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科研项目

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理论基础

深入PET成像及应用相关的生物、化学、物理原理研究,认识自然现象、揭示自然规律,获取新知识、新原理、新方法。 

1.PET成像基本原理

正电子发射断层成像(PET)是一种前沿的分子影像和功能成像技术。PET成像,需要使用放射性核素对生物代谢所必需的物质进行标记,并注入人体。示踪剂注入生物体内后,会进入相应的靶区细胞,如肿瘤细胞,参与代谢,并在短时间内发生衰变释放出正电子。正电子在生物体内飞行极短的距离后,与生物体内本身具有的负电子相遇并发生湮灭效应,产生一对方向相反能量相等的伽玛光子。通过探测伽玛光子的信息,即可推断出湮灭事件发生的时间与位置。由于病灶细胞与正常细胞对代谢物质的需求量不同,示踪剂注入生物体内以后在各组织器官内的分布亦不相同。通过湮灭事件的信息,可以得到正电子(造影剂)在生物体内的分布,并转换成生物体内分子水平的代谢强度分布,从而发现代谢异常的病灶区。

2.闪烁脉冲特性

PET探测器是PET系统中捕获正电子湮灭事件信息的探测装置,其探测过程主要分为三步转化:闪烁晶体把伽玛光子转换成可见光和软紫外光光子;光电转换器件把光信号转化为模拟电信号,即高速闪烁脉冲;探测器电子学从闪烁脉冲信号中抽取事件的信息,包括时间、能量、位置信息等。闪烁脉冲的时间信息是湮灭事件产生的一对伽玛光子击中两个探测器之间的时间差。闪烁脉冲的能量信息是闪烁脉冲的脉冲幅值。这是探测器最后需要测量的两个主要的信息,同时也是闪烁脉冲的两个关键特征。

3.多电压阈值方法

多电压阈值数字化方法(MVT)是一种由数字PET实验室率先提出、有别于传统ADC采样的采样方法。这种方法通过预先设置多个阈值电压Vn,然后记录闪烁脉冲幅值达到各个阈值电压的具体时间Tn,得到时间阈值采样点Sn(Tn,Vn)。对闪烁脉冲上升沿和下降沿进行相同处理,将得到n个采样点。根据闪烁脉冲特性建立模型,对这些采样点进行拟合重建,就能够重建出闪烁脉冲,并以此为基础提取相关的时间信息、能量信息和位置信息。

4.PET成像未来展望

MVT方法精确测量闪烁脉冲原始信息并对其数字化,形成了数字PET一系列技术创新的基础,也引起了我们对PET成像的原理更多的发现和认识。在化学层面,更高的性能和更广泛的应用,将帮助我们揭示和观测新的生化过程,新型示踪剂的研究也会随之发展;在物理层面,我们深入光子沉积、输运过程的探讨,看到了数字化方法对于闪烁晶体特性的不同关注点;而更丰富的物理信息又可以使得更多的数学处理方法可以突破从前的限制条件而得到应用,以图像重建为例,通过更先进的方法精确获得闪烁脉冲的完整波形信息,就可为基于TOF的图像重建方法提供更准确的时间信息。

 
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