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郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、 抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的 一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：划序 年月 e 1 郑卅l 大学倾i ：毕业论文 ，相机智能化探头发其运动拎制系统的研究 y 相机智能化探头及其运动控制系统的研究 摘要 乍相机属于放射性核素成像设备。一般来说，在疾病形成的过程中，脏器或 组织功能的变化要早于其在形态上的变化，因此放射性核素成像在临床中有特 殊的重要意义。 本论文在介绍7 相机系统结构及工作原理的基础上，主要从该设备的生产研 发角度出发，系统地研究了7 相机探测器各部分的物理机制，电子学原理、智能 化控制以及结构与性能的优化等问题。重点分析了探头部分各组件匹配的理论 依据、探头的智能化实现方法以及探头的运动与控制问题。 论文第一章是引言部分，主要介绍了伽玛相机的特点，l 临床价值以及当前 伽玛相机的国内外应用与研究状况。 论文第二章着重分析了 相机探头的组件部分，其主要包括准直器的设计； n a i ( t i ) 闪烁晶体、光导、p m t 光电倍增管的性能指标分析以及各组件耦合的技 术参数对系统的影响问题。 论文第三章主要介绍了y 相机智能化系统中具体电子线路的设计，其主要包 括p m t 分压电路、前置放大电路、程控增益电路、位置电路、程控能窗与阈值 比较电路、温度及高低压检测等电路的设计。 论文第四章部分是围绕，y 相机的运动部分而展开的，其主要包括伽玛相机运 动机械结构的实现，运动控制以及t 相机在运动过程中的安全保障问题。 论文第五章讨论了 r l l 机的防辐射与抗干扰问题，其中包括宇宙线辐射、电 磁干扰等因素对系统的影响以及系统对上述干扰的屏蔽措施。 整个论文主要从问题分析及仪器实际研发的角度出发，从理论论证过渡到 具体的实现。整篇论文对t 相机的硬件系统进行了比较细致与认真的探讨与研 究，希望通过这些方法的研究与实施能更好地提高y 相机的工作性能。 关键词：1 相机n a i ( t i ) i x 烁晶体程控增益程控能窗运动控制 郑卅1 人学硕一l 毕业论义 ，相机智能化探头艘其运动控制系统的研究 t h es t u d yo fg a m m ac a m e r ai n t e l l i g e n tp r o b ea n di t sm o t i o nc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t g a m m ac a m e r ab e l o n g st ot h er a d i a t i o nn u c l i d ei m a g i n ge q u i p m e n t g e n e r a l l y s p e a k i n g ，i nt h ep r o c e s so fd i s e a s ef o r m i n g ，t h ec h a n g eo fat i s s u e f u n c t i o nw i l l e a r l i e rt h a nt h es h a p ec h a n g i n g i nt h i sp o i n t ，t h es i g n i f i c a n c eo fn u c l e a rm e d i c i n ei s v e r yi m p o r t a n t b a s i n go nt h ef o u n d a t i o n a l c o n s t r u c t i o na n dw o r k p r i n c i p l eo f t h eg a m m a c a m e r a ，t h ec h i e fi d e a lo ft h i st h e s i sb em a i n l ye m p h a s i z e do n t h eg a m m ac a m e r a s c o n s t r u c t i o na n dp e r f o r m a n c e m e a n w h i l e ，e a c hp a r to f t h i st h e s i s p r o c e s s e d a c c o r d i n gt o t h ep u r p o s eo fm a n u f a c t u r ea n dp r o d u c t i o n t h e r e f o r e ，t h i st h e s i s a n a l y z e st h ep r i n c i p l ea n dm a t c h i n gt e c h n i q u eo f e a c hp a r to f t h ep r o b e ，t h i st h e s i sa l s o d i s c u s s e dh o wt or e a l i z et h ep r o b e si n t e l l i g e n t i a lc o n t r o la n dh o wt oo p t i m i z et h e c o n s t r u c t i o na n dm o t i o ns y s t e mo f t h eg a m m ac a m e r a i nt h ef i r s tp a r to ft h i st h e s i s ，t h ea r t i c l em a i n l yi n t r o d u c e dt h eg a m m ac a m e r a s c h a r a c t e r i s t i c sa n di t sc l i n i c a lv a l u e a n da tt h ee n do ft h i sc h a p t e r , t h ea r t i c l ea l s o i n t r o d u c e dt h eg a m m ac a m e r a sd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a la p p l i c a t i o na n dr e s e a r c h c o n d i t i o n s i nt h es e c o n dp a r to ft h i st h e s i s ，t h ea r t i c l em a i n l ya n a l y z e dt h ep r o b e ss t r u c t u r e a n dc o m p o s i n g s u c ha sc o l l i m a t o r sp a r a m e t e rc a l c u l a t i n g ，t h en a i ( t i ) c r y s t a l ，t h e l i g h tc o n d u c t a n c ea n dp m t sm a t c h i n gq u e s t i o ne t c i nt h i sp a r to ft h et h e s i st h a tt h e a r t i c l e sg r e a t l ye m p h a s i z et h ep a r a m e t e r sm a t h e m a t i c a lc o m p u t i n ga n dt h es y s t e m s f i m c t i o n so f t h eg a m m ac a m e r a t h et h i r dp a r to ft h i st h e s i s ，t h er e s e a r c hw o r kb ec a r r i e do nt of i n i s ht h ep m t h i g hv o l t a g ed i s t r i b u t ec i r c u i t ，p r e m a g h i f yc i r c u i t ，p o s i t i o nc i r c u i t ，p r o g r a m m a b l e g a i nc i r c u i t ，p r o g r a m m a b l ee n e r g yw i n d o wc i r c u i t ，t e m p e r a t u r ea n dh i g hv o l t a g e e x a m i n i n gc i r c u i t ，w h i c ha l s oi n c l u d ew h a t t h e i rv a l u ea n dp e r f o r m a n c ei nt h es y s t e m i nt h ef o r t hp a r to ft h i st h e s i s ，t h ea r t i c l em a i n l yp e r f o r m e dar e s e a r c ho nt h e g a m m ac a m e r a sm o t i o nc o n t r o ls y s t e m ，w h i c ha l s o i n c l u d et h eg a n m a ac a m e r a s 2 郑州大学硕士毕业沦义 ，相机智能化探头发娃重动控制系统的研究 m e c h a n i s mc o n s t r u c t i o nd e s i g na n de v e ns o m es a f e g u a r dq u e s t i o n so ft h em o t i o n c o n t r o ls y s t e m f i n a l l y , t h i st h e s i sd i s c u s s e dar a d i a t i o na n t i - i n t e r f e r e n c ep r o b l e m t h eg a m m a c a n l e r as y s t e m si n t e r f e r e n c em a i n l yi n c l u d e st h ec o s m i cr a yi n t e r f e r e n c e a n d e l e c t r o m a g n e t i s mi n t e r f e r e n c e i nt h ee n do ft h i sc h a p t e r ，t h ea r t i c l ea n a l y z e ds o m e d e f e n d i n gm e a s u r e st op r o t e c tt h eg a m m ac a m e r as y s t e m t h ew h o l et h e s i sg r e a t l ye m p h a s i st h ep r a c t i c ea n dt h ev a l u eo ft h ed e v e l o p m e n t o fg a m m ac a m e r a e a c hp a r to ft h et h e s i sb ed o n ec l o s e l ys u r r o u n dt h et a r g e tt h a tt o r e i n f o r c et h ee q u i p m e n ta n di m p r o v ei t sp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：g a m m ac a m e r a ，n a i ( t i ) c r y s t a l ，p r o g r a m m a b l eg a i n ， p r o g r a m m a b l ee n e r g yw i n d o w ，m o t i o n c o n t r o l 郑州大学硕士毕业论文，相机智能化探头及其运动控制系统的研究 致谢5 9 作者简介6 0 第一章引言 放射性核素成像的过程是先把某种放射性同位素标记在药物上，形成放射 性药物并引入体内，当它被人体的脏器和组织吸收后，就在体内形成放射源。 用核子探测装置可以从体外检测体内同位素在衰变过程中放出的y 射线，从而 构成放射性同位素在体内分布密度的图像。由于放射性药物保持着对应稳定核 素或被标记药物的化学性质和生物学行为，能够正常参与机体的物质代谢，因 此放射性同位素图像不仅反映了脏器和组织的形态，更重要的是提供了有关脏 器功能及相关的生理、生化信息“1 。 y 相机的问世给核医学带来了深刻的变化，它使传统的逐点线性扫描成像变 成了一次成像，使静态成像过渡到全身显像。到目前为止，尽管各种先进影像 设备相继出现，但照相机的动态功能及全身显像仍然使其成为当今临床上最重 要的影像设备之一“。 1 1y 相机在临床医学中的地位与作用 在现代医学领域里医学影像含有非常丰富的病情信息，所以在医生进行临床 诊断和术前引导等治疗中具有越来越重要的作用。 y 相机是利用放射性核素在人体内的密度分布及其变化来成像的，最近几年 在核医学诊断中广泛使用锝同位素9 9 m t c 作为放射性核素，它具有半衰期短 ( 6 1h o u r ) ，释放的射线能量适中( 1 4 0 k e v ) 而且可以通过化学方法( 无需使 用回旋加速器) 直接生成等优点。y 相机作为一种重要的放射性核素成像设 备，它不仅可以反映人体系统的结构特点，同时，它还可以进行功能成像。y 相机通过测量核素在人体内的分布得到各器官的结构特点，而且，由于放射性 核素标记的药物也参加到新陈代谢，即参加到人体的生理及生化过程中，可以 显示出它们的变化情况及变化速度，此外，不同器官组织可以利用不同的放射 性药物来分开成像。所以，它具备核医学的三种基本能力，空间分辨，功能分 辨和时间分辨，所以y 相机是用于诊断肿瘤和循环系统疾病的重要设备。因此 y 相机在临床中得到了广泛的应用。 郑州大学倾i 一毕业论文 t 相机智能化探头及其运动控制系统的研究 对y 照相机来说，虽然其所得到的医学影像分辨率较低，但其属于组织化 学成像，特异性高，对疾病的早期诊断仍然具有十分重要的作用。 1 27 照相机的国内外研制现状 1 9 5 8 年a n g e r 研制成功第一台y 相机以来至今，y 相机得到了迅速的发 展。从最初的模拟化y 相机到全数字化y 相机、半导体数字化y 相机。新型的 y 相机采用软件处理取代模拟化t 相机的许多硬件工作，大大简化了y 相机硬件 结构，体积庞大的控制台已经由轻巧的键盘和鼠标替代。全数字化处理有效提 高v 相机探头的分烘率、计数特性和稳定性能，从而获得高质量的核医学图像。 目前核医学领域在y 相机的基础上早已开发出功能更完备的s p e c t ( s i n g l e p h o t oe m i s s i o nc o m p u t e dt o m o g r a p h y ) 单光子发射断层装置，以及p e t ( p o s i t i o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y ) 正电子发射断层装置。但是性能好、价格低的 普及型y 相机依然是国内的迫切所需”。 1 。3 本论文研究的内容和工作 v 相机设备属于较高领域的核医学影像设备，它涉及了核技术、计算机技 术、快电子学技术、探测器技术、机电控制技术、机械加工技术等诸多高新技 术领域。因此技术含量高，研发难度大，需多学科交叉多单位的协作才能完 成。本人主要参加了y 相机项目中智能化探测器及运动控制部分的研究工作。y 相机探测器及运动控制部分是整个y 相机硬件部分的核心。这两项费用占整个成 本的2 3 以上。主要包括准直器的研发设计与加工制造；探测器闪烁晶体的选 材、指标计算及康普顿散射分析与加工定型；光电倍增管阵列的探测效率分析 及最优化布局、光电倍增管性能参数分析与选型、光电倍增管高压分配电路设 计；探测器前置放大电路设计：程控放大电路设计；程控能窗与阈值比较电路 设计；光电倍增管阵列位置电路设计：探测器内部工作温度检测电路设计；光 电倍增管高低压检测电路设计；y 相机运动控制部分的设计，其主要包括伺服电 机对探测器的升降及水平运动控制以及y 相机运动部分的机械结构设计；y 相机 防辐射及宇宙线干扰的结构设计。目前，以上设计的电子学部分已制成印刷电 路板并通过了调试运行，y 相机运动控制部分也已在相关机械加工部门进入了实 际加工阶段。因此本论文的工作是基于理论与研发相结合的一项应用性研究。 郑州大学硕 毕业论文t 相机智能化探头及其运动控制系统的研究 第二章1 相机探测器的整体设计方案 2 17 相机探测器部分在整个t 相机系统中的地位和作用 y 相机探测器部分的基本结构组成如图( 2 1 ) 所示叫11 、探测器壳体2 、准直 器覆盖层3 、准直器4 、n a ( t i ) l k 烁晶体与光导5 、光电倍增管阵列等。放射性 核素在人体内发出的y 射线穿过准直器覆盖层及准直器后与n a ( t i ) 闪烁晶体相作 用就会产生荧光闪烁现象。由此产生的光子通过与光电倍增管阵列作用后就从 光信号转变为电信号，这些采集到的信号经过v 相机前端电子学系统进行处理， 再由p c i 采集卡采集进入计算机，由计算机完成最后的图像处理及数据分析工 作。 图( 2 1 )y 相机探测器部分的基本结构 因此y 相机探测器部分是y 射线进入整个探测成像装置的第一步，是y 相机系 统中最关键的部件之一，它直接影响到整个系统的稳定性、数据采集以及后期 图像处理工作。 2 21 相机准直器的设计与实现 准直器是用铅锑合金或铅钨合金铸成的，安装在探头内晶体前方，用来精 郑卅l 大学钡 毕业论文，相机智能化探头及其运动控制系统的研究 确确定人体内注入的放射性核素发射的y 射线的空间位置。它只允许使通过准 直孔的y 射线入射到晶体上而挡住其它y 射线，起到了定位采集信息的作用。 准直器的性能在很大程度上决定了探头的性能，所以准直器起到限制散射光子 只允许特定方向入射的v 光子才能和晶体发生作用。 2 2 1t 相机准直器的分类及临床应用 一，y 相机准直器的分类 7 相机的准直器按照外形分为：l 、针孔准直器2 、平行孔准直器3 、扩散 孔准直器和扇型准直器。其中，平行孔准直器又可按照准直器孔径的大小分 为：1 、高灵敏度准直器2 、通用准直器3 、高分辨准直器。 按照准直器能够接受的最佳能量不同又将准直器又分为：1 、低能准直器 ( 7 5 1 7 0 k e y ) 2 、中能准直器( 1 7 0 3 0 0 k e v ) 3 、高能准直器( 2 7 0 3 6 0 k e y ) 和 超高能准直器( 5 1 1 k e y ) 。 二针孔、平行孔与扇型孔准直器在临床上的应用 v 相机在临床医学中根据对病人不同部位的检查要求，经常用到的几种准直 器有针孔形准直器、平行孔形准直器和扇型孔形准直器。这几种形状的准直器 在临床上的应用如表2 1 所示： 表2 1 准赢器在临床上的应用 l 类型特点 临床应用备注 阱孔形准 对小脏器具有放大作用，计数主要用于甲状腺显像准直器到脏器的距离影响脏 f 直器率高器图像的人小 平行孔准 准直器到脏器的距离影响图临床上最常用的准直 直器像质量，但不影响脏器大小 器，适用于各脏器 扇型孔准明显提高计数率，图像分辨率常用于脑显像 使用扇型准直器时，不能同 i 直器不受影响 时使用实时人体轮廓技术 2 2 27 相机准直器的性能指标及参数计算 良好的准直器性能是获得高质量图像的必要条件之一。其评价指标主要包 括：1 、系统空间分辨率2 、系统灵敏度3 、视野和能量范围。系统空间分辨率 9 郑州大学硕士毕业论文1 相机智能化探头及其运动挣制系统的研究 ( s y s t e ms p a l i a lr e s o l u t i o n ) 是指探头带有准直器时的分辨率。探头使用不同准 直器时，系统的空间分辨率就不同。系统的空间分辨率基本由准直器的分辨率 决定。系统分辨率的平方等于固有空间分辨率的平方与准直器自身分辨率平方 和的开方。即： r s瓜五i( 2 2 1 ) ( r s 为系统空间分辨率；r j 为固有空间分辨率；r c 为准直器分辨率) 。 系统灵敏度通常指单位活度放射源每单位时间探测到的计数，通常表示为每毫 居里每秒计数( c p s # c i ) 。 系统空间分辨率是描述y 相机准确地再现一个物体图像的能力，即清晰反映 物体内放射性核素分布的能力，可表示为成像系统所能分辨的两个点源图像的 最小距离。系统空间分辨率、系统灵敏度、视野( m m ) 和能量( k e v ) 对准直 器形状的影响表现为：系统空间分辨率( r s ) 决定准直器的孔长；系统灵敏度 ( c p s 弘c i ) 决定准直器的准直孔孔径；视野( r a m ) 和能量( k e v ) 范围决定准 直器的面积与铅间隔厚度。 ( 1 ) 准直器分辨率r c 的计算： 准直器分辨率r c 又称为几何分辨率。以平行孔准直器为例，准直器分辨率 由其探测半径r e 来描述： r 。：丛生丛_。- 2 ) 口 式中d 为准直器的孔径，b 为准直器表面至放射源距离，e 为准直器后表面至晶 体中心平面距离，t 。为准直孔有效长度。实际上： tp = t 2 t 。1 ( 2 - 2 3 ) 其中弘是准直器材料( 铅) 的线性衰减系数，t 是准直孔长度或厚度。这一校正 用于补偿光子在两处孔边角的穿透影响。从只。的计算公式可见，增加准直孔长 度t 或减少准直孔径d 可以改善准直器分辨率，因此长窄孔准直器具有好的空 1 0 郑州大学硕士毕业论文 ，相机智能化探头及j t 运动控制系统的研究 问分辨率。准直器表面至放射源距离b 是影响空间分辨率的另一个重要因素， 在准直器表面分辨率最好，随着b 增加分辨率下降。因此在i | 缶床检查中，病人 应该尽可能靠近准直器，以获得最好的分辨率。 灵敏度依赖于准直器的几何效率、探测器的探测效率、p h a ( 脉冲高度分 析器p u l s eh i g ha n a l y z e ) 的设置和死时问。增加射线的能量以及放射源与探 头的距离会降低探测效率，而增加晶体的厚度则可以提高探测效率。对于死时 问较大的系统，探测活度大的样本时将丢失计数，使计数效率下降。因此准直 器对提高成像系统灵敏度有重要意义。 ( 2 ) 准直器半高宽f w h m 的计算： 判断准直器分辨率的重要参数是半高宽f w h m 。如图2 2 所示 图2 2 半高宽f w h m 一个放射性核素点源通过准直器后计数分布为钟形曲线图。钟形曲线越窄 准直器的分辨率越高。我们也可以采用钟形曲线高度一半的宽度( f w h m ) 作为判 断准直器分辨率的参数6 1 。 参照图2 3 的f w h m 计算公式如下8 1 f w h m ：巫型毕也型 ( 2 - ：圳 l h 郑州夫学硕l 。毕业论文v 相机智能化探头发j 运动控制系统的研究 图2 3f w h m 计算 其中d 。为孔直径，l b 为孔长，z 是放射源到准直器的距离，c 为晶体1 2 厚 度。 ( 3 ) 平行孔准直器的参数计算： 在准直器对伽玛光子的准直与屏蔽作用中仍有5 的光子会穿过铅间隔，这 样的概率对系统来说是允许的，对平行孔准直器有： 图2 4 平行孔准直器参数计算 p ( 一w ) ：0 0 5 ( 2 2 - 5 ) 3 w2 i e 为辐射能量( 2 2 6 ) 准直器的铅间隔t 的计算( 图2 4 ) f 2d w w ： 一f 郑州大学硕 + 毕业论义，相机智能化探头及其运动控制系统的研究 t 6d f 2 2 7 ) t 为准直器的铅间隔，d 为准直器的孔直径，l 为准直孔长度，w 为伽玛光子穿 透铅间隔的厚度。 平行孔准直器固有分辨率g ： 2 d2 0 + t ) 2 其中l e 为孔径有效长度，k 与准直器孔的形状有关。 正六边形孔：k = o 2 6 圆形孔：k = o 2 4 方形孔：k = o 2 8 ( 4 ) 针孔形准直器的参数计算( 如图2 5 ) o 图2 5 针孔准直器 针孔准直器的固有分辨率： ( 2 2 8 ) 尽。：生旦二丝( 2 9 ) 针孔准直器有效针孔直径： 郑卅j 大学硕士毕业论文t 相机智能化探头及其运动控制系统的研究 d p=肝i i 丽 ( 2 2 一l o ) b 为孔到放射源的距离，吐为立体角，其中当b = 0 ，时r 。( v h m ) = d 。 针孔准真器的放大倍数为： 针孔准直器的固有分辨率： m ：三：三 ob 刚。c o s 3 ( 寺) ( 5 ) 发散型准直器的参数计算： 圈2 6 发散型准直器 发散型准直器的固有分辨率( 如图2 6 ) ： ( 2 2 1 1 ) ( 2 2 1 2 ) 2 2 寺 揣 ( 2 - 2 - 1 3 ) 发散型准直器的放大倍数 m= i= f z j + b 1 4 ( 2 2 一1 4 ) ( 2 - 2 1 5 ) 郑卅1 人学硕卜毕业论文，相机智能化探头及其运动控制系统的研究 o = f + b b 为孔到放射源的距离，t 为准直器厚度。 ( 6 ) 汇聚型准直器的参数计算： 汇聚型准直器的固有分辨率： 2 2 南 南 目为汇聚角，b 为准直孔到放射源的距离，t 为准直器厚度。 2 2 3y 相机准直器的制造工艺对图像的影响 目前，准直器的制造方法有三种：一种是铅箔片折叠压制法“1 ( 如图2 7 ) ， 用于生产融合型准直器。此法制作工艺简单主要用分辨率要求不高的脏器显 像，很难保证折叠威形的铅箔片对合一致，图像中容易产生融合型准直器产生的 星状伪影； 图2 7 融合型准直器 孕 k 郑州i 大学硕卜毕业论文 t 相机智能化探头及其运动拄制系统的研究 另一种是微铸造法，铸造t 艺较复杂，临床图像好，用于分辨率要求高的脏 器显像。微铸造型准直器保证了准直孔形状和孔间壁厚度的一致性，消除了孔的 偏心性、射线泄漏和星状伪影。最佳的核医学显像条件要求准直器的均匀性与 校正后闪烁相机的固有均匀性一样好。通过多家用户的对比研究后证明，多数铅 箔片折叠压制的准直器产生了伪影，而微铸造法生产的准直器几乎没有伪影产生 ( 如图2 8 ) 。 融合型准直器产生的 量状伪影 镍黄造型几 审榜露琏 图2 8 第三种是精制微铸造型谆直器，制作造工艺最复杂，和微铸造型相比计数率 提高了1 0 ，分准直器，制作造工艺最复杂，和微铸造型相比计数率提高了 1 0 ，分辨率不会降低，适用于各种脏器显像。不同加工工艺对准直器性能及i 临 床应用的影响如表2 2 所示： ( 表2 2 ) 不同工艺准直器对临床应用的影响 分类优点临床应用缺点 融合型准直制作工艺简单庄要用分辨率要求临床图像质量差 器休高的脏器显像 微铸造型准 铸造工艺较复杂。临床图像好用于要求分辨率高 直器的脏器显像 精制微铸造制作造_ t 艺最复杂，和微铸造型相比适用于各种脏器显制作工艺复杂 型准直器 计数率提高了1 0 。分辨率不降低 像 郑州1 人学硕，i 毕业论文 t 相机智能化探头及其运动控制系统的研究 2 2 4t 相机平行孔准直器的设计与实现 低能通用型准直器主要针对1 5 0 k e v 以下能量的y 射线。平行孔准直器是指 准直器中所丌的孔都是平行的，当人体与探测器的距离发生变化时所得的图像 大小并不会发生变化。同时，y 相机的灵敏度也不会因为探查物距离的远近而 发生明显的变化。可实现空间定位，使来自个不问空间部位的射线照射到闪烁 体的特定位置上。 准直器材料：铅锑合金( 合金性能防，y 射线辐射级) ，合金选取性能要求准 直器成型后克服纯铅材料硬度过低所导致的准直器变形，准直孔弯曲。 准直器外形设计：对直径5 1 n 1 i np m t ，3 7 只p m t 组成的p m t 阵列。准直 器平面成圆形，直径3 5 0 2 m m ，准直器及准直孔内外部光洁度3 0 。 准直器加工工艺要求：采用微铸造加工工艺，尽量避免折叠压制的方法。 避免星形伪影产生。 根据平行孔准直器的参数计算公式： 2 斋 ：舢 t “了( 2 2 7 ) z w “17 p ( 一w ) = o 0 5 ( 2 2 5 ) 准直孔形状为正六边形，则取k = o 2 6 ，放射源为5 7 g 能量为1 4 0 k e v ： 计算结果为： 准直孔对角线孔径：d = 1 9 o 1 1 1 1 1 1 1 准直孔长度：l = 3 5 1r l l r n 。 准直器的铅间隔：t = o 2 o 0 5n l r l l 。 设计图2 9 所示： 郑州人学钡士毕业论文，相机智能化探头及其运动控制系统的研究 低能通用型准直器l e g p 设计示意图 准赶器材料：铅锑台金 【准直器直径3 5 0 m r n 2 准直器厚度3 5 m m 3 5 0 r a m 图2 9 低能通用型准直器设计图 2 3 n a ( t 1 ) n 烁晶体的指标分析与技术实现 n a i ( t i ) n 烁晶体置于准直器的后方通过光导与p m t 光电倍增管阵列耦合在 一起。n a i 晶体在常温时与y 射线相互作用并不产生闪烁现象。但在n a i 中掺入 一定量的t i ( 0 1 一0 4 ) 作为启动剂后，y 射线与n m ( t i ) 晶体通过光电效 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n a l 分子提 高到激发状态产生大量光子。 2 3 1y 射线与n a i ( t i ) 晶体作用的物理机制 核素衰变发出的y 射线穿过人体后主要与n a i ( t i ) 晶体作用发生1 、光电效 应2 、康普顿散射效应3 、电子对效应。他们相互作用的物理机制如下： 郑州大学硕 j 毕业论文，相机智能化探头及其运动控制系统的研究 1 光电效应( 外光电效应) “1 在光线作用f ，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效 应。 y = 专m v ；+ 爿o( 2 _ 3 _ 1 ) 矗是普朗克常数，6 6 2 6 1 0 “1 s 口是光的频率；m 是电子静止质量，v 0 是电子溢出时的初速度。 2 康普顿( c o m p t o n ) 散射效应9 1 康普顿散射后的光子能量要比散射前的小，如果入射光子的能量特别低， 或者说低于所设定的能量下限，那么就认为入射光子不是从辐射电直接进入探 测器的a 这种光子很有可能在传播的过程中发生了康普顿( c o m p t o n ) 散射。因 此，系统可以拒绝将这部分光子送显示装置显示。 康普顿( c o m p t o n ) 散射基于y 光子与物质中自由电子或最外层电子的碰 撞。碰撞后的电子能量由动量和能量守恒定理可表示为： ( 2 3 2 ) 其中，e e ，e r 分别为反冲电子和入射光子的能量，日为散射角，m 0 为自由电子的 静止质量。 3 电子对效应 当一个能量大于1 0 2 m e v 的y 光予在原子核附近经过时，与库仑场作用或 电子作用，衰变成一个正电子和一个负电子，称为电子对效应，其过程可表示 为： 毛 蕊 e 匠 郑卅人学碗i 毕业论文，相机智能化探头及其运动控制系统的研究 y + a 寸a + e+ e ( 2 3 3 ) 其中a 表示原子核，光子大部分能量都转移给了正负电子偶，而正电子又与物 质中的负电子反应产生几乎反方向发射的两个y 光子，这就是电子对湮灭。 2 3 2 n a i ( t i ) 晶体的性能分析 n a i ( t i ) 晶体是一种性能优良的闪烁晶体。它是以n a l 为基质材料掺以适当 浓度的t i 生长而成，其最大发射波长在4 1 5 n m ，可与光电倍增管的光阴极很好 地匹配，有很高的发光效率，并且在发光波段没有明显的自吸收，对x 射线和 y 射线均有良好的分辨能力，有着悠久而广泛的应用。我们选用的圣戈班 n a i ( t i ) 晶体主要性能如下： 主要性能： 密度：3 6 7g c m 3 熔点：6 5 1o c 莫氏硬度：2 1 热膨胀系数：4 7 4 x1 0 。6 k 1 解理面：( 1 0 0 ) 最大发射波长处折射率：1 8 5 最大发射波长：4 1 5a m 衰减常数：2 5 0 n s 光产额：3 8x1 0 3 p h o t o n s m e vy 当y 射线与n a i ( t i ) 晶体相互作用后能够发出荧光。发出光的强度和射线能 量正相关。增加晶体厚度可增加y 射线被吸收的概率，以提高探测灵敏度。然而 也同时增加了多次康普顿散射的概率，降低了成像分辨率。基于这一原因，7 相 机应采用较薄的n a i ( t i ) 晶体。但由此也会导致高能y 射线穿透晶体，而不与晶 体发生相互作用，降低了成像灵敏度。根据现在对n a i ( t i ) 的实验及应用结果， 我们选择其厚度为3 8 英寸。 2 0 郑州大学硕”卜毕业论文t 相机智能化探头及j 运动控制系统的研究 2 3 3n a i ( t i ) 晶体的封装对y 相机性能的影响瞄1 由于n a i ( t i ) 晶体本身所具有的特殊性质，所以在对其进行加工与封装时， 封装工作必须按照伽玛相机的工作需要以及晶体的具体特性来设计。n a i ( t i ) 晶 体的封装对y 相机性能的影响可分为以下儿点： ( 1 ) n a i ( t i ) 晶体具有很强的吸湿性，容易吸收的水分而引起晶体潮解变黄，导致 进入p m t 光电倍增管的光子数减少，影响成像质量。所以我们在n a i ( t i ) 晶体的 入射面与圆柱侧面涂干燥剂并选用轻质铝材料对n a ( t i ) 晶体实旌密封。以实现 晶体与空气的隔离，同时可防止n a i ( t i ) 晶体发生形变。 ( 2 ) 在晶体的入射面和圆柱侧面涂反射物质氧化镁( m g o ) ，将光电效应产生 的光子最大概率地反射到p m t 的光阴极，减小光子损失提高成像质量。 ( 3 ) n a i ( t 1 ) 晶体通过光学硅油与光导相耦合时，必须保证无气泡产生，保证对 晶体的发射光无吸收或吸收最小，避免光在界面间的反射。 ( 4 ) n a i ( t i ) 晶体容易破碎崩边，搬动和使用中必须小心。 ( 5 ) n a i ( t i ) 晶体所处的空间温度必须恒定( 每小时变化在2 3o c 之内) ，温度 的急剧变化会导致晶体破裂。因此在y 相机工作时增加温度测量电路来监控探测 器腔体内的温度变化，保证y 相机的正常工作。 2 4t 光子在晶体、光导及p m t 窗玻璃中的传输问题分析 2 4 。ln a l f r d 晶体、光导及p m t 窗玻璃的耦合及折射率对光子传输的影响 y 射线与n a i ( t i ) 晶体相互作用后能够发出微弱的可见光。光经过光导透射 入p m t 光电倍增管的窗玻璃，然后与光电倍增管的光阴极产生光电效应将光信 号转换为电信号通过输出电路发送给后续处理电路及计算机进行成像。 根据光在不同介质中传输对折射角的影响，n a i ( t 0 晶体、光导及p m t 窗玻 璃三种不同折射率材质的界面将对入射光产生反射或全反射作用直接影响系统 郑卅l 大学硕l 毕业论文 7 相机智能化探头及其运动控制系统的研究 对y 事件的采集。因此必须使n a i ( t i ) 晶体、光导及p m t 窗玻璃的折射率按一定 指标进行选材与耦合以降低全反射事件发生地概率”1 。 2 4 2 光在介质中传输的物理机制与s n e l l 定理1 1 1 如图2 1 0 所示，当光线以某一较小的入射角0 ，由折射率n 。的光密质射向 折射率较小的光疏质”：时，则一部分入射光以折射角0 ：这射入光疏质，其余部 分以b 角度反射回光密物质，其入射和反射之间的关系为： ! 塑! ：旦l j 加口2”2 图2 1 0 ( 2 4 1 ) 当光线的入射角0 ，增大到某一角度时，透射入光疏质的折射光则折向界面 传播( 0 ：= 9 0o ) ，此时的入射角0 。为临界角。 s i n o c = n _ k n 2 ( 2 4 2 ) 当入射角0 。 日。时光线不会透过其界面，而全部反射到光密物质内部，即发生全 反射。因此必须保证入射角0 。 o 则输出高电 平，v 正相端电压v 反相端电压 o 则输出高电平。 z 能量信号从比较器的反相 端输入，若z 信号大于下阈值电压则a d 9 6 6 8 7 在这_ 通道上的输出为低电平， 我们使这一低电平从该通道的非门端口输出因而可以得到高电平的输出结果。 在另外一路通道上此z 信号再与上闽值电压比较，若小于上闽值电压则 a d 9 6 6 8 7 在浚通道上以高电平输出，反之则以低电平输出。只有满足z u 上 郑州大学硕士毕业论文 t 相机智能化探头及其运动控制系统的研究 闽值，u 下阈值) 的信号经过下一级与门之后才能以高电平输出去控制是否将该 z 信号作为有用信号采纳或剔除m 1 。 电路如下图3 1 1 所示： 图3 1 1 - 相机能窗闽值比较电路 出 3 5 2y 相机温度与高压检测电路的设计 伽玛照相机探测器内部温度直接影响伽玛相机的工作稳定性。另外n a i ( t z ) 晶体在温度剧变的情况下易碎裂的性质也要求伽玛相机必须具备温度实时检测 的功能，n a i ( t i ) 晶体要求每小时温度变化不能超过1 摄氏度。在本项设计中我 们选用基于i z c 总线接口l m 7 6 温度传感器，l m 7 6 在2 5 摄氏度时测量精度为 土0 5o c 。其温度数据对应关系为： 电路如3 1 2 所示 p 1 2s c l o - - 1p m t 高压臂 p 1 3s d a 口r l 8 7 l p c 7 6 7 l m 7 6 6 r z p o l 3 缓d 0 掣盟廿竺 哩赆避z v d 胡+ 5 v g n d 。_ j。 g n d l 图3 1 2 4 2 郑州i 大学硕十毕业论文，相机智能化探头及其运动控制系统的研究 我们通过l m 7 6 温度传感器对探测器腔体温度进行实时测温，通过 8 7 l p c 7 6 7 单片机内部程序实现测量温度与预设温度比较，所得结果通过r s 2 3 2 串口送主计算机。在主计算机界面将显示实测温度，以及当前温度的安全级 别。当探头工作温度超过设定工作温度的最高允许范围时，系统将停止工作以 保护设备。 伽玛照相机内部高压直接决定光电倍增管的工作稳定性。我们通过分压电 路实时监测光电倍增管的高压供电情况，供电高压经三级分压电阻r i r 3 进行 分压后进入8 7 l p c 7 6 7 单片机的a d 转换口并传送至主计算机以判断供电高压是 否发生飘移，使操作人员可及时调整高压电源确保光电倍增管工作于正常的高 压范围1 3 0 1 。 郑州大学碗i 泮业论义 ，相机智能化探头及其运动控制系统的研究 第四章1 ，相机的运动结构及运动控制系统的设计与实现 v 相机在对病人的检查过程中，需要做垂直升降，轴向旋转与水平位移移 动。特别是在做全身骨扫描过程中，3 5 0 m m 直径的y 相机需对病人全身进行多部 位扫描，在这个过程中v 相机需要做一定精度的水平运动，使每个线程的衔接误 差最小，以有利于后期的图像处理及图像拼接工作。 4 1y 相机运动部分的结构优化与设计 从节省空间，减小整机体积，保证传动平稳、安全、有效特采用如图4 1 机 械结构。用电机带动丝杆，利用螺纹与螺线的咬合带动探测器作水平与垂直方 向运动。为保证运动系统的安全性在整个线程上加若干个行程开关与极限开 关，保证在电机失速或意外情况下利用开关反馈信号自动切断运动部分的供电 系统。保证病人与系统的安全。 空制电机 t 控制电机 h j i 、f 、 | 7 、，r 、，、一，h 水平位移传动结构 图4 1 伽玛相机传动原理图 厂一传动丝杆 由于紧固梁对伽玛相机探头重量的支撑作用，减轻了驱动电机的负荷。所 以驱动伽玛相机探头转动的电机功率远低于垂直升降电机的功率如图4 2 所示。 因此通过电机连轴器与探头轴承直连的方式控制探头转动。伽玛相机探头及其 运动结构组装示意图 i o ；t jj垂直方向传动结构 郑卅1 人学硕j 二毕业论文 t 相机智能化探头及其运动控制系统的研究 厂紧固 体 直连结 电机 f嬲， ，” 。 ， 8 一一- 一一一j + i z 、十7 i 一p m t 悬臀梁 伽玛相机探头组装结构示意图 图4 2 伽玛相机探头组装结构示意图 探 头 在伽玛相机的垂直升降结构中，控制电机固定安装在支架底部。也是通过 带动丝杆转动，通过螺纹结构带动探头在垂直线程内作上下运动。运动及机械 结构如图4 3 所示： 毋_ 。攀 # 。 伽玛相机的垂直升降结构 图4 3 伽玛相机升降结构示意图 r f|l ，_。 一弧；竹曩z，?一 鼍，_=囊誊j i孝髻鼍 。誉溪零， 构= # 甍一擎 郑州人学硕l 毕业论史，相机智能化探头及l 运动控制系统的研究 4 2y 相机运动控制部分整体设计方案 4 2 1v 相机系统空间分辨率与运动精度的关系 本y 相机采取静态扫描方式。描述y 相机系统性能的一个重要指标是系统空 间分辨率。系统空间分辨率是探头( 包括探测器和后续的电子线路) 分辨率的 指标，描述成像器件定位放射性事件的性能。 参照北京质子公司企业标准对s p e c t 系统