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郑州大学硕士论文 摘要 摘要 单光子发射计算机断层( s p e c t ) 又称具有断层显像功能的y 照相机，是 目前临床上应用最广泛的核医学影像设备，能够进行断层图像显像，提高了 临床疾病诊断的准确性。 论文首先简要介绍了s p e c t 的系统结构、工作原理、成像方式、采集方 式、断层图像重建原理及方法、计算机软硬件系统及质量控制。 论文的重点包括以下两方面的内容： 第一、s p e c t 晶体探测器测试系统的设计。该系统以a v r 单片机a t m e 9 1 2 8 作为主控制器，采用性能优越的高速器件设计阂值电路、峰值保持电路、以 模数转换器a d 9 2 2 0 ( 1 0 m s p s ) 为核心的高速模数转换电路及数据存储器扩 展电路。在a t m e 9 1 2 8 协调之下，准确采集s p e c t 探头光电倍增管输出的窄脉 冲信号( 1 2 9 s ) 峰值，采集速率达到3 m s s 。该系统采用u s b l 1 接口技术， 不仅可以方便地对s p e c t 探头上的每个光电倍增管进行标定，单独测量s p e c t 前端核电子学电路所输出有关y 事件的任一种信息。而且还可将其作为单独 的多道脉冲分析器，应用于核探测其它领域。 第二、基于采集卡p c i 9 8 1 0s p e c t 采集模式的设计。s p e c t 采集模式分为 静态旋转采集模式和动态旋转采集模式，后者主要是心电门控旋转采集模式。 文中详细介绍了这两种采集模式的工作原理，并给出了实现方案。其中，在 心电门控旋转采集模式中，利用采集卡d a q 2 2 1 3 采集心电信号，采用自适应 差分阈值法检测出心电r 波峰值点的时间信息，对p c i 9 8 1 0 采集到的数据进 行分位相存储，进行数据重组得到后续断层重建所需的正弦图。 关键词：s p e c t ；多道脉冲分析器；数据采集；心电门控 郑州大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s i n g l ep h o t o ne m i s s i o nc o m p u t e dt o m o g r a p h yi sa l s on a m e dg a m m ac a m e r a w h i c hh a st h ef u n c t i o no ft o m o g r a p h yi m a g i n g , a n dh a sb e c o m et h em o s tw i d e l y u s e dn u c l e a rm e d i c a li m a g ei n s t r u m e n tc u r r e n t l y i tc a nd i s p l a yt o m o g r a p h y i m a g i n g ，i m p r o v i n gt h ev e r a c i t yo f c l i n i cd i a g n o s i s a tf i r s t ，t h i st h e s i si n t r o d u c e ds e v e r a la s p e c t sa b o u ts p e c t , i n c l u d i n gs y s t e m c o n f i g u r a t i o n ，p r i n c i p l eo fw o r k , i m a g i n gm a n n e r , a c q u i s i t i o nm a n n e r , p r i n c i p l e a n dm e t h o do ft o m o g r a p h yr e c o n s t r u c t i o n ，h a r d w a r ea n ds o f ts y s t e mo fc o m p u t e r a n dq u a l i t yc o n t r o ls i m p l y t h ee m p h a s i so f t h et h e s i sm a i n l yi n c l u d e dt w oa s p e c t si nt h ef o l l o w i n g ： f i r s t l y , t h ed e s i g no f s p e c tc r y s t a ld e t e c t o rt e s t i n gs y s t e m t h es y s t e mm a d e u o fa v rc h i pm i c r o p r o c e s s o ra t m e 9 1 2 8 嬲c o n t r o l l e r , a d o p t e dl i i g h - s p e e d c m o sc h i p sp r o s s e s s i n ge x c e l l e n tp e r f o r m a n c et od e s i g nt h r e s h o l dc i r c u i t p e a k v a l u eh o l d i n gc i r c u i t , b a s e do na d 9 2 2 0h i 曲- s p e e da n a l o g - t o d i g i t a lc i r c u i ta n d d a t am e m o r ye 】【p a n d e dc i r c u i t i tw a sc o n t r o l l e db ya t m e 9 1 2 8t oa c q u i r et h ep e a k v a l u eo f n a r r o wp u l s es i g n a lc o m i n gf r o mp m to fs p e c tf o r e p a r td e t e c t o rb yr u l e a n dl i n e ，a c q u i s i t i o ns p e e dw a su pt o3 m s s t h es y s t e ma d o p t e du s b l 1i n t e r f a c e t e c h n o l o g y , s oi tn o to n l yc a l i b r a t e de v e r yp m to fs p e c tf o r e p a r td e t e c t o r , a n d m e a s u r e da n yk i n di n f o r m a t i o no f 3 i n c i d e n tc o m i n gf o r ms p e c tf o r e p a r tn u c l e a r e l e c t r o n i c sc i r c u i tb yo n e s e l f , b u ta l s ow a s u s e d 鹪o n es i n g l em u l t i c h a n n e lp u l s e a n a l y z e ra p p l i e di no t h e rn u c l e a rd e t e c t i o nd o m a i n s e c o n d l y , t h ed e s i g no fs p e c ta c q u i s i t i o nm o d e b a s e dd a t aa c q u i s i t i o nc a r d p c i 9 8 1 0 s p e c ta c q u i s i t i o nm o d em a i n l yi n c l u d e ss t a t i cr o t a r ya c q u i s i t i o nm o d e a n dd y n a m i cr o t a r ya c q u i s i t i o nm o d e ，t h el a t t e ri sm a i n l ye l e c t r o e a r d i o g r a p h ( e c g ) g a t i n gr o t a r ya c q u i s i t i o nm o d e t h et h e s i si n t r o d u c e dp r i n c i p l eo fw o r ko f t h et w o m o d e sd e t a i l e d l ya n dp r e s e n t e dp r o j e c to fr e a l i z a t i o n i nt h ec a r d i a cg a t i n gr o t a r y a c q u i s i t i o nm o d e , m a k i n gu s eo fd a t aa c q u i s i t i o nc a r dd a q 2 2 1 3a c q u i r e d e l e c t r o c a r d i o g r a p h , a d o p t i n ga u t o - a d a p t a t i o nd i f f e r e n c et h r e s h o l da r i t h m e t i cg o tt h e t i m eo f r - w a v ep e a kv a l u e ，s t o r i n ga n dr e c o m b i n i n gd a t aa c q u i r e db yp c i 9 8 1 0i n i l 郑州大学硕士论文 a b s t r a c t r e l e v a n tp h a s e ，g e t t i n gs i n ei m a g en e e d e db yl a t t e rt o m o g r a p h yr e c o n s t r u c t i o n k e yw o r d s ：s i n g l ep h o t o ne m i s s i o nc o m p u t e dt o m o g r a p h y ；m u l t i c h a n n e lp u l s e a n a l y z e r ；d a t aa c q u i s i t i o n ；e l e c t r o c a r d i o g r a p hg a t i n g i i i 郑州大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 核医学影像设备 核医学影像设备主要包括闪烁扫描仪，y 照相机，到单光子发射计算机 断层( s i n g l ep h o t o ne m i s s i o nc o m p u t e dt o m o g r a p h y ，s p e c t ) ，正电子发射 计算机断层( p o s i t r o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y ，p e t ) 0 - 2 。 闪烁扫描仪的成像原理是探头沿脏器做弓形扫描得到一帧放射性分布图 像，由于成像时间长，不适合动态显像，而且图像的分辨率和灵敏度均较低。 自1 9 5 8 年h a n g e r 发明y 照相机以来，核医学影像设备进入了新的发展阶 段。大视野的探头可使脏器一次成像，动态显像也成为可能，图像的分辨率 和灵敏度也得到较大提高，但y 照相机一般为二维成像( 平面像) ，对脏器深 层部位的病变探测能力差。 s p e c t 研制是在x 线c t 基础上，由k u h l 等人于1 9 7 9 年研制成功，并做 出第一台头部s p e c t 。s p e c t 是核医学影像设备在y 照相机后的又一突破。 s p e c t 依探头类型可分为扫描机型和旋转y 照相机型两种。扫描机型一 次扫描只能得到一个断层面，仪器仅能做断层扫描。实际核医学显像工作相 当部分需要做平面或全身显像( 即y 照相机所完成的二维显像) ，对比扫描机 型受到一定限制。目前商业性s p e c t 大都为旋转y 照相机型，不仅一次成像 可得到一帧平面图像，完成y 照相机的二维平面显像工作，而且若探头围绕 人体旋转一周可得到人体各角度的平面像，经重建处理后得到断层图像，提 高诊断质量。故旋转y 照相机型s p e c t 是一种综合的核医学影像设备，也可 称为具有断层显像功能的y 照相机系统，为区分与y 照相机的不同，临床 常称这种系统为s p e c t 3 1 。 目前，s p e c t 和p e t 是核医学中两种最高水准的断层成像技术。它们都是 通过探测病人体内放射性药物发出的y 光子进行成像，所以统称为发射型计 算机断层成像术( e m i s s i o nc o m p u t e dt o m o g r a p h y ，e c t ) 4 1 。 单光子发射计算机断层( s p e c t ) 中的单光子是指其所使用的核素为单光 子放射性核素。单光子的概念是相对双光子而言，一般由反应堆生产。在生 产过程中，用中子轰击母靶，使它得到过剩的中子而变成激发态，激发态的 原子核在衰变过程中要发生中子与质子的转化，把一个中予转化成质子、同 郑州大学硕士论文 第一章绪论 时放出一个b 。粒子，即b 一衰变。6 。衰变的原子核亦处于不稳定状态，回到 基态时的多余能量以y 光子形式释放出来1 5 l 。y 光子是单方向的，也是单个 的，因此称为单光子核素。 正电子发射计算机断层( p e t ) ，又称作双光予发射计算机断层，主要使 用由回旋加速器生产的双光子放射核素。用质子、氚核等轰击母靶，产生的 放射性核缺中子，衰变过程中把一个质子转化为中子，同时产生一个b + 粒子， 及1 3 + 衰变。6 + 粒子在组织中与负电子结合形成大小相同方向相反的一对光子 ( 能量为5 1 1 k e y ) ，与单光子相比称之为双光子放射性核素。 s p e c t 和p e t 各具有其优缺点：p e t 由于采用了电子准直器使其检测光子 的效率比s p e l t 高达1 0 0 倍；p e t 使用的放射性核素比s p e c t 所使用的放射性 核素在生理上更重要，但因为这些放射性核素不是现成的，必须临时制备( 用 加速器) ，因此导致p e t 设备昂贵、复杂，而s p e l t 使用现成的放射性核素， 因此设备较廉价，更灵活；s p e c t 的价格约为p e t 的i l o 。经过核医学事业 的不断发展和完善，现在已生产出双探头和三探头的s p e c t ，这使得病人的检 查时间缩短，也减少了病人射入核素的剂量，进一步减小了放射性核素给人 体带来的危害，故目前s p e c t 作为常规医疗设备在国内各大医院核医学科得 到广泛应用。 1 2 核医学成像的优势 人体的病变，或者受遗传基因的调控或者受环境的影响引发，但都是开 始于大分子运动的紊乱。长期的在分子水平的紊乱引起脏器功能的变化，这 种功能变化在脏器发生器质性变化之前，例如代谢紊乱、血流变化、血容积 的变化等。主要从事结构诊断的影像设备，例如x - c t 、超声波检查及普通的 m r i 设备都不可能对其进行早期诊断【6 】。 从原理上来说，x - c t 诊断病人的根据是x 射线通过人体时，人体组织对 x 射线不同的吸收系数，而核医学影像设备的诊断依据的是人体内的反射性分 布，以及这个分布随着人的代谢功能所发生的变化。正是由于放射性示综元 素在人体内随着代谢过程的不断分布，把人体的代谢和生理功能信息，以及 病理的信息通过y 射线携带出来，这是核医学影响能够进行功能诊断的依据 m 。以癌症的诊断来说，根据统计学方法的研究结果，e c t ( 例如s p e c t ) 可以 2 郑州大学硕士论文第一章绪论 比x c t 提前3 个月诊断出癌症，p e t 一般比s p e l t 还要早3 个月【8 】。很多癌 症发展是非常快的，有时1 个月就足可以挽救或者延长生命。 随着放射性核素作为一种药物在临床得到广泛使用后，核医学影像设备 得以极快地发展。尤其是分子水平的成像、基因配体的成像，目前还只能用 核医学成像完成，通过统计学方法把微观的变化通过宏观的数学、物理等技 术手段表达出来。 1 3 核医学影像设备在国内的应用 在美国，每1 0 万人就有一台y 照相机，每1 0 0 万人就有一台s p e c t 。y 照相机的普及和x - 光机相当，s p e c t 的普及与x - c t 相当。在中国，由于x c t 发展的速度比较快，s p e c t 的数量远远赶不上x c t 。根据1 9 9 7 年美国核医学 会的统计，美国每年的核医学诊断的图像大约1 6 0 0 多万帧左右【9 】。 我国从1 9 8 3 年开始应用s p e c t ，现在拥有s p e c t 约有5 0 0 台，全部来自 于进口，主要集中在国内各大医院。该产品主要由跨国大公司所垄断，每台 大约需3 0 5 0 万美金，此价格在国内中小医院根本无法承受。目前，国内研 制s p e c t 的技术与国外相比有很大差距，国内核医学界急切呼唤能生产出我 国自己研制的s p e l t 。进行此课题研究的目的就是为早日研制出国产的具有价 格竞争优势的s p e c t 而努力，降低s p e c t 的成本，满足国内中小医院的需求。 1 4 论文的主要研究内容 本人在s p e c t 的研制中主要任务是s p e c t 晶体探测器测试系统的设计和基 于采集卡p c i 9 8 1 0 s p e c t 采集模式的设计。 s p e c t 晶体探测器测试系统采集光电倍增管输出的窄脉冲信号( 1 2 舻) 峰 值，得到其响应的能谱图( 全能峰图) 以及半高宽等参数。根据这些参数来 设置并调整后续前端电子学系统中程控放大电路的放大倍数，从而可以方便 地对s p e c t 探头上每个光电倍增管细小的性能差异进行校正，使其在相同的 条件下，对相同能量的放射源，其输出大致相同。而且，该系统还可单独测 量s p e c t 前端核电子学电路所输出有关y 事件的任一种信息。 s p e l t 采集模式分为静态旋转采集模式和动态旋转采集模式，后者主要是 心电门控旋转采集模式。文中详细介绍了这两种采集模式的工作原理，并给 出了实现方案。其中，在心电门控旋转采集模式中，利用采集卡d a q 2 2 1 3 采 3 郑州大学硕士论文第一章绪论 集心电信号，采用自适应差分阙值法检测出心电r 波峰值点的时间信息，对 p c i 9 8 1 0 采集到的数据进行分位相存储，进行数据重组得到后续断层重建所需 的正弦图。 本论文的内容安排如下： 第一章为绪论的内容介绍了各种核医学设备的特点及在国内的应用、核 医学成像的优势和本课题研究的目的及意义。 第二章简要介绍了s p e c r 的系统结构、工作原理、成像方式、采集方式、 断层图像重建原理及方法、计算机软硬件系统及质量控制。 第三章主要介绍了s p e c t 晶体探测器测试系统的设计，对该系统的硬件 和软件结构做了详细的介绍，包括峰值保持电路、模数转换及数据存储器扩 展电路、u s b 接口电路及上下位机软件设计。最后给出了s p e c t 单管测试能 谱图。 第四章是基于采集卡p c i 9 8 1 0s p e c t 采集模式的设计。主要介绍了如何 基于采集卡p c i 9 8 1 0 实现s p e l t 静态旋转采集和心电门控旋转采集的设计， 着重介绍了这两种采集模式的工作原理和实现方案。另外，还介绍了一种心 电r 波峰值检测方法一自适应差分阈值法。 第五章为本论文研究工作的总结及对进一步工作的展望。 4 郑州大学硕士论文第二章s p e c t 系统简介 第二章s p e c t 系统简介 2 1s p e c t 系统结构 目前s p e c t 主要以旋转7 照相机型为主，其结构由探头、机架、病人检 查床、核电子学线路与计算机组成。从探头数量上可分为单探头、双探头和 三探头等型式，探头的形状有圆形和矩形之分。图1 - 1 为美国g e 公司生产的 m i l l e n n i u mv gs p e c t 外观结构图。探头被安装在由计算机控制的环形机架 上，机架带动探头沿病人检查床作水平或旋转扫描，不仅可用于全身扫描， 又可用于断层扫描，既方便了图像采集又节省了占地空间。探头将检测到的7 射线经转换成为电信号，经过核电子学电路分析后送入计算机存储、处理、 成像并显示。 图1 - 1 美国g e 公司w i l l e n n i u mv gs p e c t 外观结构图示意图 图1 - 2s p e c t 系统结构 郑州大学硕士论文第二章s p e c t 系统简介 s p e c t 一般来说可分为四部分：探头系统、机架与检查床系统、核电子学 电路和计算机系绀。s p e c t 的系统结构及工作流程分别如图1 - 2 和卜3 所示， 下面对这四部分进行简单的介绍。 含 准直器 图卜3s p e c t 工作流程 2 1 1 探头系统 s p e c t 的探头是图像采集的关键设备，主要功能是将探测到的y 射线转 换为电信号，其组成主要有准直器、闪烁探测体和光电倍增管等。基本工作 原理：y 射线经过准直器入射到闪烁探测体上使其产生荧光光子，位于其后 的光电倍增管将荧光转换成光电子并倍增放大后以电脉冲信号的形式输出。 脉冲的高度正比于射线的能量，单位时间内的脉冲个数正比于射线的强度。 将脉冲信号送往核电子学电路与计算机系统。 ( 1 ) 准直器 准直器外型示意图如图卜4 所示，由重金属铅铸成，其作用是准直射线， 对人体内发出的y 射线进行空间定位，。依据准直的放射性能量不同可分为 低能、中能和高能三种，能量探测范围为4 0 k e y s 5 1 l k e v 。例如，在s p e c t 中 使用的放射性核素9 9 t c 辐射的y 射线能量为1 4 0 k e v ，一般选用低能准直器。 根据不同的图像要求，准直器又可分为高灵敏度型、高分辨型、通用型、针 孔型和扇形准直器等。高灵敏度型主要用于动态显像；高分辨型是用于平面 和全身显像等要求图像分辨率高的检查；通用型为上述两者兼顾；针孔型用 于小脏器检查；扇形准直器是近年来新研制的超高分辨聚焦型准直器，是用 于脑和心肌显像。 郑卅i 大学硕士论文第二章s p e c t 系统简介 慵视田 i i 屙阳 饲视图 图卜4 准直器外型不意图 ( 2 ) 闪烁探测体 闪烁探测体位于准直器和光电倍增管之间，它的作用是将y 射线转化为 荧光光子。y 射线进入晶体后，与之发生相互作用，闪烁探测体吸收带电粒 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， 荧光光子的数目、能量、输出的光脉冲幅度与入射y 射线的能量成正比，入 射y 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等将荧光光子尽可能收集到光 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。 s p e c t 通常使用n a i ( t i ) 晶体作为闪烁探测体将y 射线转换为荧光光 子。n a l ( t i ) 晶体对核医学影像中常用的y 射线具有探测效率高、发光效率 高、线性度好和光的衰减时间短等优点，与光电倍增管的光谱响应较好匹配。 s p e c t 探头中n a i ( t i ) 晶体的厚度一般为9 5 2 5 n m ，面积随探头视野大小而定。 ( 2 ) 光电倍增管 光电倍增管位于晶体的后面，紧贴着晶体。当y 射线进入晶体后，与晶 体相互作用引起的闪烁光就打在该部位一个或多个光电倍增管的光阴极上， 通过光电效应产生一定数目的光电子。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，最后在阳极形成很大的电子流，通过负载电阻即得到易于测量的 电压脉冲。此过程产生的电流量与入射在光阴极上的光子数目成正比。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。其结构原理图如图卜5 所示。 目前，圆探头的s p e l t 机使用光电倍增管一般为3 7 9 1 个，方形或矩形 探头的s p e l t 机使用光电倍增管一般为5 5 - 9 6 个。光电倍增管的形状有圆形 和六角形两种。圆形光电倍增管一般通过六角形的光导与晶体紧密相贴，光 7 郑州大学硕士论文 第二章s p e c t 系统简介 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定性取决于各个 光电倍增管的性能参数是否一致、各个光电倍增管的工作电压是否稳定以及 是否有足够长的预热时间，它们直接影响着系统的均匀性、分辨率和线性度。 闲烁体光电倍增首 y v 图卜5 光电倍增管( p m t ) 工作原理 2 1 2 机架与检查床系统 s p e c t 的探头一般安装在机架的环形臂上。为了提高图像的分辨率和增加 病人检测的流通量，大型s p e c t 安装了两到三个探头，双探头可相对安装， 也可呈9 0 。夹角或任意角度安装，三探头按三角形位置安装。s p e c t 作全身 扫描时有两种扫描形式，一种是固定扫描床运动机架( 即探头运动) ，另一种 为固定机架移动扫描床。扫描过程中为提高图像的分辨率，需要探头紧贴人 体采集图像。新一代s p e c t 采用了扫描自动跟踪系统，该系统工作原理是由 机架或探头发出的光源被传感器接收，感应探头前覆盖物体，可以自动完成 临近身体轮廓的全身扫描或断层扫描。 2 1 3 核电子学电路 s p e c t 探头输出脉冲信号的放大、分析，采集方式的控制和数据处理均 是通过核电子学电路与计算机系统完成。从硬件角度可分为两部分，信号分 析电路和断层扫描控制电路。 ( 1 ) 信号分析电路 信号分析电路主要包括前置放大电路、程控放大电路、位置电路、脉冲 高度分析电路等。s p e c t 探头输出的信号经信号分析电路主要转换成两种主要 信息：一种是位置信号，由x 、y 方向的脉冲信号组成，其作用是确定y 射 线打在探头上的位置；另一种是经x 、y 方向的脉冲相加得到总和脉冲信号， 即z 脉冲信号，这是一种能量信号，其大小与y 射线的能量成正比，而与y 郑州大学硕士论文 第二章s p e c t 系统简介 射线打在晶体上的位置坐标无关。 ( 2 ) 断层扫描控制电路 s p e c t 的扫描控制电路主要实现断层与全身扫描两种控制。断层扫描控制 根据预置的采集参数发出控制信号，启动探头或机架扫描电机，使探头按圆 形、椭圆形或人体轮廓运动，以一定的步进角度采集各方向的投影图像。全 身扫描控制可根据扫描参数发出扫描信号，驱动机架或扫描床运动，完成全 身视野的扫描工作。 2 1 4 计算机系统 计算机系统是指挥s p e c t 工作的神经中枢，它发出各种控制指令，实现 数据采集、信号分析和数据存储，通过各种处理软件完成断层图像重建、动 态显像分析和全身扫描的图像对接等多种图像的分析和运算，通过显示器显 示成像并存入数据库。 2 2s p e c t 成像方式与图像断层重建 2 2 1s p e c t 的成像方式 s p e c t 成像主要分为平面显像( 静态显像) 、动态显像、门控显像、全身 显像和断层显像五种方式。其中前四种为y 照相机功能，后者为s p e c t 的特 有功能l n l 。 ( 1 ) 平面显像 主要用于各脏器的二维平面显像。如肝脏、甲状腺、肾脏、脑等。 ( 2 ) 动态显像 是一种按一定时间间隔快速采集脏器动态变化的成像方式，适合于各脏 器的血流显像与动态功能研究。 ( 3 ) 门控显像 主要适用于心脏显像，利用心电图r 波作为图像采集的开门信号，门控 采集原理图如图卜6 所示。 当第一个r 波到来时触发s p e c t 动态采集心脏收缩、舒张各时期的图像 至本心动周期结束，第二个r 波到来再次触发采集一个心动周期并和第一次 采集的图像叠加，循环采集直到图像信息量足够为止。门控显像可以得到一 个心动周期的心脏动态变化图像，不仅可作平面显像也可作断层显像。 9 郑州大学硕士论文第二章s p e c t 系统简介 图卜6 门控采集原理图 ( 4 ) 全身显像 主要用于超出探头视野的扫描显像。如全身骨、全身骨髓、下肢动静脉显 像等。 ( 5 ) 断层显像 适用于深部脏器显像，可产生横断面、矢状面、冠状面和斜位等断层图像， 同时也可建立三维表面立体和容积透视型立体图像。 2 2 2s p e c t 断层图象重建原理及方法 s p e c t 断层图像的产生是通过投影采集和图像重建来实现。投影的采集是 通过探头沿垂直于人体长轴，以一定的角度问隔旋转1 8 0 。或3 6 0 。得到一系 列的投影图像，将投影图组合重建可得到断层图像。图像重建是s p e c t 得到 断层图像的关键，重建方法可分成两大类：解析法和迭代法。 s p e c t 解析类重建算法大都是在c t 成像原理的基础上建立的，主要采用 滤波反投影法，在反投影法基础上引进滤波函数。反投影法实际上是把原始 采集的各个方向投影值( 即计数值) 反向投影到重建断面的矩阵各像素单元 中，各单元的计数值相加得到一幅重建的断面。反投影法的过程可用图卜7 来表示。图1 - 7 a 为某一未知断面，探头沿顺时针方向旋转采集3 6 0 。得到各 方面的投影计数值，把投影计数值反投影到图1 - 7 b ，并相加可得到一幅重建 的断层放射性分布图。图1 - 7 b 是一个点源经过反投影重建出的失真图像，中 心是计数值较高的点源，周围由很高的本底形成一个点源发散的断层图像。 1 0 郑州大学硕士论文第二章s p e c t 系统简介 图1 - 7 投影法原理 为使点源清晰，需要引入适当的滤波函数，将原始投影剖面与滤波函数 卷积分后再反投影( 如图1 - 8 a ) ，经反投影后点源恢复为一个点( 图卜8 b ) ，从 而消除噪声，这种方法称滤波反投影法。 l l o 图l - 8 滤波反投影法原理 对于s p e c t 来说，探测器检测的是来自人体内部发出的y 光子，投影的检 测过程实际上是一个计数过程。由于t 光子在人体组织内传播时，会发生散射 和产生衰减，另外，探测器中闪烁晶体阵列中的晶体单元的尺寸也不可能非 常小，所以s p e c t 图像采集的数据是不确定性的( 将其定义为随机模型或统 计模型) ，也不是人体内放射性同位素分布的完全投影，且其图像分辨率比c t 的低，所以在s p e c t 系统中用迭代法重建图像能得到比使用解析法更好的效 果。随着计算机运算速度的飞速发展，各种迭代重建方法已成为当前s p e c t 图像重建的主要方法。 迭代法重建图像的思想是从一幅假设的初始图像出发，采用不断迭代的 方法，将理论投影值同实测投影值进行比较，在某种最优化准则指导下寻找 最优解。该类方法的最大优点之一是可以根据具体成像条件引入与空间几何 有关的或与测量值大小有关的约束和条件因子，如可进行空间分辨不均匀性 郑州大学硕士论文第二章s p e c t 系统简介 的校正、散射衰减校正、物体几何形状约束、平滑性约束等控制迭代的操作。 目前迭代法的缺点主要是运算时间长，缺少有效的停步规则以防止迭代解的 “老化”，甚至发散。 常见的迭代法有代数重建技术( a l g e b r a i cr e c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e ， a r t ) 、同时迭代技术( s i m u l t a n e o u s i t e r a t i v e r e c o n s t r u c t i o n t e c h n i q u e ，s i r t ) 、 共轭梯度法( c o n j u g a t eg r a d i e n tm e t h o d ，c g m ) 、加权最小平方法 ( w e i g h t e d l e a s ts q u a r e ，i t e r a t i v el e a s t s q u a r et e c h n i q u e ，m s t ) 、最大似然法 ( m a x i m u ml i k e l i h o o de x p e c t a t i o n - m a x i m i z a t i o n ，e m m l ) 、有序子集最大期望 值法( o r d e r e ds u b s c t se x p e c t a t i o nm a x i m i z a t i o n ，o s e m ) 等 1 2 - 1 5 1 。其中代数 重建法是提出最早并最为人们熟悉的算法，而有序子集最大期望值法是目前 研究最多的算法。 2 3s p e c t 的计算机系统 s p e c t 的计算机系统可分为硬件系统和软件系统。硬件主要包括计算机主 机、数据采集卡、存储器、显示器、键盘、打印设备等。软件包括系统软件 和应用软件。 2 3 1s p e c t 的计算机硬件系统 经信号分析电路转换成的模拟信号x 、y 、z 经数据采集卡转换为计算机可 接收的数字信号，并送入计算机。计算机根据预定的程序来处理这些数据。 数据可暂时存放在内存储器中由计算机作进一步处理，也可转移到外存储器 长期保存。采集和处理是通过操作台或键盘将信号发至计算机使其产生各种 控制指令，指挥完成操作。显示器是s p e c t 成像的最终装置，不仅可显示图 像同时也可显示各种分析参数。 2 3 2s p e c t 的计算机软件系统 s p e c t 的计算机软件主要有两类，即系统软件和应用软件。s p e c t 计算机 的操作系统不同与个人计算机的单用户操作系统，通常采用多任务操作系统， 既可同时执行多项任务，如s p e c t 的前后台操作又可同时实现图像的采集 和处理。 应用软件主要是一些利用系统软件编制的数据采集和处理程序，在软件 中占很大部分，它的设计主要面对l 临床使用者，完成不同的临床检查要求。 1 2 郑州大学硕士论文 第二章s p e c t 系统简介 软件的使用简单易理解，且自动化程度高。它包括的内容较多，涉及到核医 学图像的原始采集、脏器解剖结构分析、脏器功能测定、定量定性计算等诸 多方面，是核医学工作者和电子工程技术人员智慧的结晶，并随着科学技术 的发展得到进一步提高和完善。下面对s p e c t 的一些重要应用软件做一些简 单介绍。 ( 一) s p e c t 的数据采集软件 s p e c t 数据采集系统包括5 种采集模式：静态采集模式、动态采集模式、 心电门控采集模式、全身扫描采集模式、s p e c t 采集模式。其中前四种属于y 相机的采集模式，s p e c t 采集模式是s p e c t 所特有的采集模式，主要用于各种 断层图像的数据采集，分为静态旋转采集模式和动态旋转采集模式。动态旋 转采集模式主要是心电门控旋转采集模式，实现一t l , 脏的断层成像。s p e c t 采集 模式的软件设计及编程实现也是本文内容的一个重点。 ( 1 ) 静态图像采集 适用于采集各种静态的平面图像。设有计时终止、计数终止和手动停止 采集方式，所使用的图像采集矩阵为5 1 2 x 5 1 2 、2 5 6 x 2 5 6 、1 2 8 x 1 2 8 、6 4 x 6 4 等。 ( 2 ) 动态采集 适用于各种脏器动态功能研究，最高的采集速度可达到每秒几十帧图像。 还具有多位相动态采集功能。如：第一位相每秒1 帧，采集时间3 0 秒，采集 结束后进入第二位相，每3 0 秒l 帧，采集1 1 7 0 秒。两次采集共得6 9 帧图像， 时间1 2 0 0 秒。动态采集常选用约图像矩阵是1 2 8 x 1 2 8 、6 4 x 6 4 、3 2 3 2 等。 ( 3 ) 心电门控采集 它以心电图r 波为开门信号在一个心动周期连续采集n 帧图像( n = 1 6 、 2 4 、3 2 、6 4 ) ，记录一t l , 脏从收缩到舒张不同时期的放射性分布图像。由于一个 心动周期所采集的计数不足以成像，因此要采集多达几百个心动周期图像叠 加形成一个心动周期的心脏动态图像。门控采集常选用的图像矩阵为1 2 8 1 2 8 、6 4 x 6 4 等。 ( 4 ) 全身采集 适用于全身骨显像、骨髓显像和下肢动静脉显像等大范围的成像。其方 郑州大学硕士论文第二章s p e c r 系统简介 法是通过运动探头或移动扫描床，逐点扫描完成，根据探头的视野大小，可 分为一次扫描成像和两次扫描对接成像。扫描长度根据临床需要而定，图像 矩阵一般用2 5 6 x 5 1 2 、5 1 2 x1 0 2 4 。 ( 5 ) s p e c t 采集 适用于各种断层图像的数据采集，分为静态旋转采集和动态旋转采集， 其中动态旋转采集主要是心电门控旋转采集，实现心脏的断层成像。从旋转 方式上分为步进旋转采集和连续旋转采集两种。前者为探头旋转一定的角度 停止，采集l 帧投影，再旋转同样的角度采集，依次直到采集结束；后者是 在探头连续旋转过程中按一定的角度范围采集各个体位的投影。本文所介绍 s p e c t 采集模式的软件设计采用步进旋转采集方式。s p e l t 采集的旋转角度分 3 6 0 。和1 8 0 。，3 6 0 。适用于各种脏器采集，1 8 0 。适用于心肌灌注显像采集。 每个投影步迸角度通常选用3 。、6 。两种，断层投影的矩阵可选用1 2 8 x1 2 8 、 6 4 x 6 4 两种矩阵。每帧投影采集的时间根据脏器计数率的大小和所使用的矩 阵而定。从探头旋转轨迹上可分为圆形、椭圆形和人体轮廓扫描三种，后者 是探头按人体轮廓进行轨迹扫描，目的是使探头尽可能接近人体表面，以取 得较高的图像分辨率。椭圆形扫描通常是操作人员按人体椭圆轨迹预先设置 探头扫描轨迹，然后再扫描。s p e l t 还安装了人体轮廓跟踪系统，探头的扫描 轨迹不用事先设定，而是自动按人体轮廓完成扫描。 图像采集时要检查能量设置是否合理，并通过调整使所用能峰值准确。 准直器的选用要根据情况而定，动态影像可用高灵敏度型，静态、断层、全 身扫描，尽可能选用高分辨型，脑断层可选用扇形准直器。若病人所接收剂 量较小，也可选用通用型准直器。 ( 二) s p e c t 处理软件 s p e l t 断层图像重建。首先产生人体的水平横断面，在此基础上完成矢状、 冠状、斜状面的图像建立。通常所称的图像重建即指的是横断层的处理。s p e c t 在做图像重建之前应选择适当的重建方法及滤波函数。得到横断面后要进行 吸收衰减校正，确保脏器中心的图形质量。利用断层图像可组成特殊二维平 面图。如心肌灌注极坐标图，即将心尖部位的断面放在中心，各断面依次序 外套构成一个类似于靶心的图像，有利于临床判断缺血部位。断层图像还可 1 4 郑州大学硕士论文 第二章s p e c t 系统简介 组成三维图像( 即立体图) 。立体图分为两类，一类为三维表面立体图，可观 察脏器表面的病变：另一类是为容积透视型三维立体图，可透过外表面观察 脏器内的病变情况。核医学图像中常用此方法观察肝血池显像图中血管瘤的 体积和位置，不仅直观而且定位准确。 ( 三) 基础图像处理软件 基础图像处理软件是s p e c t 应用软件编制的基础，主要包括图像感兴趣 ( r o i ) 的处理、曲线处理和图像处理三部分。 ( 1 ) 图像感兴趣区( r o i ) 的处理 r o i 技术是核医学图像处理常用的一种方法。在显示器上利用线段将人们 所关心部分勾划出一个封闭的区域，计算这一区域的放射性计数、面积、最 大的像素数计数，经过数学处理可得到定量定性分析结果1 6 1 。r o i 处理软件功 能包括，产生一个圆形r o i ，产生一个矩形r o i 和手动勾划任意形r o i ，以及 按给定参数设定r o i 、移动、拷贝r o i 、激活r o i 以及屏蔽r o i 等。 ( 2 ) 曲线处理 动态图像的采集使人们可以通过一系列的图像分析了解脏器的功能和血 流变化，同时也可以利用r o i 技术将多帧的脏器图像勾划出来。应用曲线处 理软件产生时间放射性曲线，通过对曲线的定量分析，得到反映脏器功 能的定量指标。曲线处理软件功能包括：从屏幕图像单个r o i ，多个r o i 产生 曲线，从磁盘图像上产生、移动、拷贝、清除曲线，平滑瞳线、函数拟合、 指数拟合、直线拟合、曲线的反卷积运算、曲线高度、宽度等各种数据运算。 ( 3 ) 图像处理 图像处理软件功能包括：图像的平滑、滤波，图像的拷贝、移动、放大、 缩小，数值计算，多帧图像四则运算，图像的归一化处理等。 ( 四) 临床软件 l 临床软件是对各脏器的显像图进行临床分析的软件。是由基础图像软件 结合临床分析而编制完成，是核医学图像定量定性分析的主要手段。临床软 件包括：心脏首次通过分析；门控心血池显像分析；平面心肌灌注分析；心 肌灌注断层显像分析；肾功能分析；脑灌注断层显像分析；平面脑灌注分析； 肺通气灌注分析；甲状腺摄取以及胃排空时间测定等。 郑州大学硕士论文 第二章s p e c t 系统简介 2 4s p e c t 的质量控制 s p e c t 的质量控制分为仪器本身的质量控制和图像采集与处理过程中的 质量控制。 s p e l t 的质量控制主要有均匀性校正和旋转中心校正。对于运动探头架做 全身扫描的s p e c t ，有些还要做轨道扫描校正。质量控制优劣将直接影响图像 采集的质量。随着电子元件的老化，机械结构变形，扫描轨道水平性的变异， 以及环境温度的影响，会使s p e l t 的性能发生漂移，常规工作要经常进行检 测探头的均匀性，探头架的旋转中心是否合适，扫描轨道是否平整等。质量 控制的目的就是要采集不同校正的参数校正s p e c t 使达到最佳状态。 ( 1 ) 均匀性校正 均匀性是指探头采集面源或点源时的放射性分布的均匀程度，s p e l t 要求 探头的均匀性在l 之内。探头的均匀性分固有均匀性和校正后的均匀性， 校正后的均匀性又分为加准直器的系统均匀性和不加准直器的固有均匀性。 均