核医学仪器与方法2.ppt

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50cm60cm。,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（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-)/zy=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pha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,1.8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164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理。计算机完成采集控制，数据存储，图像处理和显示的全部过程。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。,一、基本结构,基本结构,1.9数字计算机计算机存储器的基本单位是bit（二进制位）。存储器采用正方形矩阵，核医学中常用有6464、128128和256256，它们分别有4094（4k，这是一种二进制表示方法，由于1024=210，就把十进制的1024叫做二进制的1k）、16,384（16k）和65,536（64k）个图像单元，通常称为像素（pixel）。操作人员可以根据硬件所提供的类型选择矩阵尺寸，例如8位adc矩阵尺寸为28=256，而10位adc矩阵尺寸为210=1024。每个pixel对应于探头视野中的一个确定的x、y位置。每一个pixel存储多少个计数或事件，则取决于pixel的深度，是字节型（byte）还是字型（word）。byte为8位长度，可以存储28-1=255个计数，既从0255共256个计数状态。word为16位长度，可以存储216-1=65,535个计数，既从065,535共65,536个计数状态。,一、基本结构,基本结构,1.9数字计算机结合图1-7，可以进一步说明矩阵和像素深度的概念：从位置电路输出的x、y脉冲分别经过x方向和y方向的adc转换为图像存储矩阵的x、y坐标，而从pha电路输出的z脉冲则在深度方向对x、y坐标所确定的pixel单元进行加1，这个pixel单元能记录多少计数则取决与是byte还是word。,一、基本结构,基本结构,一、基本结构,基本结构,1.9数字计算机有两种数据采集模式：幀模式（framemode）和列表模式（listmode）。幀模式将x，y数字化脉冲（即经adc转换后的数字信号）存储在计算机矩阵存储器的相应x，y位置，形成一幅图像。在这种模型中，必须选定矩阵尺寸、每幀采集总计数或时间，在多幀或动态采集时，还要选定幀数。列表模式与幀模式不同，它并不即时将x，y数字化脉冲转换到矩阵存储器的相应x，y位置，而是以时间为序列将它们存储起来，在采集完成后再将其转换为图像。由于列表模式在采集中无需进行位置转换，所以适用于计数率特别高的检查，如心脏首次通过。但列表模式要求计算机有较大的存储空间，图像处理时间较长，且在采集后不能立即看到图像。临床常用幀模式。,一、基本结构,基本结构,1.10全数字化相机以上介绍的是模拟化相机的工作模式，尽管它们也采用了数字计算机，但其脉冲高度分析，x、y位置形成等处理都是在模拟状态下完成的。在全数字化相机中，pmt输出脉冲经过适当放大后就进行adc转换，其后的处理都是在数字化状态下由计算机完成。全数字化相机采用软件处理取代模拟化相机的许多硬件工作，大大简化了相机硬件结构，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相机探头的分辩率、计数特性和稳定性能，从而获得高质量的核医学图像。,二、相机性能指标,相机成像质量受到探头若干参数影响，它们包括探测效率、能量分辨率、空间分辨率、灵敏度、均匀性、计数特性，以及本节将讨论的其它参数。本节还介绍相机质量控制原理与方法。,相机性能指标,二、相机性能指标,2.1探测效率用相机观察到的放射源样本计数除以放射源样本衰变数目来表示。有几个原因造成样本计数与衰变不同。首先，放射源的射线以4方向发射，但发射的所有光子中只有一部分进入探测器，进入量多少取决于探测器对放射源形成的立体角度。其次，所有进入探测器的光子中只有部分能够与探测器产生作用和形成脉冲，而所有脉冲中又只有部分产生光电峰。进一步说，计数率还受到放射性核素某一特定射线丰度的影响。考虑上述因素，对于一个放射源，仪器的总体计数效率可用下式表示：效率=fifpfgni其中，fi表示固有效率，fp表示光电峰效率，fg表示几何效率，ni表示射线丰度。ni可在核素表中查到。,相机性能指标,二、相机性能指标,2.1探测效率固有效率fi进入探测器的射线数目与进入探测器并产生脉冲的射线数目之比值称为探测器的固有效率fi：fi=被探测器探测到的射线数目/进入探测器的射线数目=整个能谱的所有计数/进入探测器的射线数目fi与射线的类型、能量，以及线性衰减系数、探测器厚度有关。对于nal(tl)晶体，低能射线和厚晶体fi接近1，高能射线和薄晶体fi趋于0。,相机性能指标,二、相机性能指标,2.1探测效率光电峰效率fp能谱的总计数与光电峰下的总计数之比值称为光电峰效率fp：fp=光电峰下的总计数/能谱的总计数fp受到与光电效应有关的各种因素的影像，例如探测器的成份和尺寸，射线的能量，但主要是pha设置的影响，增加窗宽，fp增加。,相机性能指标,二、相机性能指标,2.1探测效率几何效率fg放射源的射线以相同的强度向所有方向均匀发射，如果探测器与放射源有一定距离，只有部分射线能够被探测器所探测到，它取决于探测器对于放射源的立体张角。fg等于放射源发射的射线总数与进入探测器的射线数目之比值：fg=进入探测器的射线数目/放射源发射的射线总数一个半径为r的圆形探测器，其探测区域=r2，对于总的探测区域4r2来说，fg=r2/4r2r是点源s与探测器d之间的距离。根据平方反比的法则，当r增加时，fg下降，即fg1/r2（图1-8），在2r处的fg是r处的1/4。由fg的表达式还可见fg随着探测器的尺寸增加而加大。放射源的尺寸对fg也有影响。当放射源与探测器非常靠近时，fg可达到50%。在井形计数器和液闪计数器中，fg达到100%。,相机性能指标,二、相机性能指标,2.1探测效率死时间一个计数系统在一段时间内只能处理一个放射事件，从射线进入探测器作用到后续电路形成脉冲并最终记录它需要一定时间。在这一时间内，系统无法处理下一个放射事件，这一时间就称为死时间。这就是说，系统在处理第一个放射事件的时间内，不能响应第二个放射事件。如果第二个放射事件是在死时间内到达系统，这个事件就被丢失。在死时间内可以发生脉冲堆积现象，两个连续事件组合形成一个幅度较高的脉冲，由于幅度超过pha设置而被拒绝。死时间内的放射性丢失称为死时间丢失。,相机性能指标,二、相机性能指标,2.1探测效率死时间系统的死时间来源于整个系统的不同部件：探测器、pmt、pha、位置电路和计算机接口等等。盖革管的死时间最长，为100500ms（毫秒）；nai(tl)和半导体探测器为0.55ms；液闪计数器只有0.11ms。依据在死时间内如何处理后续脉冲，将系统分为两种类型：瘫痪型和非瘫痪型。在瘫痪类型，对每个事件都具有死时间，而与上一个事件的死时间无关，结果是增加系统总的死时间。因此，若放射源计数率非常高时，这种类型的系统可能完全瘫痪。而非瘫痪型系统只是在死时间内不响应后续事件和使这些事件丢失，它并不改变或增加死时间长度。当系统从一个事件的探测后恢复，即可探测和处理下一个事件。图1-9表示两种类型系统的死时间丢失情况。充有淬灭气体的盖革计数器属于非瘫痪类型，包括相机和井形计数器在内的大部分计数器属于瘫痪型。实际上，相机含有非瘫痪和瘫痪两类部件。死时间计数丢失对于高计数率探测是一个严重的问题，因此必须将输入计数率降低或对观察到的计数率进行校正。,相机性能指标,二、相机性能指标,2.2能量分辨率由于在nai(tl)晶体产生的光子和pmt产生的光电子和电子的统计变化，即使能量相同的射线在nai(tl)晶体中被吸收，从pmt输出得到的脉冲幅度也是不同的。这种情况导致被探测的射线光电峰变宽。光电峰的宽度或陡度反映了相机区分不同能量核素的能力。成像系统的能量分辨率通过光电峰的半高宽fwhm计算：（fwhm的计算参考“空间分辨率评价”一节）,相机性能指标,二、相机性能指标,2.2能量分辨率,相机性能指标,二、相机性能指标,2.2能量分辨率能量分辨率(%)=fwhm/e100其中e是光子的能量。图1-10的137cs光电峰为662kev，fwhm=55kev，则：能量分辨率（%）=55/622100=8.3%能量分辨率与光子能量和探测器尺寸有关。光子能量越高，能量分辨率越好，这是因为高能光子脉冲的统计变化比较小。nai(tl)晶体探测器对于137cs662kev的射线能量分辨率为7-10%，对于99mtc144kev的射线能量分辨率为10-14%。ge(li)探测器对于144kev射线能量分辨率约为0.42%，对大于1mev的射线能量分辨率约为0.2%。,相机性能指标,二、相机性能指标,2.3空间分辨率空间分辨率描述相机准确地重现一个物体图像的能力，即清晰地反映物体内放射性核素分布的能力，定义为成像系统可分辨两个点源图像的最小距离。相机的总体空间分辨率（ro）由三部分组成：探头的固有分辨率（ri），准直器分辨率（rg）和散射分辨率（rs），并有：ro=sqrt(ri2+rg2+rs2)ro的值越小，表示分辨率越好。,相机性能指标,二、相机性能指标,2.3空间分辨率固有分辨率ri固有分辨率是探头（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。固有分辨率主要来源于脉冲形成过程中统计涨落影响，统计涨落包括g射线与晶体作用后光子产生的变化，以及光电倍增管（pmt）光阴极和倍增极发射电子数目的变化。许多相机通过增加pmt数量改善脉冲的x，y定位，从而改善固有分辨率。使用高灵敏度光电倍增管和改善光电倍增管与晶体间的光偶合，也有助于提高固有分辨率性能。由于低能射线导致较大的光子产生统计涨落，高能射线可以改善固有分辨率。一个光子在晶体中的多次康普顿散射导致光子部分能量丢失，发生x，y定位错误，使固有分辨率变坏。在厚晶体中发生多次散射的机会增加,这种影响更为显著，所以相机一般只使用较薄（0.63-1.25cm）的晶体。使用窄的能窗屏蔽散射线，也可改善固有分辨率。,相机性能指标,二、相机性能指标,2.3空间分辨率准直器分辨率rg准直器分辨率又称为几何分辨率，是总体空间分辨率的主要组成部分。准直器分辨率取决于准直器的设计。有四种类型准直器：平行孔、针孔、汇聚型和发散型，临床最常用平行孔准直器。图1-11为一典型的平行孔准直器，准直器的空间分辨率由其探测半径rg计算：rg=d(te+b+c)/te式中d为准直器的孔径，b为准直器表面至放射源距离，c为准直器后表面至晶体中心平面距离，te为准直孔有效长度。实际上te=t-2m-1,其中m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。,相机性能指标,二、相机性能指标,2.3空间分辨率准直器分辨率rg,相机性能指标,二、相机性能指标,2.3空间分辨率准直器分辨率rg从rg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，长窄孔准直器具有好的空间分辨率。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。因此在临床检查中，病人应该尽可能靠近准直器，以获得最好的分辨率。,相机性能指标,二、相机性能指标,2.3空间分辨率准直器分辨率rg准直孔之间的铅称为铅间隔，射线对铅间隔的穿透对准直器分辨率有重要影响，且与射线能量有关。来自探头视野外部的高能光子可能穿过铅间隔进入探头导致图像模糊。目前生产的准直器适用于50-300kev的g射线，最合适的光子能量是150kev。能量低于50kev的光子会被身体组织吸收，能量高于300kev的光子会穿透铅间隔。可以按特定的光子能量，制作具有合适铅间隔厚度的准直器。对于平行孔准直器，用于150kev以下射线的低能准直器铅间隔约为零点几毫米，而用于高至450kev射线的中能准直器铅间隔约为几毫米。所以对于同样直径的准直器，低能准直器准直孔数目要比高能准直器的多。通常高能准直器的效率和分辨率都比低能准直器差。,相机性能指标,二、相机性能指标,2.3空间分辨率准直器分辨率rg准直器除了按能量进行分类外，还可按灵敏度和分辨率分类。通常这类准直器有相同的直径和孔数，但厚度不同，孔径长的称为高分辨率准直器，短的称为高灵敏度准直器。高灵敏度准直器的空间分辨率随着源与准直器距离的增加迅速下降。通用性准直器在设计上兼顾了灵敏度和分辩率。针孔、汇聚型和发散型准直器的分辨率公式与平行孔相似，但略为复杂。在这类准直器焦点位置可获得最高分辨率。图1-12给出不同准直器的系统空间分辨率与源-准直器间距离的关系。fanbeam准直器基本上是汇聚型准直器，主要用于脑成像。与平行孔准直器比较，fanbeam准直器具有良好的空间分辨率，但灵敏度较差。,相机性能指标,二、相机性能指标,2.3空间分辨率散射分辨率rs射线在人体中产生散射。部分在探测视野以外的射线在人体内产生散射后，仅丢失少量能量并进入探测视野。这些散射线进入探头后产生的脉冲往往可以通过脉冲高度分析器（pha）而被记录，导致总体空间分辨率的下降。散射分辨率rs与放射源的种类和pha的设置有关，散射分辨率的影响对于各种准直器是相同的。,相机性能指标,二、相机性能指标,2.3空间分辨率模糊（blur）模糊来源于在一个放射性分布（即人体）中每一个点源图像的扩展，成像器件的性能导致模糊。不难理解模糊是空间分辨率的反比函数，即增加模糊，空间分辨率下降，反亦然之。模糊影响图像对比度，其程度与成像器件的类型和放射源的强度有关。,相机性能指标,二、相机性能指标,2.4空间分辨率的评价靶模用肉眼观察靶模图像，可以定性评价成像器件的空间分辨率。靶模由四部分平行铅条组成，构成四个象限，每一象限的铅条相互垂直，封装在树脂容器内，如图1-13所示。每一象限内的铅条宽度和间隔相同，但各象限不同。铅条厚度必须足以阻挡所测试的射线能量。靶模置于相机探头表面，靶模上方放置一个尺寸稍大一些的57co平面泛源，泛源的活度通常为5-10mci，采集靶摸图像。57co具有122和136kev射线，接近99mtc能量（140kev），57co半衰期（270天）较长，使用方便。评价不同能量光子的空间分辨率须使用相应能量的放射性泛源。用肉眼观察按上述方法获得的靶模图像（图1-14），以图像上所能够分辨的铅条最小间隔作为空间分辨率的评价。显然，这种方法无法定量测试空间分辨率。,相机性能指标,二、相机性能指标,2.4空间分辨率的评价线扩展函数lsf线扩展函数改善评价成像系统空间分辨率的方法。取一条内径为1mm直胶管，长度略大于探头视野，管内注入均匀放射性溶液，制成线源。将线源置于探头表面，采集线源图像。在线源图像上作出剖面曲线，得到线扩展函数。计算线扩展函数的半高宽值（fwhm），得到成像器件的空间分辨率。为了考察整个探头视野范围内的分辨率，要分别采集线源在视野内不同位置和不同方向（通常取x方向和y方向）的图像，计算各自的空间分辨率。,相机性能指标,二、相机性能指标,2.4空间分辨率的评价fwhm的计算用图1-15说明fwhm的计算方法。在lsf上确定峰值max，取1/2max作一水平线与lsf相交于点a和点b。一般来说a、b两点不会正好在lsf的像素位置上，可以采用线性插值法计算出a、b点的像素位置（即x坐标值）。在点a两端找到两个lsf的像素点c和d，它们的值最接近1/2max，由于三角形cao和cdk相似，可以算出点a与点o的x轴距离：aox=（cy-1/2max）/（cy-dy）式中cy、dy分别表示点c、d的幅度（即y坐标值）。同理可以算出bnx。所以：fwhm=b-a=aox+（e-c）+bnx,相机性能指标,二、相机性能指标,2.4空间分辨率的评价调制传递函数mtf测试成像器件空间分辨率最完善的方法是采用调制传递函数mtf。用图1-16说明mtf的概念：假设一放射源活度有一起伏分布，活度最大处amax为曲线的峰值，活度最小处amin为谷值，这样的分布给出一个空间频率()，单位为周/cm或周/mm。这一放射源的对比度或调制（ms）由下式给出：ms=(amax-amin)/(amax+amin),相机性能指标,二、相机性能指标,2.4空间分辨率的评价调制传递函数mtf如果成像器件的性能是完美的，它的图像应该具有与放射源相同的分布，有同样的amax和amin值。由于成像器件不可能完美，在图像的活度分布上得到的峰值是cmax，谷值是cmin，它们的幅度比amax和amin小。图像的调制（mi）由下式给出：mi=(cmax-cmin)/(cmax+cmin),相机性能指标,二、相机性能指标,2.4空间分辨率的评价调制传递函数mtf计算mi与ms的比值得到空间频率的mtf：mtf（）=mi/ms若mi=ms，mtf=1，这是一个理想的情况，要求放射源分布的起伏周期能够被区分，以及成像器件能够真实地记录每一周期的图像。mtf=1的成像系统能够获得最佳的空间分辨率。随着活度分布的空间频率增加，峰值和谷值就逐渐靠紧，当峰谷靠得太紧密时，成像器件就不能分辨它们，mtf趋于0，产生最差的系统空间分辨率。0-1之间的mft值给出适中的空间分辨率。,相机性能指标,二、相机性能指标,2.4空间分辨率的评价调制传递函数mtf实际上mtf是lsf的规一化富立叶变换。放射性活度分布可以假定为由一系列间隔无限小的线源组成，计算每一线源lsf的mtf，总和后得到总的mtf。它们之间的函数公式较为复杂，有兴趣的读者可参考有关物理书籍。mtf与空间频率的关系曲线用于确定成像器件的空间分辨率，图1-17绘出三个成像系统的关系曲线。图中可见，在低频范围（即大的起伏周期间隔），三个系统的的mtf接近一致，对于这一放射源，它们可以产生同样良好的图像。在高频端（即起伏周期间隔紧密时），系统a给出最好的分辨率，其次是系统b，系统c最差。,相机性能指标,二、相机性能指标,2.4空间分辨率的评价调制传递函数mtf值得提出的是，lsf的fwhm没有计入散射和射线对铅间隔的穿透的影响，而mtf提供一个对系统空间分辨率的完整描述，将上述两个因素计入在内。此外，一个成像系统的各个部分具有各自的mtf，它们的组合给出总体mtf：mtf=mtf1mtf2mtf3.例如:在一特定的空间频率下,相机探测器、pmt、pha的mtf分别为0.8、0.6、0.7，则总体mtf为：mtf=0.80.60.7=0.34,相机性能指标,二、相机性能指标,2.5灵敏度成像器件的灵敏度定义为每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（cps/ci）。灵敏度依赖于准直器的几何效率、探测器的探测效率、pha的设置和死时间。有关探测效率效率和死时间已在本节的开始作了讨论，pha的设置在上一节也讨论过了。简单地说，增加射线的能量和增加放射源与探头的距离会降低探测效率，而增加晶体的厚度能够提高探测效率。收窄pha的窗宽减少测量计数，因而降低计数效率。对于死时间较大的系统，探测活度大的样本时将丢失计数，使计数效率下降。成像系统的灵敏度则主要受到准直器效率的影响。,相机性能指标,二、相机性能指标,2.5灵敏度准直器效率eg准直器效率又称为几何效率，定义为每单位放射性活度通过准直器孔的g光子数目，对于平行孔准直器（见图1-11），准直器效率为：eg=kd4/te2(d+a)2其中d是孔径，te是准直孔的有效长度，a是铅间隔厚度，k是常数，与准直孔的形状和排列有关。平行孔准直器的效率随着准直孔直径增加而增加，随着准直器厚度和铅间隔增加而降低，这与准直器的空间分辨率rg是相反的。所以对于一个给定的准直器，空间分辨率增加意味着效率降低，或反之。值得注意的是，对于一个大的平面源，准直器的效率并不受探头与放射源距离的影响，在不同的距离，eg基本不变。对于其它类型的准直器，eg将随探头与放射源距离变化，如图1-18所示。,相机性能指标,二、相机性能指标,2.6均匀性相机在整个视野范围内对光子应该具有一致的响应，或说在探头所有位置，探测一个点源应该能够得到相同计数。然而，即使调整良好的相机也会产生不均匀图像，计数密度变化达到10%。这种非均匀性导致系统空间分辨率降低。探头响应的非均匀性主要来源于pmt的响应，即生成脉冲的变化和对视野内脉冲x、y定位的非线性。常常可以看到图像边缘有一亮环，这是由于许多光子被探头边缘的反射物质所反射而进入pmt。通常在准直器的边缘上套上一个铅环以屏蔽这种现象。pha能窗设置不适当也会导致非均匀性。,相机性能指标,二、相机性能指标,2.6均匀性使用泛源图像可以检测g相机的均匀性（见图1-19）。肉眼观察泛源图像可以发现相机失调，尤其是pmt引起的非均匀性。有几种校正非均匀性的方法，它们通过g相机内置的微处理器进行校正。典型的方法是采用一个99mtc放射性点源，置于探头前方约23米处，卸下准直器，采集测试图像并存入微处理器单元的图像矩阵中。然后微处理器根据图像矩阵中每个像素的计数变化，为每一个像素产生校正系数。在以后采集患者图像时，这些校正系数被用与各自的像素，对其计数进行加减操作。即对“冷区”进行加计数操作，对“热区”进行减计数操作。采用这种技术，均匀性可以降低到2%3%。,相机性能指标,二、相机性能指标,2.6均匀性,相机性能指标,二、相机性能指标,2.7对比度图像对比度表示在一个物体图像中相邻区域计数密度的相对变化，它是对异常组织相对于正常组织的探测能力的测试。对比度表示为：对比度=（a-b）/a式中a和b分别表示正常组织和异常组织的计数密度。图像中的病灶可以被作为“热区”或“冷区”，它指出在物体相应区域放射性吸收的增高或降低。若干因素影响图像对比度，包括：计数密度、放射散射、脉冲堆积、胶片类型、病灶尺寸以及患者移动。这些因素对图像对比度有不同程度影响。,相机性能指标,二、相机性能指标,2.7对比度对于一幅图像，为了获得合适的对比度，必须采集一定的计数。即使成像系统有足够的空间分辨率，若没有足够的计数，也不能获得对比度良好的图像，甚至不能发现病灶。最佳的计数密度大约是1000计数/cm2。计数密度取决于注入的射线活度和感兴趣组织的吸收。增加注入活度可以改善对比度，异常组织和正常组织间吸收差异也可提高对比度。但注入的活度必须考虑患者承受的照射剂量。有时可以通过增加采集时间提高计数密度。散射增加图像本底噪音，降低图像对比度。虽然收窄能窗能减少散射，但灵敏度，即计数效率也会因窗宽收窄而降低。在日常成像中，通常采用20%窗宽，窗的中心线对准感兴趣的能峰。高计数率情况下，脉冲堆积现象可以降低图像对比度。两个同时发生的康普顿事件可能相加形成光电峰，但这一事件会导致定位错误并因此影响图像。,相机性能指标,二、相机性能指标,2.7对比度胶片对比度是总体图像对比度的一个环节，它取决于胶片的类型。x光胶片的密度响应优于拍立得胶片，能够获得最大的胶片对比度。为了避免胶片显影和定影过程中产生伪影，操作应该仔细小心。分辨一个病灶的图像对比度取决于该病灶的尺寸和它周围的本底，只有病灶尺寸大于系统空间分辨率，它才能够被识别。否则，即使有高的计数率，也难以发现尺寸小于系统空间分辨率的病灶。病灶尺寸因素决定于周围底活度和“冷区”或“热区”所在位置。在低本底图像中，小尺寸“热区”有较好的对比度。而增加“冷区”周围组织活度，“冷区”可能被掩盖。患者在成像过程中的移动会降低图像对比度，主要是由于器官移动使正常组织与异常组织相互重叠。检查前固定好患者或保持比较舒服的位置能够减少移动，当出现较明显移动时，可以进行移动校正或重新采集。,相机性能指标,三、相机质量控制,为了保证成像系统获得高质量图像，必须对仪器进行常规质量控制测试。测试在每天或每周进行。最常用的测试包括光电峰位置检测、均匀性测试和空间分辨率测试。这些测试可装有准直器（系统性能测试）或卸下准直器（固有性能测试）。大部分核医学检查都使用99mtc，来源比较方便，所以常用于测试。另外57co具有较长的半衰期，能量与99mtc接近（57co的光电峰为122和136kev，99mtc为140kev），可制成封装的固体源，所以也常被使用。至于用99mtc还是57co，测试系统性能还是固有性能，用户可根据条件和需要选择。,相机质量控制,三、相机质量控制,光电峰位置光电峰位置应每日进行检测，通过调整pha窗宽和基线对准感兴趣的光电峰。对于99mtc，强度约1mci(37mbq)抽入注射器内，置于准直器前方（系统性能测试），调整能窗对准140kev光电峰。不同的核素用于检查前必须进行能峰调整，例如131i、201tl、67ga等都要分别调整。,相机质量控制,三、相机质量控制,均匀性均匀性测试应每天进行。使用约10mci(370mbq)的57co平面泛源，置于准直器上方（系统性能测试），或卸下准直器，将一约300mci(11mbq)的99mtc点源悬挂在探头前方约2-3米处（固有性能测试）。采集3000k计数，用肉眼观察均匀性图像，不应出现不均匀现象。也可采集16m计数，用g相机的计算机提供的均匀性测试程序进行测试，计算其均匀性。为了保证g相机具有良好的均匀性，除了每天进行测试外还应定期采集和存储均匀性校正系数矩阵。均匀性校正矩阵的采集与采集均匀性固有性能测试图像的方法一样，但采集的总计数要根据每台仪器的要求而定。图像采集后要存储，并生成新的校正系数矩阵。,相机质量控制,三、相机质量控制,空间分辨率空间分辨率每周测试一次。测试空间分辨率使用靶模，靶模置于准直器上方（系统性能测试），强度约10mci(370mbq)的57co平面泛源置于靶模上方。或卸下准直器，将靶模置于探头上方（固有性能测试），约1mmci(37mbq)的99mtc点源悬挂在探头前方约2-3米处。采集3000k计数，用肉眼观察线性和分辨率，分辨率以能清晰分辨的最小铅栅间隔确定。除了上述的指标外，其它的性能指标也要定期进行测试，例如：计算机、多格相机、扫描床、探头支架运动等性能。测试中要认真记录测试时间、采集计数、窗宽设置、核素名称等内容。,相机质量控制,三、相机质量控制,准直器质量检测核医学的临床检查中最常用的是平行孔准直器，有若干种方法可以用于检测平行孔准直器质量，其中通过检测准直器均匀性和准直孔倾斜两项指标，基本可以发现准直器存在的质量问题。准直器均匀性单独测试准直器均匀性是困难的，可以通过固有均匀性和系统均匀性的测试结果判断准直器均匀性能。系统均匀性由g相机固有均匀性和准直器均匀性组成，通过比较固有均匀性和系统均匀性的图像或计算结果，可以发现准直器的大部分质量问题。如果（系统均匀性-固有均匀性）3%，且均匀性图像可见显著非均匀伪影，则反映准直器存在故障。该方法适用于平行孔准直器。,相机质量控制,三、相机质量控制,准直孔倾斜平行孔准直器制造过程中，由于工艺不良，会造成准直孔倾斜。准直孔倾斜影响图像定位，对断层采集和重建的影响更为严重。取一数百mci的99mtc点，悬挂于准直器上方，在点源与准直器表面不同距离处采集点源图像，这些图像的点源位置应该重合。可在探头视野的不同位置重复上述测试，以检测准直器视野范围内各个位置。进行这项测试时，必须保证点源相对于准直器的垂直移动，否则会引入显著误差。,相机质量控制,三、相机质量控制,nema标准相机的nema标准是指美国电器制造商协会颁布的g相机性能测试标准，该标准最初公布于1980年，在1986年和1994年分别发行修改版。1994年版本包括了spect和全身扫描的性能测试标准。nema标准已为各g相机和spect生产厂家所应用，几乎所有的g相机和spect都以nema标准描述其性能。除了nema标准外，国际电工学会iec和美国医学物理学家协会ampa等团体和组织也颁布了g相机和spect性能测试指标，它们的内容基本接近。,相机质量控制,三、相机质量控制,nema标准nema标准包括相机固有、系统性能，断层重建性能和全身扫描性能四个部分，每个部分有若干项指标。nema标准详细定义了各项指标的测试步骤，测试模型和计算公式。对于用户来说，应该按nema标准对新引进安装的相机和spect进行严格的验收测试，在仪器的日常质量控制和性能检测中也可以使用nema标准的部分指标。nema标准在相机和spect的质量控制中占有重要位置，读者可参考nema标准或其它参考资料。,相机质量控制,三、相机质量控制,nema标准,相机质量控制,四、相机软件系统,基于伽玛相机的硬件系统需要开发一套相应的、完整的软件系统来实现可视化采集、实时显示、图像处理和系统的自动测试与维护等功能，这是一套面向pc机开发的软件系统。系统的总体要求：1）可方便的移植代码、注重重复代码的重复性和扩展性2）采用面向对象的设计方法和模块化的开发思想3）系统采用可视化和交互式人机界面：4）系统从数据的采集、显示、处理到诊断报告的输出都采用图形界面的方式显示5）信息与数据，数据参数的输入与修改采用对话框的形式进行人机交换,相机软件系统,四、相机软件系统,系统的总体结构,相机软件系统,数据采集模块,数据采集程序内容概述操作步骤,相机软件系统,数据采集程序内容概述,程序提供以下功能：从历史记录中选择病人新建立病人档案修改病人信息编辑、新建采集协议根据采集协议执行数据采集探头数据实时采集与显示心电图采集与显示,相机软