高分辨小型伽玛相机位置读出电路研究

    核医学分子影像研究迫切需要高分辨与高灵敏的影像设备。然而，传统的伽玛相机技术有诸多制约因素，无法满足当前核医学分子影像研究，特别是对小动物成像的要求。为此，人们一直在探索更先进的伽玛相机技术用于活体的小动物成像。

    小单元的闪烁晶体阵列配以位置灵敏光电倍增管的探测器技术，已从高能物理与核物理领域进入核医学影像领域，用以开发高分辨的小型伽玛相机。其关键技术是如何优化设计与制作多阳极的位置读出电路，以达高分辨伽玛相机的要求。常规方法是阻抗电荷分配法[1,2]，其前端读出电路结构简单、所需读出通道少（仅四路）、后端的信号处理与采集较易；但不足之处是读出信号的信噪比不高，导致定位精度不高，越靠近探测器的边缘区域的畸变越大，使探测器可用面积大为减小。另一方法是多路单通道直接读出法[3]，其定位精度较高于阻抗电荷分配法，能最大限度地克服边缘区域定位畸变；但是，其前端读出电路结构较复杂，所需读出通道多，且每路信号都需放大与成形，对后端的信号处理及数据获取系统的要求很高，且读出通道增多使成本大为提高。

    2001 年，Wojcik 等提出了局域重心法(TCOG)的位置读出[4,5]。该读出方法可视为上述两种传统读出方法的结合，其基本思想是：将阳极的每一根丝作为一路通道，把每个通道的信号放大并求和，再按求和信号的大小设定一个阈值，使低于该阈值的通道信号对最后的阻抗电桥读出无贡献，从而消除远离伽玛射线入射区域的噪声信号影响、减小边缘区域的定位畸变[5]，提高定位精度并增大探测器的可用面积。

    本文旨在为研制中的高分辨伽玛相机设计一套性价比较高的位置读出电路。该小型伽玛相机的探测器由一块单元面积为1 mm×1 mm的CsI(Na)晶体阵列和一只5 英寸直径的Hamamatsu R3292 型位置灵敏光电倍增管组成。CsI(Na)晶体阵列的单元厚度为 3 mm，包括 100×100 个晶体单元，单元间有0.13 mm 厚的分离间隔，内有荧光反射材料，把产生的荧光限制在该单元内。该位置灵敏光电倍增管有 12 级网状结构的打拿极，电子倍增的增益为 105阳极由两维的多丝平面构成，X 和 Y 方向各有 28根阳极丝，用于测量倍增电子的电荷分布，由电荷重法确定入射伽玛光子的位置。位置读出电路是对电路设计的要求是：在满足伽玛相机需要分辨率的同时，尽可能地减少读出通道数目，进而减小读出电路的复杂性及制作成本。

    1 位置读出电路的设计原理

    该位置读出电路的设计要求包括读出性能、成本和集成度等。在读出性能方面，配合晶体和光电倍增管使系统能够区分 1mm×1mm 晶体单元，成像视野(FOV)要尽可能地达到探测器的灵敏范围。在读出成本方面，要求最终的位置读出通道为四路[2]，以减少读出成本。读出电路要集成于一块 Φ13 cm的电路板上，可直接安装在位置灵敏光电倍增管的信号输出端。