神经网络方法研究PET探测器的作用深度效应

生命科学基础研究工作的深入发展对PET探测器的空间分辨率和探测效率的要求越来越高。近几年来，国际上许多研究机构针对如何提高PET探测器这两方面的性能开展大量的研究工作，每年都有大量的科研成果发表。本课题是目前在研的国家基金面上项目"PET探测器的神经网络定位方法研究"工作的继续和深入，在原项目的工作基础和实验装置上研究闪烁探测器作用深度效应对探测器分辨率的影响，研究如何用神经网络方法获得作用深度维度上的精确定位，从而实现PET探测器三维空间上的高分辨率。由于本课题所用探测器是整块闪烁晶体LYSO，而不是分割晶体结构，因而是在保证高探测效率和高能量分辨率的基础上研究如何有效提高空间分辨的方法。将神经网络用于PET探测器的精确定位，这一思想新颖、先进，初步研究结果表明很有发展前途。我们相信随着该项目研究工作的深入和积累，可以实现创新和突破，这对提高我国大型科研仪器的研发水平有重要意义。

目前，高分辨率PET探测器都是基于细小闪烁晶体组成阵列设计的。为进一步提高分辨率，需要更细长的晶体单元和作用深度测量，这样晶体的机械加工更困难和探测器结构更复杂。相比之下，基于连续闪烁晶体的PET探测器，具有结构简单、成本低、无探测死空间以及较高的能量分辨率等优点，但这种探测器应用的最大难题就是要有精确的定位算法，由探测到的闪烁光分布计算γ光子在晶体中的作用位置。最近几年的研究结果表明，精确的平面定位，甚至DOI定位是可能的。用单端光电转换器件探测到的闪烁光分布能够同时估算作用位置的平面坐标和DOI坐标，这将是基于连续晶体探测器的又一大优势。基于连续晶体的PET探测器将是未来高分辨PET探测器的重要发展方向。.本课题在原有平面定位算法研究的基础上开展DOI神经网络算法的研究。项目的主要研究内容是改进现有的实验测试装置，使之能够进行PET探测器γ射线作用深度方面的实验测试工作，完善实验装置的数据获取系统和软件系统，进行实验并获得实验数据；对实验数据进行分析，选择合适的神经网络结构和规模，优化二维平面网络定位性能，同时开展用神经网络计算γ射线作用深度的可行性研究工作；将二维平面定位和DOI作用深度定位结合起来，研究用神经网络实现三维（3D）直接定位，并测试能够达到的最佳性能。本项目的研究目标是用神经网络实现DOI定位，预计作用深度的定位精度可以做到3-5mm。.本项目按照计划完成了实验装置的改进、实验测试和数据获取、神经网络DOI定位方法研究，以及定位方法扩展研究等研究内容。改进的实验装置实现了机械控制和数据获取自动化；用实验装置获取了平面和DOI定位研究的实验数据和测试数据；我们除了继续深入研究平面定位算法、偏移量校正等技术外，重点研究了DOI定位的入射点定位方案和3D定位方案。测试结果表明在整个探测器入射面上，平面定位平均分辨率在2mm以下，DOI平均分辨率在2mm左右（偏移量校正之前），神经网络3D定位方法是基于连续晶体PET探测器的有效和实用的定位方法。此外我们还扩展了研究内容，研究了目前国际上其他有效的定位算法，并和神经网络定位方法比较，也取得了很好的研究成果。