PET数字化技术发展过程及详细介绍

一、PET数字化技术发展过程
PET数字化技术发展过程及详细介绍
　　初的PET系统中，通过光电倍增管(PMT)、前端模拟电路和后续的模数转换器(ADC/TDC)将能量、位置和时间信息转换为数字信号，进行事件符合和图像重建。由于早期的芯片技术比较落后，模数转换单元无法集成在探测器模块，而是独立于探测器模块之外，甚至有些设计需要用比较长的线将信号传输到模数转换器。较多的模拟处理和较长的传输路径导致信号差，并且系统可扩展性差，性能受限。
　　上世纪90年代出现了SiPM光电转换器件，此类器件通过集成工艺将APD密排组成阵列，属于芯片化的器件，传输路径短、集成度高。随着电子技术的发展，SiPM 后端的模数转换和信号处理电路也逐渐芯片化，通过专用集成芯片ASIC或FPGA来实现。PET探测器的集成度进一步提高，基于ASIC或FPGA设计的模数转换器逐渐前移，模拟信号处理进一步减少，数字信号处理增加。模数转换单元尽量靠近光电转换器件会使性能进一步提升。
　　ASIC具备低功耗、小体积以及高性能特点，可以进一步简化PET探测器结构，更易于扩展。SiPM和ASIC二者结合可以实现复杂信号的读出及处理，充分发挥数字信号传导快，不易衰减的特性，整机性能提升潜力大。相比传统采用模拟处理部件较多的数字化方案，信号传输路径变短，整机性能逐步提高。
二、不同光电转换器件的差异
　　由于PMT需要高压供电(1000V左右)，并且倍增过程(10cm左右)中信号容易受到干扰变差，在硅光电倍增管出现以后，逐渐引起PET领域的重视，开始使用SiPM代替PMT作为PET探测器的光电转换器件。SiPM只需要低于供电(30V左右)，信号传输路径短(<1mm)，并且为易于大规模生产的芯片器件。采用SiPM器件信号质量更好，易于模块化，可扩展性好，能够提高PET关键性能。
　　APD光电转换器件中的APD工作在雪崩模式，大小为3mm左右，而SiPM中工作在盖革模式的微小的APD单元通常只有35um左右。SiPM的集成度大大提高，通常SiPM阵列会集成数千个甚至数万个二极管，而APD阵列通常只能集成数个二极管。APD光电转换器因其磁共振兼容性优势，被用于早期的PET/MR设备。但随着集成工艺的发展，正在被SiPM光电转换器件替代。
三、探测器的集成度
　　模拟探测器多采用分立器件进行电路设计，或者其数字电路部分采用小规模的ASIC或者FPGA设计。受制于光电转换器件的尺寸限制、微电子技术水平，或者成本等考量，模拟探测器模块包含了闪烁晶体、光电转换器件、模拟信号处理器件，物理实体上这三部分封装在一起。这种设计常见于基于PMT、APD光电转换器件的探测器模块，也有部分基于SiPM的探测器采用这种结构。探测器输出模拟信号，之后再进行模数转换。
　　数字探测器采用较多集成电路进行设计，即大规模采用ASIC或者FPGA技术。随着SiPM器件的出现和微电子技术的发展，以SiPM为代表的PET探测器模块，越来越多的采用大规模集成电路。SiPM尺寸相比PMT大大减小，模数转换等数据处理单元也采用集成芯片设计(基于ASIC或FPGA设计)。探测器模块物理实体上可以封装闪烁晶体、光电转换器件和数字化处理单元，甚至是单事件处理环节。基于SiPM的探测器多采取这种结构，探测器模块直接输出数字信号。

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