一种用于在二维空间中定位放射源的基本正电子发射断层成像系统

以下实验的总体目标是利用两对光电探测器展示正电子发射断层扫描系统的 基本原理。与商用PET系统相比，使用该原型系统的主要优势在于用户能够清晰地观察到PET的基本工作原理。当我们在医学物理领域为硕士生设计实验课程时，首次提出了该系统的构想。

演示该实验操作的是来自我实验室的技术员 Marcus Fontaine。首先通过准备检测系统来开始 PET 装置的工作。每个检测器由一个光电倍增管和一块抛光的塑料闪烁体组成。

设计闪烁体的尺寸和形状，以匹配光电倍增管入口的大小和形状，从而实现良好的耦合。下一步是用黑色胶带包裹闪烁体，留出一侧不包裹，以便与光电倍增管入口耦合。

将闪烁体放在一旁，开始处理光电倍增管。使用酒精和干净的布清洁光电倍增管的光入口。清洁完毕后，取适量光学脂涂抹于光入口，直至完全覆盖。

返回工作区，取闪烁体，并在其未覆盖的表面涂抹光学脂。涂抹光学脂后，对准光电倍增管的光入口与闪烁体的未覆盖表面，然后将这两个处理过的表面耦合在一起。

为完成探测器的组装，请按照此示例用更多黑色胶带将光电倍增管和闪烁体包裹起来。在进入测试步骤之前，至少制作四个探测器。通过将探测器连接至电压源和标准数字示波器来测试其性能。

关闭并重新打开实验室的灯光，同时在示波器上监测信号，以确认无光损失。接着，将光电倍增管输出端连接至计数器以记录检测到的事件。将探测器电压调至最低值；本例中为0.5伏。

现在将注意力转向探测器。将钠-22 源直接放置在闪烁体部分的表面。使用定标器记录三分钟内探测到的事件数量。

然后将控制电压增加 0.01 伏特。针对此电压值及直至最大控制电压的所有其他值，重复进行检测事件的计时测量。在所有探测器完成测试后，绘制检测到的事件数量随控制电压变化的曲线图。

该图包含来自 12 个探测器的数据。选择两条曲线相似的探测器组成符合对，例如本图中的探测器 O 和 I。

确定两对匹配的探测器后，继续构建并测试两个符合系统。通过将两个匹配的探测器放置成其中一个探测器的闪烁体部分正对另一个探测器的闪烁体部分，来构建符合系统。接下来，检查电子元件。

符合系统需要三个核仪器模块：一个甄别器、一个逻辑单元和一个计数器。将探测器的输出信号连接到甄别器模块的输入端。在逻辑单元上，选择前面板上的符合模式。

然后将两个甄别器的输出连接到逻辑单元的输入端。将逻辑单元的输出连接到计数器模块，以统计事件。在此配置下，计数器应能记录到由宇宙射线击中符合系统而产生的符合事件。

该示意图显示了用于测试一对探测器的完整符合检测系统。在继续下一步之前，需先对这一对探测器中的每一个进行测试。下一步是建立正电子发射断层扫描（PET）装置。

将四个探测器放置于正方形的四个角上。使闪烁体朝向正方形的中心。彼此正对的探测器构成一个符合对。

探测器表面相距约20厘米。接下来，将每个探测器分别连接到一个符合计数器、逻辑模块和定标器的不同通道。对于使用四个探测器的符合计数，请采用本图所示的逻辑模块。

此处探测器标记为 I、J、E 和 F，其信号通过一个未显示的甄别器。在此图中，每个探测器均连接至一个“或”（OR）模块。请将每个探测器的输出端连接至其余三个未与之关联的“或”模块的输入端，如彩色线条所示。

接下来，将 OR 模块的输出端连接至 AND 模块，以完成符合逻辑。在后续步骤中，仅向其中一对符合电路供电，然后对第二对重复相同步骤。

将钠-22辐射源放回探测器阵列。将辐射源放置在符合对探测器对之间连线上。使用一个探测器作为参考，测量其到辐射源的距离。

在电子设备架上，将两个探测器的甄别器输出信号作为输入连接至示波器。在示波器上以水平轴表示时间，显示这些信号。此外，将符合逻辑模块的输出信号也输入至示波器。

屏幕上应出现重定方波信号。使用示波器上测得的甄别器信号之间的时间差，用于后续的校准步骤。接下来，准备计算机自动测量系统以及时间数字转换器（TDC）模块。

将逻辑模块的输出连接到TDC的启动输入端。然后将甄别器的输出连接到延迟模块。将延迟模块的输出传递至TDC的停止输入端。

此示意图展示了当前设置的总体布局。使用通用仪器总线连接各模块与计算机，以实现软件控制。安装 Labview 或类似软件以创建虚拟仪器。

此时，对符合对执行TDC校准步骤。下一步是开始对系统进行校准，首先从一个符合系统开始。在两个探测器之间的连线上，确定五个等间距的点，包括中点。

该装置在相隔四厘米的位置设有标记点。接下来，将辐射源放置在这些点之间。源就位后，开始采集符合事件和TDC数据，持续30分钟。

每隔一到两分钟绘制一次所有采集到的TDC数据的平均值。这是完整的30分钟后的典型图示。两条曲线分别对应符合探测对中的两个探测器。

利用两个探测器TDC值差值的平均值绘制曲线，以定义时间区域，从而确定辐射源的位置。然后，将辐射源移至探测器之间的另一个标记位置。采集30分钟的数据，确定新的时间区域，并对全部五个点重复此过程。

接下来，开始测试该配对的灵敏度。在所有标记点处，针对不同的采集时间重复进行TDC测量。完成灵敏度测试后，继续设置虚拟仪器。

仪器会将一个软件LED与辐射源的位置相关联。该阵列中心的五个垂直LED对应于用于定义时间区域的五个标记位置。在本图中，显示了我们相邻两个位置的TDC数据。

某一位置的TDC差值数据的均值位于一个区间的中心，该区间代表了数据的标准偏差。这些数据应来自本方案中用于解析位置的采集时间，即两分钟。

通过截断时间区间以避免重叠，选择一个时间测量窗口，将其与LED指示的位置相关联。在完成两对符合事件的校准后，设置即告完成。此时，探测器之间应有九个标记位置。

将辐射源放置在其中一个位置上。采集两分钟的数据，并测试虚拟仪器定位辐射源位置的准确性。这些是每个探测器的响应曲线图，以及组成符合系统的探测器对的响应图。

纵轴显示了一分钟时间间隔内的累积平均TDC值，横轴为一分钟时间间隔的序号。数据采集持续了30分钟。

不同颜色的线条对应辐射源的不同位置。此处绘制了这些平均值之间的差异。每组测量值均应呈现线性行为，从而实现时间与距离之间的相互转换。

请注意，随着采集时间的增加，稳定性也随之提高。这些图示提供了对符合系统灵敏度的测量结果。TDC 计数的中位数和均值沿纵轴绘制。

辐射源在探测器 E 和 F 之间的位置索引沿水平轴绘制。每个数据点所用的数据采集时间为五分钟。位置索引一对应于辐射源大致居中的位置。

随着索引的增加，源逐渐向F探测器移动。由于中位数和均值曲线随位置呈函数关系而发散，该符合系统具有良好的空间分辨率。相比之下，该系统的中位数和均值随位置变化的发散速度较慢，表明其空间分辨率较差。

完成后，该设备可在一分钟或更短时间内显示辐射源的位置。在进行此操作时，务必记住将辐射源放置在使其中一对探测器能够敏感响应的位置。切勿忘记，操作放射性材料可能具有极高的危险性。

接受辐射安全培训，学习进行本实验时需采取的预防措施。