小型伽馬射線檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

童云坤，陶 玲，李韙韜，黃海鵬，李怡燃

（南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京210016）

0 引言

伽馬相機(jī)是用來(lái)給釋放伽馬光子的放射性元素進(jìn)行成像的設(shè)備[1]。在藥物開(kāi)發(fā)與核醫(yī)學(xué)成像中，伽馬相機(jī)可以用來(lái)分析生物體中放射性標(biāo)記物的分布[2]，它不僅能反映生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[3]，還能夠顯示相應(yīng)的代謝功能信息，是一種常用的放射性核素醫(yī)學(xué)成像設(shè)備，已經(jīng)在臨床醫(yī)學(xué)中被廣泛應(yīng)用[4-5]。隨著動(dòng)物模型在臨床藥物研究中的廣泛應(yīng)用，伽馬射線探測(cè)技術(shù)也從人體探測(cè)拓展至小動(dòng)物的活體探測(cè)。由于小動(dòng)物體內(nèi)組織的尺寸要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人體內(nèi)組織的尺寸，原本適用于人體的伽馬成像系統(tǒng)的分辨力遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到小動(dòng)物成像的需求，成像效果極不理想。而空間分辨力和檢測(cè)靈敏度呈反比，要求較高的空間分辨力就必須以犧牲相應(yīng)的靈敏度為代價(jià)。美國(guó)Cleveland Clinic 的小動(dòng)物SPECT[6]系統(tǒng)采用25～36針孔數(shù)的鎢針孔加臨床雙探頭，空間分辨力可達(dá)0.7 mm。在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)的小動(dòng)物SPECT 系統(tǒng)采用7 針孔平板鎢制針孔準(zhǔn)直器加臨床SPECT 探頭，可達(dá)到0.5 mm 的空間分辨力[7]。而SPECT 系統(tǒng)的成本構(gòu)造是傳統(tǒng)伽馬相機(jī)的數(shù)倍，同時(shí)，超高的空間高分辨力也意味著伽馬成像系統(tǒng)探測(cè)效率的降低和靈敏度的下降。因此如何平衡伽馬射線的檢測(cè)靈敏度和空間分辨力，實(shí)現(xiàn)在小視場(chǎng)下的高空間分辨力成像是小動(dòng)物伽馬成像系統(tǒng)研制的一個(gè)最主要的挑戰(zhàn)。本文設(shè)計(jì)了一種伽馬射線檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)配置定制的NaI（Tl）晶體以及相應(yīng)匹配的光電倍增管（photomultiplier tube，PMT），同時(shí)對(duì)軟件算法的圖像成幀技術(shù)方面進(jìn)行改善，從而平衡檢測(cè)靈敏度和空間分辨力性能指標(biāo)，最終對(duì)自然環(huán)境和特殊環(huán)境下伽馬射線進(jìn)行檢測(cè)，驗(yàn)證對(duì)伽馬射線的測(cè)試性能，為后續(xù)研制成熟的小動(dòng)物活體核素成像伽馬相機(jī)提供技術(shù)支持和實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 伽馬射線檢測(cè)系統(tǒng)原理

目前伽馬射線檢測(cè)主要基于蓋格計(jì)數(shù)、閃爍體計(jì)數(shù)和半導(dǎo)體計(jì)數(shù)技術(shù)，國(guó)內(nèi)外在利用伽馬射線做圖像檢測(cè)時(shí)，大多采用閃爍體計(jì)數(shù)的方式。本文設(shè)計(jì)的方案也應(yīng)用了閃爍體計(jì)數(shù)的方式。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的原理如圖1 所示。系統(tǒng)主要由一塊NaI（Tl）晶體、一塊對(duì)應(yīng)的PMT 陣列、位置總和電路以及上位機(jī)組成，傳統(tǒng)小型伽馬相機(jī)的組成大多如此[8]。NaI（Tl）閃爍晶體接收外界的伽馬射線發(fā)出熒光，熒光進(jìn)入PMT，PMT 輸出電脈沖的幅值和它接收到的閃爍光的強(qiáng)度成正比，輸出的電壓經(jīng)過(guò)位置總和電路可以得到相應(yīng)的位置（X+、X-，Y+、Y-）及能量（E）信息，這些信息傳入到上位機(jī)被歸納與整理。

圖1 伽馬射線檢測(cè)系統(tǒng)原理圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計(jì)方案

本文所設(shè)計(jì)的用于小動(dòng)物成像系統(tǒng)的伽馬射線檢測(cè)系統(tǒng)在傳統(tǒng)伽馬相機(jī)硬件技術(shù)的基礎(chǔ)上做了一些考慮和調(diào)整[9]。就選擇NaI（Tl）晶體而言[10]，它的最大發(fā)射波長(zhǎng)為415 nm，且在此波段沒(méi)有明顯自吸收，其發(fā)光效率也是同類晶體中最高的，因此可以和PMT 有很好的耦合。就選擇晶體的尺寸、形狀而言，如果晶體太薄，伽馬光子會(huì)穿透晶體到達(dá)PMT，雖然伽馬射線的波長(zhǎng)太短，不會(huì)響應(yīng)PMT，但是透過(guò)晶體的這一部分伽馬光子無(wú)法在晶體內(nèi)部退激產(chǎn)生熒光，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化的效率低下，宏觀上來(lái)看，這就造成了采集信息的時(shí)間變得更長(zhǎng)；如果晶體太厚，雖然說(shuō)絕大多數(shù)的伽馬光子會(huì)在晶體內(nèi)部退激產(chǎn)生相應(yīng)的熒光，但是可能導(dǎo)致伽馬光子在晶體內(nèi)多次作用之后才被PMT 探測(cè)，這個(gè)時(shí)候的閃爍點(diǎn)定位模糊，造成的空間分辨力下降，同時(shí)，一般NaI（Tl）晶體的能量分辨率為7%～10%，且對(duì)不同能量的分辨也不同，但是隨著晶體厚度的增加，晶體的長(zhǎng)徑比會(huì)增加，它的能量分辨率就會(huì)下降，而最終形成的圖像是某個(gè)能量大小區(qū)間對(duì)應(yīng)的圖像，所以能量分辨率的下降會(huì)直接導(dǎo)致圖像質(zhì)量的下降。

考慮到研制的是小動(dòng)物活體成像的伽馬射線檢測(cè)系統(tǒng)，因此不必選擇轉(zhuǎn)化效率很高的晶體，稍薄一些的晶體雖然轉(zhuǎn)化效率不會(huì)太高，但是已經(jīng)滿足在小鼠麻醉期間獲取相應(yīng)信息的要求，而且本文將要使用的锝同位素99mTc 釋放射線的能量大約為141 keV，屬于較低的能量[11]，它釋放的伽馬射線與NaI（Tl）晶體一般作用在表面的2～5 mm，所需的晶體厚度自然也不需要太厚。尤其關(guān)鍵的是，選取薄厚適宜的晶體可以使伽馬射線進(jìn)入晶體只經(jīng)過(guò)一次作用就產(chǎn)生熒光，由此產(chǎn)生的閃爍點(diǎn)的定位更為準(zhǔn)確，空間分辨力更高。如果使用較厚的晶體，檢測(cè)靈敏度并不會(huì)明顯改善，但是空間分辨力會(huì)急劇下降。測(cè)量人體的晶體厚度大約為8 mm，測(cè)量小動(dòng)物的晶體比測(cè)量人體的晶體要更薄一些。綜上所述，本文最終定制了厚度為6 mm 的扁平狀的NaI（Tl）晶體進(jìn)行檢測(cè)，如圖2所示。

圖2 定制的NaI（Tl）閃爍晶體

本文采用的PMT 是日本濱松公司生產(chǎn)的位置靈敏PMT（R8520-00-C12），其單個(gè)有效探測(cè)面積為35 mm×35 mm，為多陽(yáng)極位置靈敏PMT，其有效探測(cè)單元矩陣為10×10，增益約為0.9×109。它的噪聲小，放大倍數(shù)也較為穩(wěn)定，并且在415 nm 附近有很好的光譜響應(yīng)，R8520-00-C12 的光譜響應(yīng)如圖3 所示。探頭的固有空間分辨力取決于晶體陣列像素單元的尺寸和PMT 可探測(cè)的最小位置距離。經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)位置靈敏PMT 可探測(cè)的最小位置距離要小于閃爍晶體陣列像素單元，所以選取此款PMT 并不會(huì)對(duì)探頭的固有分辨力造成影響。同時(shí)本文設(shè)計(jì)在閃爍晶體和PMT 之間加入光導(dǎo)，以減少熒光在運(yùn)輸過(guò)程之間的損失。晶體、光導(dǎo)、PMT 之間涂有光學(xué)硅脂，用來(lái)排除空氣，防止系統(tǒng)的空間分辨力和檢測(cè)靈敏度的下降。對(duì)應(yīng)每個(gè)入射伽馬光子與晶體作用產(chǎn)生的熒光，PMT 分別輸出位置信號(hào)和能量信號(hào)，針對(duì)本實(shí)驗(yàn)所用的多陽(yáng)極位置靈敏PMT，本系統(tǒng)采用阻抗電荷分配法，即采用電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行陽(yáng)極輸出信號(hào)的讀取。經(jīng)過(guò)相應(yīng)的放大電路和位置轉(zhuǎn)化電路轉(zhuǎn)化為X+、X-、Y+、Y-的4 路位置信息以及相應(yīng)的能量信息，將信息存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，然后通過(guò)傳輸控制協(xié)議（transmission control protocol，TCP）與上位機(jī)進(jìn)行通信。上位機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、存儲(chǔ)、分析繪圖、實(shí)時(shí)顯示等操作。

圖3 R8520-00-C12 的光譜響應(yīng)

硬件的安裝組合方式如圖4 所示，黑色機(jī)箱部分為700 V 高壓電源和12 V 低壓電源，左側(cè)黑色方塊為NaI（Tl）晶體和PMT 陣列管，也就是探頭部分。由于PMT 受環(huán)境光的影響較大，所以需要將之密封，使其接收到的光信號(hào)全部來(lái)自NaI（Tl）吸收伽馬射線產(chǎn)生的熒光，這樣產(chǎn)生的圖像才會(huì)更為精準(zhǔn)。因?yàn)橄到y(tǒng)只做檢測(cè)使用，故沒(méi)有在探頭前安裝準(zhǔn)直器。若在做小動(dòng)物活體成像實(shí)驗(yàn)時(shí)，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)藥物的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在保證空間分辨力的同時(shí)，也需要考慮靈敏度。盡管針孔準(zhǔn)直器擁有更高的空間分辨力，但是針孔準(zhǔn)直器視野內(nèi)不同區(qū)域的均勻性不同，無(wú)法同時(shí)兼顧到靈敏度問(wèn)題，故一般直接采用高能通用平行孔準(zhǔn)直器，它的空間分辨力隨著距離的增加而降低，但是靈敏度隨著距離的增加卻沒(méi)有明顯變化，所以將實(shí)驗(yàn)小動(dòng)物安置得足夠近，就可以在保證空間分辨力的同時(shí)兼顧到檢測(cè)靈敏度，這樣產(chǎn)生的圖像與真實(shí)圖像的大小是一比一的。同時(shí)，為反映小動(dòng)物體內(nèi)的放射性核素信息，此類平行孔準(zhǔn)直器配套的閃爍晶體探測(cè)器與常規(guī)探測(cè)器有所不同，一般會(huì)設(shè)計(jì)得比單個(gè)實(shí)驗(yàn)小動(dòng)物本身更大，來(lái)獲取整體動(dòng)物核素信息。黑色電源箱上側(cè)是位置總和電路，采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器當(dāng)中，等待上位機(jī)的傳輸調(diào)用，右側(cè)網(wǎng)線端口與上位機(jī)（PC）相連，組成一個(gè)完整的系統(tǒng)，兩者之間以TCP進(jìn)行交互。

圖4 硬件實(shí)物圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)方案

上位機(jī)控制軟件是本系統(tǒng)的重要組成部分，主要包括與硬件的連接，數(shù)據(jù)的處理、顯示與存儲(chǔ)。本文基于LabWindows 設(shè)計(jì)了相應(yīng)的系統(tǒng)控制及顯示界面（如圖5 所示）。界面簡(jiǎn)潔明了，主要包括一個(gè)“Canvas”控件，用來(lái)顯示一定能量范圍內(nèi)的512×512 散點(diǎn)圖；一個(gè)“Graph”控件，用來(lái)顯示伽馬射線的能譜圖，即相同能量的伽馬射線的數(shù)目，其中縱坐標(biāo)是伽馬射線的數(shù)目，橫坐標(biāo)是射線能量大小，根據(jù)自定義算法分為0～1 024 格，經(jīng)測(cè)試，絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)所需能量都在其中。圖中可見(jiàn)的一條藍(lán)色和黃色的豎線是用來(lái)選取相應(yīng)的能寬，能寬中的伽馬射線是目標(biāo)射線，最終所成的圖像即是能寬中射線的位置坐標(biāo)，例如目標(biāo)元素99mT c 處于520 格位置，可選取510～530 作為能寬，而選取不同大小的能寬會(huì)對(duì)圖像的對(duì)比度、分辨力產(chǎn)生一定的影響。軟件還設(shè)計(jì)有相應(yīng)的與下位機(jī)進(jìn)行TCP 通信的連接，開(kāi)始采集、停止采集等功能以及對(duì)圖像的采集時(shí)間、數(shù)目進(jìn)行標(biāo)注的功能，也包括圖像的凍結(jié)和存儲(chǔ)等功能。系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)都在軟件界面上得到了相應(yīng)的體現(xiàn)。

圖5 軟件界面

上位機(jī)和下位機(jī)的通信是通過(guò)TCP 完成的，這里采用的是基于TCP 的socket 編程，通過(guò)約定相應(yīng)的Winsock 版本，綁定相應(yīng)的地址來(lái)實(shí)現(xiàn)通信，協(xié)議指定相應(yīng)的START、GET、STOP 命令來(lái)控制數(shù)據(jù)的讀取與暫停。通過(guò)相應(yīng)的超級(jí)終端，可以觀測(cè)指定命令是否發(fā)送，來(lái)判斷上位機(jī)和下位機(jī)的通信連接是否成功。通過(guò)下位機(jī)傳輸上來(lái)的是5 組16 bit short型的數(shù)據(jù)，每一數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)相應(yīng)的位置和能量信息。下位機(jī)每次傳輸200 B 的數(shù)據(jù)，通過(guò)上位機(jī)指令一直循環(huán)發(fā)送。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中除去高6 位的校驗(yàn)信息，剩下的低10 位即為傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)，即X+、X-、Y+、Y-、E，這5 組數(shù)據(jù)值均在0～1 024，此處得到的E 即是能量的大小，而另外4 路位置信息通過(guò)重心法原理處理，得到的單位化（X，Y）坐標(biāo)在（-1，1）之間。將（X，Y）進(jìn)行拉伸、平移等操作可以得到相應(yīng)的512×512 測(cè)試圖像。

整個(gè)軟件打開(kāi)之后需要點(diǎn)擊“連接”按鈕確定與下位機(jī)的TCP 通信正常。當(dāng)設(shè)備連接正確之后，點(diǎn)擊“start”即可開(kāi)始實(shí)時(shí)采集相應(yīng)數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊“stop”即為停止采集。在采集過(guò)程中，軟件還設(shè)計(jì)了采集時(shí)長(zhǎng)和計(jì)數(shù)功能，當(dāng)計(jì)數(shù)累計(jì)到一定程度，即整個(gè)圖像畫面比較豐富或者能譜圖已經(jīng)產(chǎn)生了較為明顯的能峰時(shí)，可以選擇保存相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)對(duì)軟件的內(nèi)存和性能都進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化，且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中運(yùn)行流暢。

3 性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

在本系統(tǒng)搭建完成之后，為進(jìn)行性能測(cè)試，采集了2 組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。第一組數(shù)據(jù)是在普通的自然環(huán)境下，直接采集外界的伽馬信號(hào)。在沒(méi)有放射性源的環(huán)境下所接收到的伽馬信號(hào)應(yīng)該是微弱的、均勻的，且其在各個(gè)能量之間分布大致是相同的，沒(méi)有特殊的能峰存在，如圖6（a）所示。而在有99mTc 放射性元素的照射下，如圖6（b）所示，能譜圖上出現(xiàn)了明顯的能峰，能量大致集中在某一位置。綜合圖6（a）和（b）來(lái)看，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)相關(guān)環(huán)境中的伽馬射線。在檢測(cè)的過(guò)程中，形成明顯能峰的時(shí)間在30 s之內(nèi)，說(shuō)明選取的晶體尺寸薄厚適宜，后續(xù)能夠在遠(yuǎn)小于小動(dòng)物麻醉期的時(shí)間內(nèi)獲得想要的信息。同時(shí)，對(duì)采集到的能量進(jìn)行相應(yīng)的成像，由于自然環(huán)境中的伽馬射線能量大小分布廣、信號(hào)弱，故不取某一特定能量范圍進(jìn)行成像，而選取全范圍的成像，主要觀測(cè)圖像的分布是否均勻，如圖6（c）所示，所成的散點(diǎn)圖中每一個(gè)區(qū)域分布的伽馬射線能量大致是相同的，這與預(yù)期的一致。且沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何矯正的散點(diǎn)陣列圖的線性度和均勻性遠(yuǎn)比常見(jiàn)的伽馬射線散點(diǎn)圖效果更好，從側(cè)面也驗(yàn)證了系統(tǒng)的空間分辨力和檢測(cè)靈敏度得到了一定的平衡。從圖6 來(lái)看，本系統(tǒng)可以檢測(cè)到應(yīng)用環(huán)境中的伽馬射線，而且測(cè)量的準(zhǔn)確性也達(dá)到了需求，滿足了相關(guān)的檢測(cè)使用要求。

圖6 伽馬射線檢測(cè)系統(tǒng)采集的圖像

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于LabWindows 這一開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用定制的NaI（Tl）晶體和配套的PMT 等重要部件研制了一套可以實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境中伽馬射線的完整系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、操作方便，軟件控制程序有穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境。通過(guò)驗(yàn)證自然環(huán)境和特殊環(huán)境下的伽馬射線能量分布的不同，表明檢測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)環(huán)境中的伽馬射線進(jìn)行有效檢測(cè)，為研制用于小動(dòng)物活體核素成像的伽馬相機(jī)打下了基礎(chǔ)。由于設(shè)計(jì)目標(biāo)是對(duì)小動(dòng)物成像，對(duì)系統(tǒng)的空間分辨力要求較高。通過(guò)探測(cè)器硬件設(shè)計(jì)，能夠在理論上達(dá)到固有分辨力需求，但是在實(shí)際采集過(guò)程中，由于PMT 與閃爍晶體以及電子學(xué)電路的耦合等方面達(dá)不到理想情況，所產(chǎn)生的誤差會(huì)對(duì)系統(tǒng)的性能造成一定影響。后續(xù)將通過(guò)改進(jìn)晶體和PMT 數(shù)目以及增添準(zhǔn)直器，同時(shí)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行二次線性、均勻性及能量校準(zhǔn)，更進(jìn)一步提高系統(tǒng)分辨力，最終形成完整的小動(dòng)物活體核素檢測(cè)伽馬相機(jī)，來(lái)檢測(cè)載體表面放射性核素99mTc 標(biāo)記放出的伽馬射線，形成相應(yīng)的動(dòng)態(tài)二維圖像，直觀形象地來(lái)描述活體動(dòng)物對(duì)相關(guān)藥物的處置行為，以及藥物在小動(dòng)物體內(nèi)各個(gè)組織器官，特別是藥效部位、吸收部位、代謝消除部位以及重要的功能臟器部位的相應(yīng)動(dòng)態(tài)分布過(guò)程，這將對(duì)評(píng)價(jià)藥物的分布特征、吸收特征具有積極的指導(dǎo)意義[12]，也將輔助指導(dǎo)和決策相關(guān)的臨床試驗(yàn)設(shè)計(jì)。