對于改善醫療保健環境的需求永無止境,因此需要具有更高分辨率的醫療影像設備,以便更好地觀測人體情況。高分辨率帶來了信號采集和傳送的問題。基于上述需求,需要穩定的低抖動時鐘去改善信號采集精度,改善信號在系統內的傳輸。本文中,我們將討論大型成像設備的時鐘分發系統,而這對設計工程師們而言是一大挑戰。
1970年代中后期,計算機X射線軸向分層造影(CAT)掃描就已經出現在醫學界了。計算機處理能力和信息采集時間的改善大大提高了設備的掃描速度,信息內容以及圖像的清晰度。今天,我們的掃描儀把正電子放射成像技術(PET)與核磁共振成像技術(MRI)或X-射線計算機斷層掃描技術結合在一起,提供了更好的信息記錄方式與更出色的畫面質量,此即雙模式掃描,是當下最新的設計之一。
時鐘,噪聲與圖像分辨率
特別的是,PET掃描儀需要放射性核素跟蹤劑,當這些放射性核素衰變時就會產生正電子。當正電子失去勢能,它們就會通過不同方式與電子結合在一起,通過這種結合,將產生幾乎朝向完全相反方向發射的511KeV的伽馬射線。為了記錄在它們穿過病人身體時,兩個伽馬射線光子的響應線或弦,需要用到一個探測環。探測環的直徑必須能容納病人身體通過,大約需要1米,探測環上具有500到1000條信道。探測器則必須能把從正電子到電子覆滅過程所產生的兩條伽瑪射線事件關聯到的一個響應線上,而不能作為隨機事件。另外,這些信道必須準確測量出伽馬射線的能量,以此探測出康普頓散射引發的誤差,康普頓散射會導致發射源位置出錯。要達到以上目的有幾種辦法,但均需要精確的時鐘信號配合檢測窗口。
產生一個精確且穩定的高頻時鐘非常容易,但如何在直徑很大的探測環內分布時鐘信號則是一大挑戰,因為快速的時鐘脈沖邊沿會因傳輸媒介而有所損耗。一些探測器借助光纖將閃爍晶體的輸出傳遞至具有光電子元器件(PMT或者APD)的信道板上。這樣的布局令探測電子裝置的距離變小,但時鐘脈沖分布依然會受到信道上的損傷、偏移、振動以及其它退化問題的影響,這些最終會影響圖像的噪聲,及需要達到的分辨率。
圖1:PET探測器構成示意圖