结构及关键电路模块方面做了一些有益的探索，其研究成果对于实现四维PET成像系统具有重要的理论意义和工程实用价值。