摘 要

正电子发射断层成像技术（PET）能够在无创伤条件从分子水平上反应监测活体的代谢水平，具有对疾病、肿瘤早期发现和预防的优势。目前评估PET性能主要集中在系统灵敏度、空间的分辨率和时间分辨率等方面。正十二面体PET结构对比传统结构，增加了空间立体角，能够全方面接收到来自四面八方的γ光子信号，大大提高了系统的灵敏度，增加了对信号的捕捉，增加对图像的完整度，提高空间分辨率；对比球形结构，在制造工艺上相对更加简单，且性能逼近球形结构。

该论文将从正十二面体结构设计、正五边形前端检测器和多面体结构的PET重建算法和仿真等三个方面进行研究。首先，该论文研究逼近球体结构，选择正十二面体作为PET系统检测结构，借助三维建模软件对多面体结构建立三维模型。其次，研究闪烁晶体的尺寸、材料等对探测器性能的影响，对比不同晶体阵列规模，提出对称晶体阵列结构。最后，通过MATLAB软件对检测头模块中整个分光的过程进行了仿真，提出基于重心算法的γ光子位置的精确算法，为研究探测器精确计算γ光子位置提供参考，利用MATLAB软件对整个分光的过程进行优化仿真，指导修改闪烁晶体尺寸、宽度和阵列规模，得到一个高性能的检测探头。

上述研究工作成果：提出一种新型探测器结构，并基于探测器γ光子高精度定位技术。

关键词：PET探测器；正十二面体结构；模拟仿真算法；

Abstract

Positron emission tomography (PET) is capable of monitoring the metabolic level of the living body at a molecular level without trauma. It advantages of early detection and prevention of disease, cancer with the disease. Currently evaluating PET performance is mainly focused on system sensitivity, spatial resolution and temporal resolution. Compared with the traditional structure, the PET structure of the twelve face body increases the three-dimensional angle of the space, and it can receive all aspects of the gamma photon signal from all directions, which greatly improving the sensitivity of the system, the signal to increase the capture, increase the image of the integrity, improve the spatial resolution; Compared with the spherical structure, the manufacturing process is relatively simple, and the performance is close to the spherical structure.

The paper will from the regular dodecahedron structure design is pentagonal front-end detector and the polyhedral structure of PET reconstruction algorithm and the simulation of the three aspects were studied. Firstly, this paper studies the approximation of the sphere structure, choosing the positive twelve planes as the detection structure of PET system. Using three-dimensional modeling software to establish the three-dimensional model of polyhedron structure. Secondly, to study the influence of the size and material of scintillation crystal on the detector's performance, and to compare the size of different crystal arrays. Finally, Through the MATLAB software, the whole process of the detecting head is simulated, a precise algorithm for the position of gamma photons based on the centroid algorithm is proposed, which provides a reference for the accurate calculation of the gamma photon position of the detector. Using MATLAB software to optimize the whole process of the sub light simulation, modify crystal size, width and array size, a high performance test probe.

The results of the above research work: a new type of detector structure is proposed, and the high precision positioning technology based on the detector gamma photon is proposed.

Key words: PET detector; twelve body structure; simulation algorithm;

目 录

第一章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.1.1 正电子发射断层成像的研究意义 1

1.1.2 脑部PET的发展和研究现状 1

1.2 探测器的性能对成图质量的影响 2

1.2.1 空间分辨率 3

1.2.2 系统灵敏度 3

1.3 论文安排 4

第二章 PET探测器结构设计 6

2.2 传统PET结构组态 6

2.2 正十二面体探测器结构 8

2.2.1 多面体结构分析 9

2.2.2 正十二面体结构PET系统研究 11

第三章 检测头单元结构设计 14

3.1 光电探测器 14

3.1.1 典型光电探测器 14

3.1.2 半导体探测器SIPM性能分析 15

3.2 探测器闪烁晶体的研究 16

3.2.1 晶体材料 17

3.1.2 晶体几何特性 18

3.1.3 晶体阵列 19

3.3 分光探测器与晶体耦合方式 21

第四章 基于MATLAB的分光法探测器仿真 24

4.1 探测头仿真编程 24

4.1.1 模拟γ光子在闪烁晶体中传播和反应 25

4.1.2 基于γ光子重心算法的精确算法 27

4.2 分光探测器γ光子反应深度计算 30

4.3 解码仿真图像 32

第五章 总结与展望 34

5.1 总结 34

5.2 展望 34

参考文献 36

附录 38

致谢 51

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.1.1 正电子发射断层成像的研究意义

近年来，正电子发射断层成像（Positron Emission Tomography，PET）迅速发展并得到国内外的广泛应用，是当前核医学领域公认最先进的医学影像设备之一^[1]。它不仅比同类型的单光子发射成像技术具有更高的空间分辨率，系统灵敏度和图像对比度，而且理论上PET可对活体的多部位的生理功能代谢过程进行成像，是研究医药学基本理论和实际问题等方面的有利手段^[2]。因此PET已广泛应用在鉴别诊断、病情分析、疗效、查脏器功能诊断和新药开发等多个方面^[3]。其功能具有重大的利用价值：