CN216933254U - 碲锌镉正电子发射断层成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种碲锌镉正电子发射断层成像系统，CZT‑PET以碲锌镉探测模块形成环状探测器单元，构成单环PET或多环PET，碲锌镉探测模块包括碲锌镉晶体模块、电荷灵敏前置放大模块和滤波放大模块，碲锌镉晶体模块包括碲锌镉晶体和电极，多块碲锌镉晶体平铺或者堆叠组成单个碲锌镉探测模块的探头模块，碲锌镉晶体的电极类型采用正交条形电极结构或像素型电极结构；碲锌镉晶体的输出信号依次通过电荷灵敏前置放大模块、滤波放大模块和信号读出模块。本实用新型CZT‑PET成像系统结构紧凑，使用灵活，提高了探测器的探测效率，大幅度提升射线能量选择范围的精确度，进而提升系统空间分辨率和信噪比。

Description

碲锌镉正电子发射断层成像系统

技术领域

本实用新型属于医疗诊断影像设备技术领域，尤其涉及一种碲锌镉正电子发射断层成像系统。

背景技术

正电子发射断层成像(Positron Emission Tomography，PET)是目前最先进的大型医疗诊断三维成像技术之一，该技术已经成为肿瘤检查，心、脑血管疾病和神经性疾病诊断的重要方法之一。目前PET的探测器应用较多的主要有LSO晶体、BGO晶体、NaI晶体、GSO晶体等，其空间分辨率只能够满足人体各种功能性成像需求，不能满足小动物等高精度成像的要求，同时大型的PET设备造价高昂，占据空间较大，使得目前的PET成像系统在科研领域或其他相关领域的应用受到较大的限制。目前常用的小动物PET，大部分仅能获取2维位置，无法兼顾空间分辨率和灵敏度，并且其结构灵活性差，采用光电转换器件、部分模拟信号处理模块等增加了仪器的功耗。

实用新型内容

针对上述背景技术中指出的不足，本实用新型提供了一种碲锌镉正电子发射断层(CZT-PET)成像系统，CZT-PET成像系统具有较小的探测器体积，能够更加接近病灶，实现高灵敏度和高计数率。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

碲锌镉(CZT)正电子发射断层(PET)成像系统，以碲锌镉(CZT)半导体为探测器主体，形成环状探测器单元，构成单环PET或者多环PET，用于小动物或人体器官成像，单环PET能够对大部分实验类小动物进行全范围成像；多环PET中多个环状探测器单元沿轴向依次排列而成，轴向视场增大，在不移动目标物的情况下，可实现一次全范围成像。

环形探测器单元由若干个小碲锌镉探测模块组成，每个碲锌镉探测模块具有完整的前置放大器模块，即每个碲锌镉探测模块包括碲锌镉晶体模块、电荷灵敏前置放大模块和滤波放大模块，碲锌镉晶体模块包括碲锌镉晶体和电极，多块碲锌镉晶体平铺或者堆叠组成单个碲锌镉探测模块的探头模块，晶体的电极类型采用正交条形电极结构或像素型电极结构；碲锌镉晶体的输出信号均通过具有高增益、低噪声的电荷灵敏前置放大器进行处理，处理后信号的幅度依旧仅有几十毫伏，较小幅值的电信号容易造成信号堆积，导致采集到的信号发生畸变，造成大量有用核信号丢失和失真，且其基线极其不稳定，基线值较大会对后端的数据获取系统造成损害。因此，电荷灵敏前置放大器处理后的信号接入滤波放大电路中，滤波放大电路采用二级放大电路，对前放输出信号放大，并且保留信号较短的前沿时间，且大幅减小信号较长的下降沿时间，以及基线恢复功能，保证与后端数据获取系统能够更好地匹配，滤波放大模块输出的信号进入信号读出模块。

整体的CZT-PET的径向和轴向视场可根据目标物的尺寸灵活添加或减少PET探测器模块，对于小动物，CZT-PET可选用较少的探测器模块，其径向直径可设置为约10cm，能降低整体系统成本，提升分辨率；对于人体脑部成像，可根据被探测物体的形状灵活添加探测器，在不同位置进行探测，其径向直径可设置为约30cm；对于人体全身成像，可在轴向增加探测器环数，提升系统的灵敏度，其径向直径可设置为约70cm。

单个碲锌镉探测模块的探头模块的构成方式有以下两种：四块碲锌镉晶体平铺组成的CZT-PET探头模块，或者四块碲锌镉晶体堆叠组成的CZT-PET探头模块，四块碲锌镉晶体的输出信号经2次压缩成4路信号作为单个碲锌镉探测模块的输出信号。

优选地，正交条形电极结构中在碲锌镉晶体的两相对侧面上分别蒸镀16条平行的条形电极；像素型电极结构中在碲锌镉晶体一侧面的阳极蒸镀了16×16个方形电极，另一侧面的阴极采用平面电极。

对于正交条形电极结构，碲锌镉晶体的X信号和Y信号各自转换为2路信号引出；对于像素型电极结构，碲锌镉晶体的所有像素阳极信号转换为4路信号引出。优选地，所述碲锌镉晶体模块中，通过ASIC芯片集成若干个电荷灵敏前置放大器。

所述碲锌镉晶体模块中电极采用金属金材料制成，正交条形电极结构中同一侧面上相邻条形电极的间距、以及像素型电极结构中相邻方形电极的间距均为0.1mm。

此外，碲锌镉晶体模块中电极的外围设置电极保护环，有效降低探测器的端面漏电流。

相比于现有技术的缺点和不足，本实用新型具有以下有益效果：

(1)本实用新型PET成像系统使用能量分辨率极好的碲锌镉半导体探测器，对511keV的湮灭伽马射线接近2％，可大幅度提升射线能量选择范围的精确度，从而对信号选择提供有力保证，有利于拒绝多次散射事件，选择出全能峰事件，达到提升系统空间分辨率和信噪比的目的。

(2)由于PET空间分辨率与阳极像素大小密切相关，本实用新型使用的碲锌镉半导体探测器的阳极像素尺寸可达到百微米，及大地提升了PET系统的空间分辨率。

(3)碲锌镉半导体探测器相比于其他探测器，不需要冷却装置或光电转换器件，减小了探头体积使得探测器摆放更加灵活，更易于紧贴病灶，增加了探测器的探测效率。同时减小了仪器功耗，大幅度降低了PET仪器的成本。

(4)碲锌镉半导体探测器的电极选用蒸镀工艺，相比于目前商用PET系统的闪烁体探测器切割工艺，蒸镀工艺有利于使像素达到百微米级，成本可控，且蒸镀电极纯度、均匀性都较好，能够更准确地提供设置的位置信息。

附图说明

图1是本实用新型CZT-PET探测器正交条形和像素型电极结构示意图。

图2是本实用新型两种CZT-PET模块示意图。

图3是本实用新型两种单环CZT-PET系统示意图。

图4是本实用新型两种多环CZT-PET系统示意图。

图5是本实用新型不同类型CZT-PET的相关应用场景示意图。

图6是本实用新型滤波放大模块的电路图。

图7是本实用新型单CZT-PET探测器信号转四路信号读出方法示意图。

图8是本实用新型CZT-PET整机系统模块框图。

图中：1-环状探测器单元；2-碲锌镉晶体模块；3-碲锌镉晶体，4-条形电极；5-方形电极；6-电极保护环。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

本实用新型提供一种用于小动物或人体器官成像的碲锌镉(CZT)正电子发射断层(PET)成像系统，以碲锌镉(CZT)半导体为探测器主体，每个碲锌镉探测模块具有完整的前置放大器模块，即每个碲锌镉探测模块包括碲锌镉晶体模块2、电荷灵敏前置放大模块和滤波放大模块。碲锌镉半导体探测器的能量分辨率极好，对511keV的湮灭伽马射线接近2％，可大幅度提升射线能量选择范围的精确度，有利于拒绝多次散射事件，选择出全能峰事件，达到提升系统空间分辨率和信噪比的目的。

碲锌镉探测模块的探头部分由整块碲锌镉晶体模块2构成，碲锌镉晶体模块2包括碲锌镉晶体3和电极，参照图1，碲锌镉晶体3密度约为5.8g/cm³，尺寸为20mm×5mm×20mm。晶体的电极类型采用正交条形电极结构(图1a)或像素型电极结构(图1b)，电极选用蒸镀工艺，有利于使像素达到百微米级，提升了PET系统的空间分辨率；正交条形电极结构中在碲锌镉晶体3的两相对侧面上分别蒸镀16条平行的条形电极4，电极材料为金属金，其厚度约为100微米，尺寸为16.4mm×0.9mm，同一侧面上相邻条形电极4的间距为0.1mm。像素型电极结构中在碲锌镉晶体3一侧面的阳极蒸镀了16×16个方形电极5，另一侧面的阴极采用平面电极，电极材料为金属金，其厚度约为100微米，尺寸可选择0.9mm、0.7mm、0.5mm、0.3mm、0.2mm等多种，相邻方形电极5的间距为0.1mm。两种电解结构中均在电极的外围设置电极保护环6，有效降低探测器的端面漏电流。在阳极和阴极的对应两个侧面，分别焊接好电路板，用于为半导体提供偏压和引出信号，阳极接地，阴极接负高压。

单个CZT-PET探测模块可以由以下两种方式构成：4块碲锌镉晶体平铺组成的CZT-PET探头模块(图2a)或者4块碲锌镉晶体堆叠组成的CZT-PET探头模块(图2b)。四块碲锌镉晶体的输出信号经2次压缩成4路信号作为单个CZT-PET探测模块的输出信号。

多个碲锌镉探测模块形成环状探测器单元1，构成单环PET(图3)或者多环PET(图4)，单环PET能够对大部分实验类小动物进行全范围成像；多环PET中多个形成环状探测器单元沿轴向依次排列而成，轴向视场增大，在不移动目标物的情况下，可实现一次全范围成像。图3a的单环PET以单个探测器模块为基础，图3b的单环PET以4个探测器模块为基础，两种单环PET的布局结构均使用了64个探测器模块，径向视场为12cm，能够对大部分实验类小动物进行全范围成像。多个环状探测器单元沿轴向依次排列而成形成多环PET，图3a和图3b沿轴向添加多个环状探测器单元形成多环PET分别如图4a和图4b所示，增大轴向视场，在不移动目标物的情况下，实现一次全范围成像。

整体的CZT-PET的径向和轴向视场可根据目标物的尺寸灵活添加或减少PET探测器模块，对于小动物，CZT-PET可选用较少的探测器模块，其径向直径可设置为约10cm(图5上图所示)，能降低整体系统成本，提升分辨率；对于人体脑部成像，可根据被探测物体的形状灵活添加探测器，在不同位置进行探测，其径向直径可设置为约30cm(图5中图所示)；对于人体全身成像，可在轴向增加探测器环数，提升系统的灵敏度，其径向直径可设置为约70cm(图5下图所示)。

碲锌镉晶体3的输出信号均通过电荷灵敏前置放大器，CZT半导体探测器通过收集电子-空穴对来实现射线探测，因此后续必须选用电荷灵敏前置放大器进行信号处理。由于CZT半导体探测器的输出信号非常微弱，所采用的电荷灵敏前置放大器必须具有高增益、低噪声等优越性能。本实用新型中使用的电荷灵敏前置放大器具有灵敏度高、信噪比高的性能且功耗低(<150mW)，排针式接口方便后续电路的集成化。其工作电压为±12V。

CZT像素信号经过前置放大电路后，信号的幅度依旧仅有几十毫伏，较小幅值的电信号容易造成信号堆积，导致采集到的信号发生畸变，造成大量有用核信号丢失和失真，且其基线极其不稳定，基线值较大会对后端的数据获取系统造成损害，因此，电荷灵敏前置放大器处理后的信号需接入滤波放大电路中。滤波放大模块的电路图如图6所示，滤波放大电路采用二级放大电路，对前放输出信号放大，并且保留信号较短的前沿时间，且大幅减小信号较长的下降沿时间，以及基线恢复功能，保证与后端数据获取系统能够更好地匹配，滤波放大模块输出信号至信号读出模块中进行进一步处理。

单个条形碲锌镉探测器输出16路阳极和16路阴极共32路信号，单个像素型输出256路阳极和1路阴极共257路信号。可经过如图7所示的信号转接方法，将单个碲锌镉探测器的输出信号转换为四路信号读出。对于正交条形电极结构，碲锌镉晶体的X信号和Y信号各自转换为2路信号引出；对于像素型电极结构，碲锌镉晶体的所有像素阳极信号转换为4路信号引出。显然，普通的数据获取系统不能完成这么多通道的采集，可在ASIC芯片上集成几百甚至上千通道的前置放大器等信号处理元器件，对于轴向视野增加探测器环，也可使用ASIC芯片进行信号初步处理，需添加探测器环与环之间符合逻辑，后端再接入普通数据采集系统即可完成数据获取，CZT-PET整机系统模块框图如图8所示。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种碲锌镉正电子发射断层成像系统，其特征在于，以碲锌镉探测模块形成环状探测器单元，构成单环PET或者多环PET；

所述碲锌镉探测模块包括碲锌镉晶体模块、电荷灵敏前置放大模块和滤波放大模块，碲锌镉晶体模块包括碲锌镉晶体和电极，多块碲锌镉晶体平铺或者堆叠组成单个碲锌镉探测模块的探头模块；

所述碲锌镉晶体的电极类型采用正交条形电极结构或像素型电极结构；所述碲锌镉晶体的输出信号通过电路与电荷灵敏前置放大模块连接，电荷灵敏前置放大模块通过电路与滤波放大模块连接，滤波放大模块通过电路与信号读出模块连接。

2.如权利要求1所述的碲锌镉正电子发射断层成像系统，其特征在于，所述单个碲锌镉探测模块的探头模块由四块碲锌镉晶体平铺组成或者四块碲锌镉晶体堆叠组成，四块碲锌镉晶体的输出信号经2次压缩成4路信号作为单个碲锌镉探测模块的输出信号。

3.如权利要求1所述的碲锌镉正电子发射断层成像系统，其特征在于，所述正交条形电极结构中在碲锌镉晶体的两相对侧面上分别蒸镀16条平行的条形电极；所述像素型电极结构中在碲锌镉晶体一侧面的阳极蒸镀了16×16个方形电极，另一侧面的阴极采用平面电极。

4.如权利要求3所述的碲锌镉正电子发射断层成像系统，其特征在于，所述正交条形电极结构中碲锌镉晶体的X信号和Y信号各自转换为2路信号引出；所述像素型电极结构中碲锌镉晶体的所有像素阳极信号转换为4路信号引出。

5.如权利要求2所述的碲锌镉正电子发射断层成像系统，其特征在于，所述碲锌镉晶体模块中，通过ASIC芯片集成若干个电荷灵敏前置放大器。

6.如权利要求3所述的碲锌镉正电子发射断层成像系统，其特征在于，所述电极采用金材料制成，正交条形电极结构中同一侧面上相邻条形电极的间距、以及像素型电极结构中相邻方形电极的间距均为0.1mm。

7.如权利要求1所述的碲锌镉正电子发射断层成像系统，其特征在于，所述电极的外围设置电极保护环。

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