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Spect工作原理及试验方法向人体内注射含有放射性核素，这些示踪剂都具有一定的生理生化特性，随着人体内的新陈代谢，根据注射的核素的生理生化特性，会被一些器官吸收，在图像中会呈现亮块，如果异常吸收会导致异常的偏亮或偏安，表明可能处于有病的状态，通过这种方法来了解人体器官的功能和生理生化方面的变化。常用的放射性核素如131I，99mTc ，113mIn，57Co。201 Tl等核素。这些放射性核素在人体内发生衰变，放射出射线，射线从人体内向四周扩散。我们用Spect的相机来探测射线，射线从人体内透射出来：1 首先经过准直器：准直器的作用是，由于放射性核素是任意地向各个方向呈立体空间发射射线，因而要准确地探测光子的空间位置分布，就必须使用准直器。它安装在探头的最外层，其作用是让一定视野范围内的一定角度方向上的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则被准直器所屏蔽，也就是起到空间定位选择器的作用。准直器最基本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)是指准直器探头鉴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)表示。它是SPECT影像装置的关键部件。准直器的性能是直接影响系统性能的主要因素。平行孔准直器最常用的一类准直器。它是由一组垂直于晶体表面的铅孔组成。每个孔仅接收来自它正前方的射线，而防止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变化不大，因光子的空间浓度虽随距离的平方成反比而减少，但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。根据准直器适用的光子的能量范围，可将平行孔准直器分为低能（150keV）、中能（150350keV）和高能（350keV）3种。根据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。 相机准直器的灵敏度测试方法：点源99mTc 放置在源盒里，紧挨着准直器的前端面，A=40Bq,模型位于UFOV中央，记录300秒的计数N，记录中点时刻T1，再测本底计数Nb。A1=A0*p(Bq),Ss=（N-NB）/A1*(2T1). 相机的系统空间分辨率：双线源模型，99mTc（或者131I对高能窗），A=200Bq，把模型放到准直器前端面上，线源垂直于探测器面的X轴，放在轴中心附近的适当位置，在垂直于X轴方向上，应有尺寸不大于0.1FWHMcs的象素获取数据，以确保在FWHMCS范围内的数据点不少于10个，在平行于X轴方向上应从宽度不大于30mm的剖面中获取。使峰值象素对应的计数道的计数不小于10k，打印出X方向上的图像矩阵数据值，以象素号为横坐标，以计数为纵坐标，画出横坐标上每个象素间隔对应的计数道的计数，通过数据点对每个源管画出一条平滑曲线，得一组峰，每个计数剖面是两个峰，沿源管方向彼此相邻排列，计算所有的峰的半高宽平均值和所有的峰间距的平均值，FWHM=(W*D)/S(mm),FWTM=(V*D)/S(mm)，W为CFOV上所有峰的半高宽平均值，V为CFOV上所有峰的十分之一峰高的平均值，D为模型源两根源管的间距。2 过准直器的射线，入射NAI(Tl)晶体，与之发生相互作用， 射线与Nal(Tl)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。荧光光子的数目、能量、输出的光脉冲幅度与入射射线能量成正比，入射射线的能量越小，所产生的光子能量越小，输出光脉冲幅度也越小，反之亦然。利用光导、光反射物质和光耦合剂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。晶体厚度不仅影响SPECT机的灵敏度和空间分辨率，同时也限定了它所接受射线的能量范围。目前常用的晶体厚度为6.412.5cm。一般薄晶体接受的能量偏低，而厚晶体接受的能量则偏高。薄晶体在SPECT机中使用越来越普遍。它可以提高SPECT机的固有分辨率。最理想的状况是射线进入晶体只经过一次相互作用就以闪烁光形式发射出来，这样产生的闪烁点定位准确，分辨率好。但实际情况并非如此，射线进入晶体后经过多次相互作用才被光电倍增管所探测，这种闪烁点定位不精确，空间分辨率模糊。3 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(一般为硅脂)与NaI(Tl)晶体藕合，把晶体受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。4 经过光导的传送，荧光光子进入光电倍增管，光电倍增管（PMT）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106109。光电倍增管主要由光阴极、多级倍增极、电子收集极(阳极)组成，整个系统密封在抽成真空状态的玻璃壳内。工作原理如下图，射线在晶体中引起的闪烁光打在光阴极上，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RL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。5 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。6 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。7 光电倍增管输出的电脉冲信号经过预放和放大之后输入到模拟定位计算电路，此电路的作用是将光电倍增管输出的电脉冲信号转换为确定晶体闪烁点位置的X、Y信号和确定入射射线的能量信号。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。X，Y位置电路连接每只PMT放大输出，下图用有7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。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-)/ZY=k(Y+-Y-)/Z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。 8 Z脉冲在总和电路形成后进入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。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。9 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。10 相机输出的模拟信号在进入计算机之前，必须进行数字化处理。电子计算机采用二进制操作，既用2的幂表达一个数字，我们常用的十进制则是用10的幂表达一个数字。X、Y模拟脉冲信号通过 相机-计算机接口中一个器件转换为二进制数位（bit），这个器件称为模数转换器（ADC）。常用的ADC为8位和16位，即将一个模拟信号转换为8位或16位二进制数。ADC位数影响图像空间分辨率，一幅相同尺寸的图像，转换位数越多，图像就越精细。例如8位ADC转换，可将探头视野划分为256256个图像单元（像素），10位ADC转换，则可将探头视野划分为10241024个像素，一台相机的ADC位数取决于硬件设计。性能试验及校验1 （完成）空间分辨率测试：点源99mTc，模型为一多缝铅板d=1mm D=30mm，厚3mm将铅罩置于探头表面，其中一条狭缝位于探头中心位置，并且狭缝方向与测量的轴方向垂直。对采集矩阵进行数据处理，得出一系列线扩展函数，保证每个线扩展函数的峰值计数不小于1000.求出线扩展函数的FWHM的平均值作为空间分辨率的表示，单位mm。对于图像矩阵进行数字化处理，使矩阵在垂直于狭缝方向进行插值处理并量化，而在平行于狭缝方向采样出来。数字化后，使图像矩阵在垂直于狭缝方向的两象素距离小于0.1FWHM，平行于狭缝方向的两像素之间的距离小于等于30mm。在对图像插值时使用sinc函数，因为插值放大本身就是滤波，若线扩展函数仍有尖噪，使用滤波，以消除图像的噪声。经过数字化处理后的图像矩阵先沿测量轴方向对矩阵取值得到一个一维数组，再按狭缝方向进一个象素，在取一个一维数组，一次取遍所有的点。取其中一个以为数组，以其沿测量轴方向的象素为横坐标，以其象素的计数为纵坐标，可得一系列线扩展函数，对每一个线