正電子發(fā)射斷層掃描儀中機(jī)電控制系統(tǒng)的研制

劉先生

正電子發(fā)射斷層掃描儀（PET）是英文名稱PositronEmissionTomography的縮寫，即“正電子發(fā)射斷層掃描儀”，是隨著X線斷層成像（X一CT）和單光子斷層成像（SPEcT或簡(jiǎn)稱ECT）技術(shù)之后，將斷層技術(shù)應(yīng)用于核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域而發(fā)展起來(lái)的一門新學(xué)科。PET是當(dāng)今最高層次的核醫(yī)學(xué)技術(shù)，它也是當(dāng)前醫(yī)學(xué)界公認(rèn)的最先進(jìn)的大型醫(yī)療診斷成像設(shè)備。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是PET的核心，它控制所有的硬件設(shè)備，采集和組織數(shù)據(jù)，執(zhí)行各種誤差校正，重建斷層圖像，對(duì)圖像進(jìn)行處理和分析，顯示圖像和有關(guān)信息。PET的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和處理的微型計(jì)算機(jī)（包括探測(cè)器、自動(dòng)床的控制等）、控制臺(tái)計(jì)算機(jī)、供醫(yī)生進(jìn)行圖像分析的輔診臺(tái)計(jì)算機(jī)、管理和維護(hù)信息的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、控制回旋加速器、藥物標(biāo)記設(shè)備和放射劑量監(jiān)控儀器的計(jì)算機(jī)等。PET系統(tǒng)大多采用分布式信息處理，上述計(jì)算機(jī)連接在一起，組成局域網(wǎng)絡(luò)（LAN）。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，PET系統(tǒng)可接入醫(yī)院的圖像存檔和傳輸系統(tǒng)（以CS），通過(guò)INTERNET的WWW，PET系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的圖像傳輸、病人數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢、病歷查閱，即實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程會(huì)診。PET系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如盡管系統(tǒng)的機(jī)電控制部分不直接參與投影數(shù)據(jù)的探測(cè)，預(yù)處理，符合，采集和成像等整個(gè)流程，但同樣在PET系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用。目前，核醫(yī)學(xué)己進(jìn)入分子核醫(yī)學(xué)（molee過(guò)arnuclearmedieine）時(shí)代，pET是在分子水平上利用影像技術(shù)研究人體心腦代謝和受體功能的唯一手段，在腫瘤學(xué)，心血管疾病學(xué)和神經(jīng)系統(tǒng)疾病學(xué)研究中，以及新醫(yī)藥學(xué)開(kāi)發(fā)研究等領(lǐng)域中己經(jīng)顯示出它卓越的性能。PET顯像具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1 功能顯像

它是一種有較高特異性的功能顯像和分子顯像，除顯示形態(tài)結(jié)構(gòu)外，它主要是在分子水平上提供有關(guān)臟器及其病變的功能信息，與X線CT、磁共振顯像（magneti。：esonanee而aging，M班）和超聲檢查等相比較，這一特點(diǎn)十分突出和重要。PET所用的示蹤藥物是短壽命正電子核素，它們是組成有機(jī)體組織的基本成分和能參與代謝過(guò)程；可以標(biāo)記各種生物活性物質(zhì)可不改變其原有的性質(zhì)，因此用它們標(biāo)記的放射性藥物不僅可用來(lái)診斷疾病，而且為研究人體的生化，生理，病理及各種藥物在體內(nèi)的分布與代謝途徑等創(chuàng)造了有利條件。由于PET成像是功能圖像，能提供很多疾病在發(fā)展過(guò)程中的早期信息，可以進(jìn)行超前診斷，如癌癥的早期診斷等。而CT雖然也能用于檢測(cè)癌癥，但只能用于疾病過(guò)程已經(jīng)引起了較大的解剖學(xué)的變化時(shí)的情況，如腫瘤發(fā)展較大，也就是大多發(fā)展到中晚期以后，才能檢測(cè)出來(lái)；且其檢測(cè)的精確性和專一性都不如PET。SPECT（單光子CT）也可以作功能成像，但由于其所用的示蹤藥物等不是組成生物組織的化學(xué)成份，它們會(huì)引起代謝機(jī)制發(fā)生變化，因而也使病理解釋復(fù)雜化等原因，所以從原理上它就很難和PET相抗衡；況且它的空間分辨較低，，所以它的成像性能比PET差很多。

2 顯像方式

放射性核素?cái)鄬语@像具有多種動(dòng)態(tài)顯像方式，使臟器與病變的血流和功能情況得以動(dòng)態(tài)和定量的顯示，給出多種功能參數(shù)，與靜態(tài)顯像配合常能提供疾病更為早期的表現(xiàn)。比如利用PET/FDG方法可以在正常的生理狀態(tài)下無(wú)創(chuàng)地定量測(cè)量局部組織的葡萄糖代謝率。PET對(duì)于示蹤劑濃度的靈敏度非常高，這就是它能高精度地檢測(cè)出代謝過(guò)程的微細(xì)變化和給出清晰圖像的機(jī)理所在。

3 電子準(zhǔn)直技術(shù)

正負(fù)電子湮滅時(shí)產(chǎn)生的兩個(gè)向相反方向運(yùn)動(dòng)的光子，用相對(duì)放置的兩個(gè)探測(cè)器來(lái)測(cè)量，稱作湮滅符合探測(cè)。符合電路只將兩個(gè)Y光子同時(shí)被探測(cè)到的湮滅事件記錄到存儲(chǔ)器中，該事件一定發(fā)生在兩個(gè)探測(cè)器之間的符合探測(cè)區(qū)中，因此ACD又稱作電子準(zhǔn)直技術(shù)。PBT采用了電子準(zhǔn)直技術(shù)，與SPECT（單光子CT）相比有準(zhǔn)直的視野非常均勻、分辨率受深度的影響較小、并且靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。其次，射線的衰減補(bǔ)償容易、不受深度的影響。由于PET的上述優(yōu)越性能，國(guó)內(nèi)的很多醫(yī)院和醫(yī)學(xué)科研院所都渴望擁有PET進(jìn)行臨床診斷與醫(yī)學(xué)研究。但PET本身造價(jià)很高，且需要一臺(tái)小型回旋加速器與之相配合，因此，目前進(jìn)口一套PET的價(jià)格很昂貴（約四千萬(wàn)元以上）。基于上述原因，PET難以在我國(guó)普遍使用。

PET是當(dāng)今最高層次的核醫(yī)學(xué)技術(shù)，該裝置技術(shù)難度高，國(guó)外只有幾個(gè)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家能夠制造，國(guó)內(nèi)尚處于起步階段。國(guó)內(nèi)外一些科研單位（特別是國(guó)外許多高能物理或核物理研究院所，如美國(guó)SLAC，英國(guó)RUTHERFORD，日本KEK，意大利INFN和我國(guó)的高能物理研究所等）都在探索如何降低PET的成本和提高性能，以滿足對(duì)PET日益增加的需求。我國(guó)高能物理研究所研制的4環(huán)PBT雖能成像，但空間分辨率只能達(dá)到glnln，與國(guó)外PET相比還存在較大差距?；谖覀冮L(zhǎng)期從事與PET技術(shù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究、參與國(guó)內(nèi)PET研制和核醫(yī)學(xué)圖像處理臨床應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，我們決定研制自己的、具有九十年代國(guó)際先進(jìn)水平且造價(jià)較低的PET。自己研制生產(chǎn)PET是利國(guó)利民的事業(yè)，它能帶動(dòng)和促進(jìn)我國(guó)許多相關(guān)學(xué)科與技術(shù)的發(fā)展，如核探測(cè)技術(shù)、核電子技術(shù)等。PET的研制成功將使我國(guó)的核醫(yī)學(xué)儀器研制與開(kāi)發(fā)進(jìn)入世界先進(jìn)行列，有利于提高我國(guó)人民的健康水平，推動(dòng)我國(guó)核醫(yī)學(xué)、腦科學(xué)與生物學(xué)的發(fā)展，促進(jìn)新醫(yī)藥，特別是中醫(yī)藥研究開(kāi)發(fā)，振興我國(guó)的民族工業(yè)。

作為系統(tǒng)底層硬件與上層服務(wù)器之間通信以及底層硬件之間通信的交通樞紐，它負(fù)責(zé)接收來(lái)自上層服務(wù)器的命令，傳給底層執(zhí)行部件，命令這些部件做相應(yīng)的動(dòng)作，然后再將底層執(zhí)行部件的完成情況和當(dāng)前狀態(tài)實(shí)時(shí)的反饋回服務(wù)器，作相應(yīng)處理；同時(shí)它還提供前端電子學(xué)模塊的系統(tǒng)時(shí)鐘和同步時(shí)鐘基準(zhǔn)；監(jiān)控儀器工作的環(huán)境溫度，電源的工作狀態(tài)和系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況后作出的處理?？梢哉f(shuō)，機(jī)電控制部分幾乎完成除機(jī)械設(shè)計(jì)和整個(gè)成像數(shù)據(jù)生成外的所有底層執(zhí)行部件控制以及狀態(tài)顯示，各種模擬量，數(shù)字量的采集與控制工作，為系統(tǒng)成像做好各種準(zhǔn)備工作。床運(yùn)動(dòng)控制板主要接收由Gantry主控板轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的液晶屏的按鈕信息，然后對(duì)床進(jìn)行控制，使床能進(jìn)行垂直和水平方向的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)后的位置信息再通過(guò)Gantry主控板轉(zhuǎn)發(fā)給液晶屏控制板，在液晶面板上動(dòng)態(tài)顯示。

棒源運(yùn)動(dòng)控制板主要實(shí)現(xiàn)對(duì)病人進(jìn)行透掃的功能，即通過(guò)接收由Gantry主控板轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的液晶屏的按鈕信息，使棒源伸入到病人孔視野，旋轉(zhuǎn)透掃得到投影數(shù)據(jù)，提供校正參數(shù)，對(duì)PET掃描后的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

SePta運(yùn)動(dòng)控制板主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)兩維和三維掃描的切換，即由Gantry主控板轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的液晶屏的按鈕信息來(lái)控制Sep七a伸入到病人孔視野，將擋住射向探測(cè)器晶體的光子，這時(shí)只能采集到徑向平面內(nèi)的投影數(shù)據(jù)，做兩維掃描（徑向的平面掃描）。反之，進(jìn)行三維立體掃描。

液晶顯示屏的控制面板主要將顯示屏上的按鈕命令信息通過(guò)Gantry主控板傳達(dá)給下面的各個(gè)運(yùn)動(dòng)控制板，然后將以上運(yùn)動(dòng)部件的狀態(tài)信息在屏上實(shí)時(shí)顯示，也就是系統(tǒng)底層硬件各種狀態(tài)信息對(duì)外的一個(gè)簡(jiǎn)單的人機(jī)交互界面，方便醫(yī)務(wù)人員在對(duì)病人進(jìn)行正式掃描前對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)部件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和操作。激光燈穩(wěn)功電路是為了穩(wěn)定裝在病人孔最內(nèi)側(cè)的九個(gè)定位指示燈的功率而設(shè)計(jì)的。系統(tǒng)內(nèi)的九個(gè)定位指示燈中，其中六個(gè)用于指示環(huán)型探測(cè)器的檢測(cè)范圍，即環(huán)型探測(cè)器的軸向有效長(zhǎng)度和水平中心平面；另三個(gè)指示燈是病人定位之用，一個(gè)在病人孔入口端的正上方，另兩個(gè)裝在病人孔入口端的水平中心平面兩側(cè)各一個(gè)。PET系統(tǒng)的整體電源也是機(jī)電控制組的主要工作之一，該整體電源設(shè)計(jì)主要是給Gan勿主機(jī)箱內(nèi)的各個(gè)電路控制板以及用于驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器提供工作電源，主要有+5V，一SV，+1SV，一15V，+24V五種電源電壓。