SPECT機是在γ照相機的基礎上發(fā)展起來的核醫(yī)學影像設備。它的基本構造由探頭、旋轉運動機架、計算機及其輔助設備等三大部分構成。它的基本工作原理如圖6-3所示。關于計算機及其輔助設備等有關內容，將在下一節(jié)中討論。
    一、探頭部分
    1.準直器
    準直器是由具有單孔或多孔的鉛或鉛合金塊構成，其孔的幾何長度、孔的數量、孔徑大小、孔與孔之間的間隔厚度、孔與探頭平面之間的角度等依準直器的功能不同而有所差異。由于放射性核素是任意地向各個方向呈立體空間發(fā)射γ射線，因而要準確地探測γ光子的空間位置分布，就必須使用準直器。它安裝在探頭的最外層，其作用是讓一定視野范圍內的一定角度方向上的γ射線通過準直器小孔進入晶體，而視野外的與準直器孔角不符的射線則被準直器所屏蔽，也就是起到空間定位選擇器的作用。
    準直器最基本的性能指標是靈敏度和分辨率。所謂準直器靈敏度是指準直器接收來自放射源的放射線的能力。所謂準直器分辨率(空間分辨率)是指準直器探頭鑒別兩個緊密相連的放射源的能力，目前多用點源或線源響應曲線最大高度的一半處的全寬度即FWHM(full width at half maximun)表示。分辨率越好，FWHM越小。靈敏度和分辨率呈相反的關系。要求有較高的靈敏度，往往要以犧牲分辨率為代價，反之亦然。準直器的設計就是在靈敏度和分辨率之間選擇最佳的折衷匹配。因此，它是SPECT影像裝置的關鍵部件。準直器的性能是直接影響系統(tǒng)性能的主要因素。準直器的另外一項性能指標是間壁穿透率，它反映準直器小孔之間的間壁屏蔽視野外的與準直器孔角不符的射線的能力，一般要求穿透率≤10％。如果間壁太厚，探測幾何效率將會降低；如果太薄，將使影像對比度降你低。
    按準直器的形態(tài)結構來區(qū)分，準直器有以下幾種:

 
圖6-3  SPECT的基本構造和工作原理示意圖 

    (1)平行孔準直器  最常用的一類準直器。它是由一組垂直于晶體表面的鉛孔組成。每個孔僅接收來自它正前方的射線，而防止其他方向上的射線射入晶體。最接近準直器處的空間分辨率最好，隨距離的增加而變差，而靈敏度隨距離的增加卻變化不大，因γ光子的空間濃度雖隨距離的平方成反比而減少，但晶體暴露于放射源的總面積卻按距離的平方成正比而增加。平行孔準直器的性能由其孔數、孔徑、孔長、間壁厚度和準直器的材料所決定。根據準直器適用的γ光子的能量范圍，可將平行孔準直器分為低能（≤150keV）、中能（150～350keV）和高能（≥350keV）3種。根據低能準直器的靈敏度和分辨率可將平行孔準直器分為低能通用型、低能高分辨率、低能高靈敏度3種?？讖皆叫。直媛试胶?；間壁厚度減少，靈敏度增加。影像大小與靶器和準直器之間的距離無關。
    (2)針孔準直器  它是單孔準直器，其成像原理與光學中的小孔成像原理相同，像與實物的方向相反。成像的大小與被檢物距離針孔的遠近有關，距離越近，成像越大。其分辨率和靈敏度與其孔徑的大小有關，孔徑增大，靈敏度提高，分辨率降低，反之亦然。
    (3)發(fā)散孔準直器  其優(yōu)點是擴大有效視野10%～20%，且視野隨放射源與準直器距離的增加而增大。其缺點是靈敏度和分辨率較平行孔準直器差。且隨放射源與準直器距離的增加而變壞。利用這種準直器，被測物被縮小，但并不是所有的部分都受到相應的縮小，故產生影像畸變。
    (4)聚焦孔準直器  其優(yōu)點是可以提高靈敏度和分辨率，但也容易出現影像的畸變。主要適用于總計數時間受限的動態(tài)研究。
    2.晶體
    晶體的作用是將γ射線轉化為熒光光子。γ射線進入晶體后，與之發(fā)生相互作用，閃爍晶體吸收帶電粒子的能量使原子、分子激發(fā)，受激發(fā)的原子、分子在退激時發(fā)射熒光光子，熒光光子的數目、能量、輸出的光脈沖幅度與入射γ射線的能量成正比，入射γ射線的能量越小，所產生的光子能量越小，輸出的光脈沖幅度也越小，反之亦然。利用光導、光反射物質和光藕合劑將熒光光子盡可能收集到光電倍增管的光陰極上，由于光電效應，光子在光陰極上打出光電子。
    目前，大多數SPECT機均采用大直徑的碘化鈉(鉈激活)晶體。NaI(Tl)晶體是含有約0.1%鉈的碘化鈉單晶體。它的發(fā)光效率很高，其最強發(fā)射光譜波長為4150nm左右，能與光電倍增管的光譜響應較好匹配，晶體透明度也很好。NaI晶體的密度較大，ρ=3.67g/cm3，有效原子序數高達50，所以對γ射線的探測效率特別高。但它的主要缺點是容易潮解，必須在密封條件下保存和使用，而且質脆，容易碎裂，故使用時應避免大的震動和溫度的較大變化，一般室內溫度要嚴格控制在15～30℃之間，每小時溫差不超過3℃。
    晶體位于準直器和光電倍增管之間。其準直器側面(入射面)采用鋁板密封，既能透過γ射線，又能遮光；其光電倍增管側面(發(fā)光面)用光導玻璃密封，晶體內所產生的閃爍光子能順利地進入光電倍增管。晶體有不同規(guī)格的大小和厚度。圓形晶體的直徑一般為28～41cm，方形和矩形大視野晶體在SPECT機中也廣為使用。晶體厚度不僅影響SPECT機的靈敏度和空間分辨率，同時也限定了它所接受射線的能量范圍。目前常用的晶體厚度為6.4～12.5cm。一般薄晶體接受的能量偏低，而厚晶體接受的能量則偏高。薄晶體在SPECT機中使用越來越普遍。它可以提高SPECT機的固有分辨率。最理想的狀況是γ射線進入晶體只經過一次相互作用就以閃爍光形式發(fā)射出來，這樣產生的閃爍點定位準確，分辨率好。但實際情況并非如此，γ射線進入晶體后經過多次相互作用才被光電倍增管所探測，這種閃爍點定位不精確，空間分辨率模糊。對于99Tcm和201Tl等低能放射性核素，大部分γ射線與晶體的相互作用發(fā)生在晶體的入射面（靠近準直器）的2～5mm內。對此，如果應用厚晶體，不僅對靈敏度沒有明顯改善，而且明顯降低了空間分辨率。例如，把晶體厚度從12.5mm降至6.5mm，空間分辨率可以提高70％，相應的靈敏度僅損失15％。目前大部分的SPECT機均采用9.4mm厚的晶體，以獲得空間分辨率與靈敏度之間較好的匹配。
    3.光導
    光導是裝在晶體和光電倍增管之間的薄層有機玻璃片或光學玻璃片，其作用是把呈六角形排列的光電倍增管通過光藕合劑(一般為硅脂)與NaI(Tl)晶體藕合，把晶體受γ射線照射后產生的閃爍光子有效地傳送到光電倍增管的光陰極上。光導有多種形狀，一般其下底面為六角形，緊密地排列在晶體之上；上頂面為圓形，與光電倍增管緊密貼合。這樣，當應用圓形光電倍增管時，射入光電倍增管之間間隙內的閃爍光便不會損失。此外，光導的側面涂有對熒光反射性能良好的氧化鎂涂劑，以便讓更多的閃爍光進入光電倍增管，也可以防止光線從光導的側面透射到其他光電倍增管的光陰極上。再者，在晶體和光導、光導和光電倍增管之間都充填有光學硅脂，以排除空氣，減少閃爍光透過兩種光介面時的損失。光導從每次熒光事件中收集閃爍光的能力和正確地把它分配到光電倍增管的能力，影響著SPECT機的空間分辨率、線性度、均勻性和靈敏度。因此，上述措施對提高整機的性能是很重要的。一般說來，薄的光導提供較好的分辨率，而厚的光導則提供較好的均勻性。
    4.光電倍增管(PMT)
光電倍增管是在光電管的基礎上發(fā)展起來的一種光電轉換器件，它的作用是將微弱的光信號(閃爍晶體在射線作用下發(fā)出的熒光光子)按比例轉換成電子并倍增放大成易于測量的電信號，其放大倍數可高達106～109。光電倍增管主要由光陰極、多級倍增極、電子收集極(陽極)組成，整個系統(tǒng)密封在抽成真空狀態(tài)的玻璃殼內。光電倍增管的工作原理如圖6-4所示。 
 

圖6-4 光電倍增管的工作原理

    射線在晶體中引起的閃爍光打在光陰極上，通過光電效應產生一定數目的光電子。由于光陰極和各級倍增極之間都加有電壓(高壓電源經分壓電阻R供給)，使陰極產生的電子被有效地放大并集中到下一極，最后在陽極形成很大的電子流，通過負載電阻RL即得到易于測量的電壓脈沖。此過程產生的電流量與入射在光陰極上的光子數目成正比。因此，輸出的脈沖幅度與射線在閃爍體中的能量損失成正比。
    目前，圓探頭的SPECT機使用光電倍增管一般為37～91個，方形或矩形探頭的SPECT機使用光電倍增管一般為55～96個。光電倍增管的形狀有圓形和六角形兩種。圓形晶體一般通過六角形的光導與晶體緊密相貼。六角形的光電倍增管是圓形光電倍增管的最新改進型，其主要優(yōu)點是去除光導，直接與晶體相貼，消除探測間隙，提高靈敏度和空間分辨率。這種光電倍增管已經逐漸取代圓形光電倍增管和光導。光電倍增管在探頭中呈蜂窩狀排列。整體光電倍增管的性能穩(wěn)定性取決于各個光電倍增管的性能參數是否一致、各個光電倍增管的工作電壓是否穩(wěn)定以及是否有足夠長的預熱時間，它們直接影響著系統(tǒng)的均勻性、分辨率和線性度。對光電倍增管性能影響最大的是直流高壓的穩(wěn)定性。而高壓又是由低壓交流電經整流升壓獲得的，所以SPECT機都要求有穩(wěn)壓電源。在經常停電的地方，還要配備不間斷供電電源(UPS)，以保證SPECT機的穩(wěn)定性和工作的連續(xù)性。
    5.模擬定位計算電路
    此電路與光電倍增管相連接。其主要作用是將光電倍增管輸出的電脈沖信號轉換為確定晶體閃爍點位置的X、Y信號和確定入射γ射線的能量信號。模擬定位計算電路一般可分為兩類:一類是最常用的Anger型，即加權電阻矩陣網絡型；另一類是延遲線時間轉換型，此型實際上是前者的改進型。模擬定位計算電路接受來自光電倍增管的電信號，在此轉換成具有一定特征的脈沖信號。這些信號的某個物理量(電壓或時間)與晶體閃爍點的位置座標成一定的對應關系。Anger型模擬定位計算電路系將閃爍點的位置座標轉換為脈沖幅度與之對應的信號;延遲線時間轉換型系將閃爍點的位置座標轉換為過零時間與之對應的雙極脈沖信號?，F以Anger型模擬定位原理為例介紹如下(圖6-5)： 

圖6-5 Anger型模擬定位計算電路的工作原理

    圖6-5是Anger型模擬定位計算電路工作原理簡圖。圖中7只光電倍增管按六角形排列，每個光電倍增管通過加權電阻與X+、X－、Y+、Y－4根輸出導線連接。當閃爍事件在晶體內發(fā)生時，閃爍光便從閃爍點位置向四周發(fā)射。最靠近閃爍點的光電倍增管接受的光量最多，距離越遠，接受的光量也就越少。通過計算每個光電倍增管4個輸出脈沖信號的相對大小，便可確定γ射線在晶體中相互作用的位置。然后，這4個輸出脈沖信號被送進前置放大電路和Z信號合成電路，以減少脈沖波形畸變和傳輸失真，以及確定在此閃爍事件中晶體吸收的總能量并輸出能量信號Z脈沖。Z脈沖信號被送進數字式多道脈沖高度分析器進行能量鑒別，以確定此閃爍事件是否為有效閃爍事件。
    二、機架部分
    SPECT的機架部分由機械運動組件、機架運動控制電路、電源保障系統(tǒng)、機架操縱器及其運動狀態(tài)顯示器等組成。它的主要功能是：①根據操作控制命令，完成不同采集條件所需要的各種運動功能，如直線全身掃描運動、圓周斷層掃描運動、預置定位運動等；②把心電Ｒ波觸發(fā)信號以及探頭的位置信號、角度信號等通過模數轉換器(ADC)傳輸給計算機，并接受計算機指令進行各種動作；③保障整個系統(tǒng)(探頭、機架、計算機及其輔助設備等)的供電，提供穩(wěn)壓的各種規(guī)格的高低壓、交直流電源。限于篇幅，本章僅介紹機架運動及其控制系統(tǒng)。
  前面已經講過，γ照相機型的SPECT機兼有四大功能：平面顯像、動態(tài)研究、全身掃描和斷層采集。尤其是全身掃描和斷層采集，這兩種顯像方式是在探頭和機架的運動過程中完成數據采集的，因此需要有高精度和良好穩(wěn)定性的運動系統(tǒng)和定位系統(tǒng)，這也是SPECT質量控制的關鍵之一。
    機架運動按其運動形式分為4種：①整體機架直線運動(whole body),此時探頭處0°或180°，機架沿導軌作直線運動，檢查床與導軌平行，主要適用于全身掃描；②探頭及其懸臂以支架機械旋轉軸為圓心，作順時針或逆時針圓周運動，檢查床與導軌垂直，主要適用于斷層采集，此時探頭傾斜度必須為0°；③探頭及其懸臂沿圓周運動半徑作向心或離心直線運動，主要作用是使探頭在采集數據時盡可能貼近病人；④探頭沿自身中軸作順時針和逆時針傾斜或直立運動，主要適用于靜態(tài)或動態(tài)顯像時特殊體位的數據采集。在實際工作中，往往是①、③或②、③聯(lián)合運動，這就是所謂的“貼身軌道”法全身掃描或斷層采集，以提高探測效率和空間分辨率，但由于機架的多種運動使得數據采集總時間稍有延長。
    機架運動按其控制方式分為手動控制和自動運行2種。手動控制主要適用于：①數據采集前，根據檢查部位、體位、傾斜角、旋轉角等要求，把探頭運動到指定位置；②在全身或斷層掃描前，必須將預定探頭運動軌跡的數據輸入計算機控制系統(tǒng)。如橢圓斷層軌道的預置四點距旋轉中心的最近點的定位；檢查床的高度定位；預定全身掃描的起始位置等。自動運行主要適用于全身或斷層采集，根據預置運動條件(起始角度和位置、旋轉的總角度和運行的總距離等)，在計算機的控制下自動運行并同時采集每個角度和位置上的投影數據。
    探頭及機架的各種運動方式和速度受機架內定位控制系統(tǒng)的控制。定位控制系統(tǒng)主要由3部分組成：①驅動馬達控制電路；②位置信息存儲器；③定位處理器。定位處理器實際上是一個微型計算機，它的主要作用是控制探頭及機架轉動的角度、移動的距離及識別位置。定位處理器受主計算機的控制，并將各種定位數據傳輸給主計算機。
    在主計算機的只讀存儲器(ROM)中有一組標準的位置編碼。每次開機后，主計算機把標準位置編碼傳輸給機架定位處理器，并儲存在定位存儲器中。在機架內，每種方式的機械運動其正反兩個極限位置均裝有極限脈沖發(fā)生器，當運動滑塊觸及此脈沖器，即發(fā)出停止運動脈沖。在每個驅動馬達的后部都裝配有同軸運動脈沖發(fā)生器，只要馬達轉子每轉動一周，脈沖發(fā)生器就發(fā)出一個或數個標準脈沖。機架定位處理器把接受的脈沖數與存儲器中相應的位置編碼相比較，以確定自身的位置。
    為了保證斷層掃描和全身掃描運動時，探頭轉動角度和機架移動距離的精確度，在每次開機后、緊急停止運動后或機架運動出錯后，都要利用計算機機架位置檢測和校正程序，首先進行機架位置自我檢測。當自檢失敗時，都要重新進行機架位置設定，即重新確定各種運動方式的標準脈沖參數。標準參數有3個：角度參數、距離參數和高度參數。手動控制完成以下3個過程并加以確認：①機架或探頭旋轉180°和360°；②直線移動機架100cm；③將探頭和檢查床分別調到最高點和最低點，并確認當探頭處于180°最低位和最高位時，檢查床的最低高度和最高高度，即可建立3個標準參數。然后，再控制機架作各種運動直至運動到正反兩個極限，直到限位脈沖器發(fā)出停止脈沖為止。這樣，計算機通過計算上述平移或旋轉單位距離或角度時，同軸運動脈沖發(fā)生器所發(fā)出的脈沖數，并以此為標準計算運動到正反極限的總脈沖數，即可計算出全程移動的距離或旋轉的角度。