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1、 核医学仪器与方法 NuclearMedicalInstrumentandMethod郑州大学物理工程学院 赵书俊 照相机一 基本原理和组成 掌握 1 基本工作过程 2 准直器 3 晶体4 光导和光电倍增管 5 位置电路和能量电路6 成像装置二 照相机的性能指标 熟悉 1 固有性能 2 系统性能三 质控 熟悉 四 软件系统 一 基本结构 基本结构 相机或称闪烁相机是核医学最常用的成相设备 相机在五十年代后期由HalO Anger设计 所以又称为Anger相机 相机具有较大成像视野 能够记录患者静态和动态图像 相机有不同设计 目前最广泛使用的是单晶体 相机 近年来 相机许多方面都有了很大改进 但
2、它们的基本工作原理是相同的 一 基本结构 基本结构 一 基本结构 基本结构 如 相机原理框图 相机通常由以下主要部分组成 准直器 探测器 晶体 光电倍增管 PMT 预放大器 放大器 脉冲高度分析器 PHA X Y位置电路 总和电路 以及显示或记录器件 带有计算机的 相机还有模 数 A D 转换器和数字计算机 探测器 PMT 放大器 X Y位置电路和总和电路组装在一个单元中 称为 相机探头 探头被安装在支架上 通过开关控制上下移动和转动 以便对准患者的检查部位 一 基本结构 基本结构 PHA和一些记录装置被安装在控制台中 过去 相机的操作是通过设置控制台上的开关和旋扭 现在则通过一台与探头相连的
3、计算机进行控制 计算机接有键盘和显示器 通过运行相应的软件控制 相机采集和处理操作 在计算机上 操作员可以输入不同指令进行各种采集和处理 或选择不同参数改变探头高压 窗宽 能峰 时间 计数等采集和处理条件 一 基本结构 基本结构 1 1准直器准直器置于晶体探测器表面 用于限制进入探头视野 射线的范围和方向 阻挡视野外 射线进入探测器 准直器用高原子序数金属制作 如钨 铅 铂 其中铅是最经济的选择 相机准直器基本上都是采用铅 根据需要准直器被设计成不同尺寸 形状和准直孔数目 单孔准直器称为针孔准直器 平行孔准直器则有4000 46 000个孔 一 基本结构 基本结构 1 1准直器准直器的分类主要
4、依据它的聚焦类型和孔的间壁厚度 按聚焦类型分为平行孔 针孔 汇聚型和发散型 如图1 3所示 针孔准直器有一个圆锥形孔 具有放大图像作用 主要用于甲状腺等小器官成像 汇聚型准直器的孔对外部点形成聚合 也具有图像放大作用 用于探测比探头视野小的器官 典型的汇聚型准直器是扇型 FANBEAM 准直器 通常用于脑成像 发散型准直器与汇聚型相反 它的孔对对探测面形成扩张 用于成像器官的尺寸大于探测视野的情况 如肺部 采用这种准直器 器官图像被缩小 一 基本结构 基本结构 1 1准直器平行孔准直器的孔相互平行 并与探测面垂直 是核医学成像中最常用的准直器 适合于一一对应的投影成像 由于针孔和汇聚型准直器的
5、放大作用及发散型准直器的缩小作用 它们用于大视野 相机时可能出现图像失真 平行孔准直器依据在成像中所能提供的分辨率 灵敏度和适用的能量范围分类为 高分辨率 通用和高灵敏度型 以及低能 中能和高能型 这些性能在下一节将进一步讨论 一 基本结构 基本结构 1 1准直器 一 基本结构1 1准直器 基本结构 一 基本结构1 1准直器 基本结构 一 基本结构 基本结构 1 2碘化钠 铊 Nal Tl 晶体探测器纯Nal晶体在室温中与 射线相互作用并不产生任何闪烁 但在Nal中掺入一定量的Tl 0 1 0 4 作为启动剂后 Nal Tl 在与 射线相互作用时就能产生大量光子 射线或x射线与Nal Tl 晶
6、体通过光电效应 康普顿效应 电子对效应发生相互作用 以此通过电离或激发将Nal分子提高到激发状态 Nal分子从激发态回到基态时 发射出光子 每1keV能量产生约20 30个光子 一 基本结构 基本结构 1 2碘化钠 铊 Nal Tl 晶体探测器选用Nal Tl 晶体探测 射线 主要是由于它与有机闪烁体相比具有高密度 3 67g cm3 以及高原子序数 碘Z 53 Nal Tl 晶体有吸湿性 吸收的水份引起晶体变黄 导致穿透进入PMT的光子减少 所以将Nal Tl 晶体密封在铝容器中 晶体的入射面和周边涂有反射物质 氧化镁 将光子反射到PMT的光阴极 Nal Tl 晶体容易破碎 搬动和使用中必须
7、小心 放置Nal Tl 晶体的房间温度必须恒定 每小时变化在2 3 之内 温度的急剧变化会导致晶体破裂 一 基本结构 基本结构 1 2碘化钠 铊 Nal Tl 晶体探测器根据不同视野 Nal Tl 晶体可以做成各种尺寸 直径从25cm 50cm 厚度从0 64cm 1 27cm 2 8 4 8英寸 最常用的为0 95cm 3 8英寸 0 64cm晶体用于移动式 相机和201Tl 99mTc 123I核素 目前矩形大视野Nal Tl 晶体尺寸达到50cm 60cm 一 基本结构 基本结构 1 2碘化钠 铊 Nal Tl 晶体探测器增加晶体厚度可增加 射线被完全吸收的概率 因此提高探测灵敏度 然而
8、也同时增加多次康普顿散射的概率 导致 射线X Y坐标作用点错位 降低成像分辨率 基于这一原因 相机采用较薄的Nal Tl 晶体 但由于许多 射线会穿透晶体 不能于晶体发生相互作用 降低了成像灵敏度 这一问题在高能核素成像时 如18F 变得更为突出 目前能够进行高能核素成像的 相机多采用5 8英寸晶体 以获得较高的灵敏度 同时又保证低能核素成像的分辨率 一 基本结构 基本结构 1 2碘化钠 铊 Nal Tl 晶体探测器 一 基本结构 基本结构 1 2碘化钠 铊 Nal Tl 晶体探测器 一 基本结构 基本结构 1 3光电倍增管 PMT PMT的结构如图1 4所示 朝向Nal Tl 晶体的一端是一
9、光阴极 另一端是阳极 阴极和阳极之间有若干金属电极 称为倍增极 所有电极密封在一真空的玻璃管内 光阴极通常用铯锑合金制作 它在吸收光子后释放电子 PMT的光阴极端朝向Nal Tl 晶体 通过一种特殊的光学油脂固定在晶体上 或使用光导管与晶体连接 一 基本结构 基本结构 1 3光电倍增管 PMT 一 基本结构 基本结构 1 3光电倍增管 PMT 一 基本结构 基本结构 1 3光电倍增管 PMT PMT的光阴极与阳极之间加上约1000V高压 每一倍增极之间的电压为50 150V 当来自晶体的光子撞击在光阴极上 光阴极发射出电子 每7 10个光子可以在光阴极上产生1 3个光电子 由于光阴极与第一倍增
10、极之间的电压差 电子被加速打在第一倍增极上 每1电子可以打出2 4个电子 从第一倍增极发射的电子 又被第一 二倍增极之间电压差加速 撞击在第二倍增极上打出更多电子 上述过程一直持续下去直到最后一个倍增极 这时电子数量达到105 108 最后这些电子被吸引到阳极形成脉冲输出到预放大器 这一脉冲的幅度正比于光阴极接受的光子数目 即正比于探测器吸收的 光子能量 加在PMT的高压必须非常稳定 倍增极电压微弱变化将引起电子放大系数显著改变 相机中PMT采用同一高压供电 不能单独进行调整 因此要求PMT性能指标相近 一 基本结构 基本结构 1 3光电倍增管 PMT 一 基本结构 基本结构 1 3光电倍增管
11、 PMT 一 基本结构 基本结构 1 4预放大器预放大器对PMT输出脉冲作初步放大 同时匹配PMT与后续电路之间阻抗 以便系统对该脉冲的进一步处理 PMT与预放大器之间接有一只电容C 起到隔离高压作用 由于PMT输出脉冲幅度很小 为了减小外界干扰 预放大器通常安装在紧靠PMT管座的上方 经过预放大器后脉冲有一定幅度 再通过线路送到线性放大器 一 基本结构 基本结构 1 5线性放大器线性放大器进一步放大来自预放大器的信号 并输出到X Y位置电路 放大器的输出脉冲幅度与输入脉冲幅度之比为脉冲放大倍数 放大器的放大倍数可以调节变化 通常输出脉冲幅度达到10V 一台 相机有50甚至100只PMT 每一
12、只PMT接有一个预放大器和线性放大器 对于相同能量的 光子 进入晶体 PMT 预放大器 在线性放大器输出时 应该具有相同幅度 但由于PMT参数分散性等原因 相同能量的 光子得到的输出幅度往往不相同 这时可以通过调节线性放大器的放大倍数使来自不同PMT的脉冲具有相同幅度 现代 相机采用自动调节 只有当偏差超出自动调节范围时 才需要人工调节 一 基本结构 基本结构 1 6X Y位置电路和总和电路 射线与Nal Tl 晶体相互作用产生的脉冲被投影在图像的X Y位置上 图像上的这个位置应该对应于 射线作用点的X Y位置 这一转换由X Y位置电路实现 X Y位置电路连接每只PMT放大输出 图1 5用有7
13、只PMT的探头说明X Y位置电路工作原理 全部PMT经过电容器连接到4个输出端 这4个输出端分别表示4个方向的信号 即X X Y Y 电容器值取决于PMT所在位置相对于4个信号的方向比率 一 基本结构 基本结构 1 6X Y位置电路和总和电路假设一个 射线的作用点 发生在靠近7号PMT的位置 最大量的闪烁光被7号PMT接收 其它PMT接收到光的比率与它们距作用点距离有关 PMT的输出信号通过适当的电容值加权 然后分别被总和形成X X Y Y 信号 在这一例子中 作用点发生在左上象限 因此X 的信号幅度大于X Y 大于Y 输出的X Y Z脉冲按下列公式计算 Z X X Y Y X k X X Z
14、Y k Y Y Z 一 基本结构 基本结构 1 6X Y位置电路和总和电路式中k是常数 除以Z的作用是消除不同核素能量的影响 k Z又称为放大系数 X Y脉冲被接到显示器 重现 射线作用点的坐标 在成像过程中 进入探测视野的 射线脉冲被依次显示 形成一幅图像 同样 这些脉冲可以存入计算机存储矩阵中进行处理或重建 也可以投影在X光片上 Z脉冲是X Y脉冲的总和 它反映了 射线的能量 Z称为能量信号 PMT数目越多 图像上所有脉冲的X Y位置精度越好 既图像空间分辨率越好 一 基本结构 基本结构 1 6X Y位置电路和总和电路 一 基本结构 基本结构 1 7脉冲高度分析器 PHA Z脉冲在总和电路
15、形成后进入PHA PHA分析Z脉冲的幅度 选通具有所需要能量的脉冲 设置PHA窗位置和宽度 则落入该窗的脉冲 即所需能量的 光子 可以通过PHA 大部分 相机具有2 3个PHA 可以同时设置2 3个窗选通不同能量的核素 用于多核素成像或多能峰核素 如111I 67Ga 成像 相机控制面板上有能量选择开关 供不同核素成像时使用 现代 相机 能峰选择和窗宽设定都在与 相机相连接的计算机上用键盘或鼠标操作 一 基本结构 基本结构 1 7脉冲高度分析器 PHA 对于X Y脉冲 只有在其Z脉冲落入选定的PHA能窗范围内才能被显示和记录 如果Z脉冲不能通过PHA 则X Y脉冲无效 图1 6A形象地反映了P
16、HA能窗的作用 在所有Z脉冲中 只有落入能窗内的Z脉冲才能通过PHA 图1 6B将能窗显示在能谱图中 在设置能窗时 窗中心要对准感兴趣的能峰 窗的宽度基本包括整个光电峰 在临床中 窗宽一般设置为20 一 基本结构 基本结构 1 7脉冲高度分析器 PHA 一 基本结构 基本结构 1 8显示和记录装置一个 光子的Z脉冲通过PHA后 与该光子的X Y位置脉冲一起进入显示或记录装置 通过预置的采集时间或采集计数 在采集期间内进入 相机并通过PHA的 光子被显示或记录 形成一幅完整的放射源分布图像 这幅图像可以被显示在胶片上 也可以被存入磁带 磁盘或计算机内存中用于进一步处理 拍立得 Polaroid 相片能够立即得到图像 但价格高且灰度级和对比度低 不适合连续的动态检查 X光胶片用于多格式相机 可以在一张胶片上得到1 64幅图像 仔细调整多格相机亮度 能够获得对比度良好的图像 一些新的输出设备被应用于核医学图像记录 例如激光相机 彩色激光和喷墨打印机 干式相机等 都具有良好的图像效果 一 基本结构 基本结构 1 9数字计算机数字计算机已经在核医学中广泛应用 越来越多的核医学检查采用计算机进行处
