SPECT工作原理

第三节SPECT机的大体构造和工作原理SPECT机是在γ照相机的基础上进展起来的核医学影像设备。它的大体构造由探头、旋转运动机架、运算机及其辅助设备等三大部份组成。它的大体工作原理如图6-3所示。关于运算机及其辅助设备等有关内容，将在下一节中讨论。一、探头部份1.准直器准直器是由具有单孔或多孔的铅或铅合金块组成，其孔的几何长度、孔的数量、孔径大小、孔与孔之间的距离厚度、孔与探头平面之间的角度等依准直器的功能不同而有所不同。由于放射性核素是任意地向各个方向呈立体空间发射γ射线，因此要准确地探测γ光子的空间位置散布，就必需利用准直器。它安装在探头的最外层，其作用是让必然视野范围内的必然角度方向上的γ射线通过准直器小孔进入晶体，而视野外的与准直器孔角不符的射线那么被准直器所屏蔽，也确实是起到空间定位选择器的作用。准直器最大体的性能指标是灵敏度和分辨率。所谓准直器灵敏度是指准直器接收来自放射源的放射线的能力。所谓准直器分辨率(空间分辨率)是指准直器探头辨别两个紧密相连的放射源的能力，目前多用点源或线源响应曲线最大高度的一半处的全宽度即FWHM(fullwidthathalfmaximun)示。分辨率越好，FWHM越小。灵敏度和分辨率呈相反的关系。要求有较高的灵敏度，往往要以捐躯分辨率为代价，反之亦然。准直器的设计确实是在灵敏度和分辨率之间选择最正确的折衷匹配。因此，它是SPECT影像装置的关键部件。准直器的性能是直接阻碍系统性能的要紧因素。准直器的另外一项性能指标是间壁穿透率，它反映准直器小孔之间的间壁屏蔽视野外的与准直器孔角不符的射线的能力，一样要求穿透率≤10％。若是间壁太厚，探测几何效率将会降低；若是太薄，将使影像对照度降你低。按准直器的形态结构来区分，准直器有以下几种:(1)平行孔准直器最经常使用的一类准直器。它是由一组垂直于晶体表面的铅孔组成。每一个孔仅接收来自它正前方的射线，而避免其他方向上的射线射入晶体。最接近准直器处的空间分辨率最好，随距离的增加而变差，而灵敏度随距离的增加却转变不大，因γ光子的空间浓度虽随距离的平方成反比而减少，但图6-3SPECT的基本构造和工作原理示意图晶体暴露于放射源的总面积却按距离的平方成正比而增加。平行孔准直器的性能由其孔数、孔径、孔长、间壁厚度和准直器的材料所决定。依照准直器适用的γ光子的能量范围，可将平行孔准直器分为低能（≤150keV）、中能（150～350keV）和高能（≥350keV）3种。依照低能准直器的灵敏度和分辨率可将平行孔准直器分为低能通用型、低能高分辨率、低能高灵敏度3种。孔径越小，分辨率越好；间壁厚度减少，灵敏度增加。影像大小与靶器和准直器之间的距离无关。(2)针孔准直器它是单孔准直器，其成像原理与光学中的小孔成像原理相同，像与实物的方向相反。成像的大小与被检物距离针孔的远近有关，距离越近，成像越大。其分辨率和灵敏度与其孔径的大小有关，孔径增大，灵敏度提高，分辨率降低，反之亦然。(3)发散孔准直器其优势是扩大有效视野10%～20%，且视野随放射源与准直器距离的增加而增大。其缺点是灵敏度和分辨率较平行孔准直器差。且随放射源与准直器距离的增加而变坏。利用这种准直器，被测物被缩小，但并非是所有的部份都受到相应的缩小，故产生影像畸变。(4)聚焦孔准直器其优势是能够提高灵敏度和分辨率，但也容易显现影像的畸变。要紧适用于共计数时刻受限的动态研究。2.晶体晶体的作用是将γ射线转化为荧光光子。γ射线进入晶体后，与之发生彼此作用，闪烁晶体吸收带电粒子的能量使原子、分子激发，受激发的原子、分子在退激时发射荧光光子，荧光光子的数量、能量、输出的光脉冲幅度与入射γ射线的能量成正比，入射γ射线的能量越小，所产生的光子能量越小，输出的光脉冲幅度也越小，反之亦然。利用光导、光反射物质和光藕合剂将荧光光子尽可能搜集到光电倍增管的光阴极上，由于光电效应，光子在光阴极上打出光电子。目前，大多数SPECT机均采纳大直径的碘化钠(铊激活)晶体。NaI(Tl)晶体是含有约%铊的碘化钠单晶体。它的发光效率很高，其最强发射光谱波长为4150nm左右，能与光电倍增管的光谱响应较好匹配，晶体透明度也专门好。NaI晶体的密度较大，ρ=3.67g/cm3，有效原子序数高达50，因此对γ射线的探测效率专门高。但它的要紧缺点是容易潮解，必需在密封条件下保留和利用，而且质脆，容易碎裂，故利历时应幸免大的震动和温度的较大转变，一样室内温度要严格操纵在15～30℃之间，每小时温差不超过3℃。晶体位于准直器和光电倍增管之间。其准直器侧面(入射面)采纳铝板密封，既能透过γ射线，又能遮光；其光电倍增管侧面(发光面)用光导玻璃密封，晶体内所产生的闪烁光子能顺利地进入光电倍增管。晶体有不同规格的大小和厚度。圆形晶体的直径一样为28～41cm，方形和矩形大视野晶体在SPECT机中也广为利用。晶体厚度不仅阻碍SPECT机的灵敏度和空间分辨率，同时也限定了它所同意射线的能量范围。目前经常使用的晶体厚度为～12.5cm。一样薄晶体同意的能量偏低，而厚晶体同意的能量那么偏高。薄晶体在SPECT机中利用愈来愈普遍。它能够提高SPECT机的固有分辨率。最理想的状况是γ射线进入晶体只通过一次彼此作用就以闪烁光形式发射出来，如此产生的闪烁点定位准确，分辨率好。但实际情形并非如此，γ射线进入晶体后通过量次彼此作用才被光电倍增管所探测，这种闪烁点定位不精准，空间分辨率模糊。关于99Tcm和201Tl等低能放射性核素，大部份γ射线与晶体的彼此作用发生在晶体的入射面（靠近准直器）的2～5mm内。对此，若是应用厚晶体，不仅对灵敏度没有明显改善，而且明显降低了空间分辨率。例如，把晶体厚度从12.5mm降至6.5mm，空间分辨率能够提高70％，相应的灵敏度仅损失15％。目前大部份的SPECT机均采纳9.4mm厚的晶体，以取得空间分辨率与灵敏度之间较好的匹配。3.光导光导是装在晶体和光电倍增管之间的薄层有机玻璃片或光学玻璃片，其作用是把呈六角形排列的光电倍增管通过光藕合剂(一样为硅脂)与NaI(Tl)晶体藕合，把晶体受γ射线照射后产生的闪烁光子有效地传送到光电倍增管的光阴极上。光导有多种形状，一样其下底面为六角形，紧密地排列在晶体之上；上顶面为圆形，与光电倍增管紧密贴合。如此，当应用圆形光电倍增管时，射入光电倍增管之间间隙内的闪烁光便可不能损失。另外，光导的侧面涂有对荧光反射性能良好的氧化镁涂剂，以便让更多的闪烁光进入光电倍增管，也能够避免光线从光导的侧面透射到其他光电倍增管的光阴极上。再者，在晶体和光导、光导和光电倍增管之间都充填有光学硅脂，以排除空气，减少闪烁光透过两种光介面时的损失。光导从每次荧光事件中搜集闪烁光的能力和正确地把它分派到光电倍增管的能力，阻碍着SPECT机的空间分辨率、线性度、均匀性和灵敏度。因此，上述方法对提高整机的性能是很重要的。一样说来，薄的光导提供较好的分辨率，而厚的光导那么提供较好的均匀性。4.光电倍增管(PMT)光电倍增管是在光电管的基础上进展起来的一种光电转换器件，它的作用是将微弱的光信号(闪烁晶体在射线作用下发出的荧光光子)按比例转换成电子并倍增放大成易于测量的电信号，其放大倍数可高达106～109。光电倍增管要紧由光阴极、多级倍增极、电子搜集极(阳极)组成，整个系统密封在抽成真空状态的玻璃壳内。光电倍增管的工作原理如图6-4所示。射线在晶体中引发的闪烁光打在光阴极上，通过光电效应产生必然数量的光电子。由于光阴极和各级倍增极之间都加有电压(高压电源经分压电阻R供给)，使阴极图6-4光电倍增管的工作原理产生的电子被有效地放大并集中到下一极，最后在阳极形成专门大的电子流，通过负载电阻RL即取得易于测量的电压脉冲。此进程产生的电流量与入射在光阴极上的光子数量成正比。因此，输出的脉冲幅度与射线在闪烁体中的能量损失成正比。目前，圆探头的SPECT机利用光电倍增管一样为37～91个，方形或矩形探头的SPECT机利用光电倍增管一样为55～96个。光电倍增管的形状有圆形和六角形两种。圆形晶体一样通过六角形的光导与晶体紧密相贴。六角形的光电倍增管是圆形光电倍增管的最新改良型，其要紧优势是去除光导，直接与晶体相贴，排除探测间隙，提高灵敏度和空间分辨率。这种光电倍增管已经慢慢取代圆形光电倍增管和光导。光电倍增管在探头中呈蜂窝状排列。整体光电倍增管的性能稳固性取决于各个光电倍增管的性能参数是不是一致、各个光电倍增管的工作电压是不是稳固和是不是有足够长的预热时刻，它们直接阻碍着系统的均匀性、分辨率和线性度。对光电倍增管性能阻碍最大的是直流高压的稳固性。而高压又是由低压交流电经整流升压取得的，因此SPECT机都要求有稳压电源。在常常停电的地址，还要配备不中断供电电源(UPS)，以保证SPECT机的稳固性和工作的持续性。5.模拟定位计算电路此电路与光电倍增管相连接。其要紧作用是将光电倍增管输出的电脉冲信号转换为确信晶体闪烁点位置的X、Y信号和确信入射γ射线的能量信号。模拟定位计算电路一样可分为两类:一类是最经常使用的Anger型，即加权电阻矩阵网络型；另一类是延迟线时刻转换型，此型事实上是前者的改良型。模拟定位计算电路同意来自光电倍增管的电信号，在此转换成具有必然特点的脉冲信号。这些信号的某个物理量(电压或时刻)与晶体闪烁点的位置座标成必然的对应关系。Anger型模拟定位计算电路系将闪烁点的位置座标转换为脉冲幅度与之对应的信号;延迟线时刻转换型系将闪烁点的位置座标转换为过零时刻与之对应的双极脉冲信号。现以Anger型模拟定位原理为例介绍如下(图6-5)：图6-5是Anger型模拟定位计算电路工作原理简图。图中7只光电倍增管按六角形排列，每一个光电倍增管通过加权电阻与X+、X－、Y+、Y－4根输出导线连接。当闪烁事件在晶体内发生时，闪烁光便从闪烁点位置向周围发射。最靠近闪烁点的光电倍增管同意的光量最多，距离越远，同意的光图6-5Anger型模拟定位计算电路的量也就越少。通过计算每一个光电倍增管4工作原理个输出脉冲信号的相对大小，即可确信γ射线在晶体中彼此作用的位置。然后，这4个输出脉冲信号被送进前置放大电路和Z信号合成电路，以减少脉冲波形畸变和传输失真，和确信在此闪烁事件中晶体吸收的总能量并输出能量信号Z脉冲。Z脉冲信号被送进数字式多道脉冲高度器进行能量辨别，以确信此闪烁事件是不是为有效闪烁事件。二、机架部份SPECT的机架部份由机械运动组件、机架运动操纵电路、电源保障系统、机架操纵器及其运动状态显示器等组成。它的要紧功能是：①依照操作操纵命令，完成不同搜集条件所需要的各类运动功能，如直线全身扫描运动、圆周断层扫描运动、预置定位运动等；②把心电Ｒ波触发信号和探头的位置信号、角度信号等通过模数转换器(ADC)传输给运算机，并同意运算机指令进行各类动作；③保障整个系统(探头、机架、运算机及其辅助设备等)的供电，提供稳压的各类规格的高低压、交直流电源。限于篇幅，本章仅介绍机架运动及其操纵系统。前面已经讲过，γ照相机型的SPECT机兼有四大功能：平面显像、动态研究、全身扫描和断层搜集。尤其是全身扫描和断层搜集，这两种显像方式是在探头和机架的运动进程中完成数据搜集的，因此需要有高精度和良好稳固性的运动系统和定位系统，这也是SPECT质量操纵的关键之一。机架运动按其运动形式分为4种：①整体机架直线运动(wholebody),现在探头处0°或180°，机架沿导轨作直线运动，检查床与导轨平行，要紧适用于全身扫描；②探头及其悬臂以支架机械旋转轴为圆心，作顺时针或逆时针圆周运动，检查床与导轨垂直，要紧适用于断层搜集，现在探头倾斜度必需为0°；③探头及其悬臂沿圆周运动半径作向心或离心直线运动，要紧作用是使探头在搜集数据时尽可能切近病人；④探头沿自身中轴作顺时针和逆时针倾斜或直立运动，要紧适用于静态或动态显像时特殊体位的数据搜集。在实际工作中，往往是①、③或②、③联合运动，这确实是所谓的“贴身轨道”法全身扫描或断层搜集，以提高探测效率和空间分辨率，但由于机架的多种运动使得数据搜集总时刻稍有延长。机架运动按其操纵方式分为手动操纵和自动运行2种。手动操纵要紧适用于：①数据搜集前，依照检查部位、体位、倾斜角、旋转角等要求，把探头运动到指定位置；②在全身或断层扫描前，必需将预定探头运动轨迹的数据输入运算机操纵系统。如椭圆断层轨道的预置四点距旋转中心的最近点的定位；检查床的高度定位；预定全身扫描的起始位置等。自动运行要紧适用于全身或断层搜集，依照预置运动条件(起始角度和位置、旋转的总角度和运行的总距离等)，在运算机的操纵下自动运行并同时搜集每一个角度和位置上的投影数据。探头及机架的各类运动方式和速度受机架内定位操纵系统的操纵。定位操纵系统要紧由3部份组成：①驱动马达操纵电路；②位置信息存储器；③定位处置器。定位处置器事实上是一个微型运算机，它的要紧作用是操纵探头及机架转动的角度、移动的距离及识别位置。定位处置器受主运算机的操纵，并将各类定位数据传输给主运算机。在主运算机的只读存储器(ROM)中有一组标准的位置编码。每次开机后，主运算机把标准位置编码传输给机架定位处置器，并贮存在定位存储器中。在机架内，每种方式的机械运动其正反两个极限位置均装有极限脉冲发生器，当运动滑块触及此脉冲器，即发出停止运动脉冲。在每一个驱动马达的后部都装配有同轴运动脉冲发生器，只要马达转子每转动一周，脉冲发生器就发出一个或数个标准脉冲。机架定位处置器把同意的脉冲数与存储器中相应的位置编码相较较，以确信自身的位置。为了保证断层扫描和全身扫描运动时，探头转动角度和机架移动距离的精准度，在每次开机后、紧急停止运动后或机架运动犯错后，都要利用运算机机架位置检测和校正程序，第一进行机架位置自我检测。当自检失败时，都要从头进行机架位置设定，即从头确信各类运动方式的标准脉冲参数。标准参数有3个：角度参数、距离参数和高度参数。手动操纵完成以下3个进程并加以确认：①机架或探头旋转180°和360°；②直线移动机架100cm；③将探头和检查床别离调到最高点和最低点，并确认当探头处于180°最低位和最高位时，检查床的最低高度和最高高度，即可成立3个标准参数。然后，再操纵机架作各类运动直至运动到正反两个极限，直到限位脉冲器发出停止脉冲为止。如此，运算机通过计算上述平移或旋转单位距离或角度时，同轴运动脉冲发生器所发出的脉冲数，并以此为标准计算运动到正反极限的总脉冲数，即可计算出全程移动的距离或旋转的角度。