SPECT機(jī)是在γ照相機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備。它的基本構(gòu)造由探頭、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)架、計(jì)算機(jī)及其輔助設(shè)備等三大部分構(gòu)成。它的基本工作原理如圖6-3所示。關(guān)于計(jì)算機(jī)及其輔助設(shè)備等有關(guān)內(nèi)容，將在下一節(jié)中討論。
    一、探頭部分
    1.準(zhǔn)直器
    準(zhǔn)直器是由具有單孔或多孔的鉛或鉛合金塊構(gòu)成，其孔的幾何長(zhǎng)度、孔的數(shù)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(zhǔn)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(gè)方向呈立體空間發(fā)射γ射線，因而要準(zhǔn)確地探測(cè)γ光子的空間位置分布，就必須使用準(zhǔn)直器。它安裝在探頭的最外層，其作用是讓一定視野范圍內(nèi)的一定角度方向上的γ射線通過準(zhǔn)直器小孔進(jìn)入晶體，而視野外的與準(zhǔn)直器孔角不符的射線則被準(zhǔn)直器所屏蔽，也就是起到空間定位選擇器的作用。
    準(zhǔn)直器最基本的性能指標(biāo)是靈敏度和分辨率。所謂準(zhǔn)直器靈敏度是指準(zhǔn)直器接收來自放射源的放射線的能力。所謂準(zhǔn)直器分辨率(空間分辨率)是指準(zhǔn)直器探頭鑒別兩個(gè)緊密相連的放射源的能力，目前多用點(diǎn)源或線源響應(yīng)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，F(xiàn)WHM越小。靈敏度和分辨率呈相反的關(guān)系。要求有較高的靈敏度，往往要以犧牲分辨率為代價(jià)，反之亦然。準(zhǔn)直器的設(shè)計(jì)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(guān)鍵部件。準(zhǔn)直器的性能是直接影響系統(tǒng)性能的主要因素。準(zhǔn)直器的另外一項(xiàng)性能指標(biāo)是間壁穿透率，它反映準(zhǔn)直器小孔之間的間壁屏蔽視野外的與準(zhǔn)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(cè)幾何效率將會(huì)降低；如果太薄，將使影像對(duì)比度降你低。
    按準(zhǔn)直器的形態(tài)結(jié)構(gòu)來區(qū)分，準(zhǔn)直器有以下幾種:

 
圖6-3  SPECT的基本構(gòu)造和工作原理示意圖 

    (1)平行孔準(zhǔn)直器  最常用的一類準(zhǔn)直器。它是由一組垂直于晶體表面的鉛孔組成。每個(gè)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(zhǔn)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(zhǔn)直器的性能由其孔數(shù)、孔徑、孔長(zhǎng)、間壁厚度和準(zhǔn)直器的材料所決定。根據(jù)準(zhǔn)直器適用的γ光子的能量范圍，可將平行孔準(zhǔn)直器分為低能（≤150keV）、中能（150～350keV）和高能（≥350keV）3種。根據(jù)低能準(zhǔn)直器的靈敏度和分辨率可將平行孔準(zhǔn)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(zhǔn)直器之間的距離無關(guān)。
    (2)針孔準(zhǔn)直器  它是單孔準(zhǔn)直器，其成像原理與光學(xué)中的小孔成像原理相同，像與實(shí)物的方向相反。成像的大小與被檢物距離針孔的遠(yuǎn)近有關(guān)，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(guān)，孔徑增大，靈敏度提高，分辨率降低，反之亦然。
    (3)發(fā)散孔準(zhǔn)直器  其優(yōu)點(diǎn)是擴(kuò)大有效視野10%～20%，且視野隨放射源與準(zhǔn)直器距離的增加而增大。其缺點(diǎn)是靈敏度和分辨率較平行孔準(zhǔn)直器差。且隨放射源與準(zhǔn)直器距離的增加而變壞。利用這種準(zhǔn)直器，被測(cè)物被縮小，但并不是所有的部分都受到相應(yīng)的縮小，故產(chǎn)生影像畸變。
    (4)聚焦孔準(zhǔn)直器  其優(yōu)點(diǎn)是可以提高靈敏度和分辨率，但也容易出現(xiàn)影像的畸變。主要適用于總計(jì)數(shù)時(shí)間受限的動(dòng)態(tài)研究。
    2.晶體
    晶體的作用是將γ射線轉(zhuǎn)化為熒光光子。γ射線進(jìn)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(shí)發(fā)射熒光光子，熒光光子的數(shù)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(chǎn)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(dǎo)、光反射物質(zhì)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(yīng)，光子在光陰極上打出光電子。
    目前，大多數(shù)SPECT機(jī)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(qiáng)發(fā)射光譜波長(zhǎng)為4150nm左右，能與光電倍增管的光譜響應(yīng)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(shù)高達(dá)50，所以對(duì)γ射線的探測(cè)效率特別高。但它的主要缺點(diǎn)是容易潮解，必須在密封條件下保存和使用，而且質(zhì)脆，容易碎裂，故使用時(shí)應(yīng)避免大的震動(dòng)和溫度的較大變化，一般室內(nèi)溫度要嚴(yán)格控制在15～30℃之間，每小時(shí)溫差不超過3℃。
    晶體位于準(zhǔn)直器和光電倍增管之間。其準(zhǔn)直器側(cè)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(cè)面(發(fā)光面)用光導(dǎo)玻璃密封，晶體內(nèi)所產(chǎn)生的閃爍光子能順利地進(jìn)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(jī)中也廣為使用。晶體厚度不僅影響SPECT機(jī)的靈敏度和空間分辨率，同時(shí)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(jī)中使用越來越普遍。它可以提高SPECT機(jī)的固有分辨率。最理想的狀況是γ射線進(jìn)入晶體只經(jīng)過一次相互作用就以閃爍光形式發(fā)射出來，這樣產(chǎn)生的閃爍點(diǎn)定位準(zhǔn)確，分辨率好。但實(shí)際情況并非如此，γ射線進(jìn)入晶體后經(jīng)過多次相互作用才被光電倍增管所探測(cè)，這種閃爍點(diǎn)定位不精確，空間分辨率模糊。對(duì)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(zhǔn)直器）的2～5mm內(nèi)。對(duì)此，如果應(yīng)用厚晶體，不僅對(duì)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(yīng)的靈敏度僅損失15％。目前大部分的SPECT機(jī)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(dǎo)
    光導(dǎo)是裝在晶體和光電倍增管之間的薄層有機(jī)玻璃片或光學(xué)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(chǎn)生的閃爍光子有效地傳送到光電倍增管的光陰極上。光導(dǎo)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(dāng)應(yīng)用圓形光電倍增管時(shí)，射入光電倍增管之間間隙內(nèi)的閃爍光便不會(huì)損失。此外，光導(dǎo)的側(cè)面涂有對(duì)熒光反射性能良好的氧化鎂涂劑，以便讓更多的閃爍光進(jìn)入光電倍增管，也可以防止光線從光導(dǎo)的側(cè)面透射到其他光電倍增管的光陰極上。再者，在晶體和光導(dǎo)、光導(dǎo)和光電倍增管之間都充填有光學(xué)硅脂，以排除空氣，減少閃爍光透過兩種光介面時(shí)的損失。光導(dǎo)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(jī)的空間分辨率、線性度、均勻性和靈敏度。因此，上述措施對(duì)提高整機(jī)的性能是很重要的。一般說來，薄的光導(dǎo)提供較好的分辨率，而厚的光導(dǎo)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(chǔ)上發(fā)展起來的一種光電轉(zhuǎn)換器件，它的作用是將微弱的光信號(hào)(閃爍晶體在射線作用下發(fā)出的熒光光子)按比例轉(zhuǎn)換成電子并倍增放大成易于測(cè)量的電信號(hào)，其放大倍數(shù)可高達(dá)106～109。光電倍增管主要由光陰極、多級(jí)倍增極、電子收集極(陽極)組成，整個(gè)系統(tǒng)密封在抽成真空狀態(tài)的玻璃殼內(nèi)。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(yīng)產(chǎn)生一定數(shù)目的光電子。由于光陰極和各級(jí)倍增極之間都加有電壓(高壓電源經(jīng)分壓電阻R供給)，使陰極產(chǎn)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(fù)載電阻RL即得到易于測(cè)量的電壓脈沖。此過程產(chǎn)生的電流量與入射在光陰極上的光子數(shù)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(jī)使用光電倍增管一般為37～91個(gè)，方形或矩形探頭的SPECT機(jī)使用光電倍增管一般為55～96個(gè)。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(dǎo)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(jìn)型，其主要優(yōu)點(diǎn)是去除光導(dǎo)，直接與晶體相貼，消除探測(cè)間隙，提高靈敏度和空間分辨率。這種光電倍增管已經(jīng)逐漸取代圓形光電倍增管和光導(dǎo)。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(gè)光電倍增管的性能參數(shù)是否一致、各個(gè)光電倍增管的工作電壓是否穩(wěn)定以及是否有足夠長(zhǎng)的預(yù)熱時(shí)間，它們直接影響著系統(tǒng)的均勻性、分辨率和線性度。對(duì)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(jīng)整流升壓獲得的，所以SPECT機(jī)都要求有穩(wěn)壓電源。在經(jīng)常停電的地方，還要配備不間斷供電電源(UPS)，以保證SPECT機(jī)的穩(wěn)定性和工作的連續(xù)性。
    5.模擬定位計(jì)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(hào)轉(zhuǎn)換為確定晶體閃爍點(diǎn)位置的X、Y信號(hào)和確定入射γ射線的能量信號(hào)。模擬定位計(jì)算電路一般可分為兩類:一類是最常用的Anger型，即加權(quán)電阻矩陣網(wǎng)絡(luò)型；另一類是延遲線時(shí)間轉(zhuǎn)換型，此型實(shí)際上是前者的改進(jìn)型。模擬定位計(jì)算電路接受來自光電倍增管的電信號(hào)，在此轉(zhuǎn)換成具有一定特征的脈沖信號(hào)。這些信號(hào)的某個(gè)物理量(電壓或時(shí)間)與晶體閃爍點(diǎn)的位置座標(biāo)成一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。Anger型模擬定位計(jì)算電路系將閃爍點(diǎn)的位置座標(biāo)轉(zhuǎn)換為脈沖幅度與之對(duì)應(yīng)的信號(hào);延遲線時(shí)間轉(zhuǎn)換型系將閃爍點(diǎn)的位置座標(biāo)轉(zhuǎn)換為過零時(shí)間與之對(duì)應(yīng)的雙極脈沖信號(hào)?，F(xiàn)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(jì)算電路的工作原理

    圖6-5是Anger型模擬定位計(jì)算電路工作原理簡(jiǎn)圖。圖中7只光電倍增管按六角形排列，每個(gè)光電倍增管通過加權(quán)電阻與X+、X－、Y+、Y－4根輸出導(dǎo)線連接。當(dāng)閃爍事件在晶體內(nèi)發(fā)生時(shí)，閃爍光便從閃爍點(diǎn)位置向四周發(fā)射。最靠近閃爍點(diǎn)的光電倍增管接受的光量最多，距離越遠(yuǎn)，接受的光量也就越少。通過計(jì)算每個(gè)光電倍增管4個(gè)輸出脈沖信號(hào)的相對(duì)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(gè)輸出脈沖信號(hào)被送進(jìn)前置放大電路和Z信號(hào)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(hào)Z脈沖。Z脈沖信號(hào)被送進(jìn)數(shù)字式多道脈沖高度分析器進(jìn)行能量鑒別，以確定此閃爍事件是否為有效閃爍事件。
    二、機(jī)架部分
    SPECT的機(jī)架部分由機(jī)械運(yùn)動(dòng)組件、機(jī)架運(yùn)動(dòng)控制電路、電源保障系統(tǒng)、機(jī)架操縱器及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)顯示器等組成。它的主要功能是：①根據(jù)操作控制命令，完成不同采集條件所需要的各種運(yùn)動(dòng)功能，如直線全身掃描運(yùn)動(dòng)、圓周斷層掃描運(yùn)動(dòng)、預(yù)置定位運(yùn)動(dòng)等；②把心電Ｒ波觸發(fā)信號(hào)以及探頭的位置信號(hào)、角度信號(hào)等通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)傳輸給計(jì)算機(jī)，并接受計(jì)算機(jī)指令進(jìn)行各種動(dòng)作；③保障整個(gè)系統(tǒng)(探頭、機(jī)架、計(jì)算機(jī)及其輔助設(shè)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(jī)架運(yùn)動(dòng)及其控制系統(tǒng)。
  前面已經(jīng)講過，γ照相機(jī)型的SPECT機(jī)兼有四大功能：平面顯像、動(dòng)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(jī)架的運(yùn)動(dòng)過程中完成數(shù)據(jù)采集的，因此需要有高精度和良好穩(wěn)定性的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和定位系統(tǒng)，這也是SPECT質(zhì)量控制的關(guān)鍵之一。
    機(jī)架運(yùn)動(dòng)按其運(yùn)動(dòng)形式分為4種：①整體機(jī)架直線運(yùn)動(dòng)(whole body),此時(shí)探頭處0°或180°，機(jī)架沿導(dǎo)軌作直線運(yùn)動(dòng)，檢查床與導(dǎo)軌平行，主要適用于全身掃描；②探頭及其懸臂以支架機(jī)械旋轉(zhuǎn)軸為圓心，作順時(shí)針或逆時(shí)針圓周運(yùn)動(dòng)，檢查床與導(dǎo)軌垂直，主要適用于斷層采集，此時(shí)探頭傾斜度必須為0°；③探頭及其懸臂沿圓周運(yùn)動(dòng)半徑作向心或離心直線運(yùn)動(dòng)，主要作用是使探頭在采集數(shù)據(jù)時(shí)盡可能貼近病人；④探頭沿自身中軸作順時(shí)針和逆時(shí)針傾斜或直立運(yùn)動(dòng)，主要適用于靜態(tài)或動(dòng)態(tài)顯像時(shí)特殊體位的數(shù)據(jù)采集。在實(shí)際工作中，往往是①、③或②、③聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，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(cè)效率和空間分辨率，但由于機(jī)架的多種運(yùn)動(dòng)使得數(shù)據(jù)采集總時(shí)間稍有延長(zhǎng)。
    機(jī)架運(yùn)動(dòng)按其控制方式分為手動(dòng)控制和自動(dòng)運(yùn)行2種。手動(dòng)控制主要適用于：①數(shù)據(jù)采集前，根據(jù)檢查部位、體位、傾斜角、旋轉(zhuǎn)角等要求，把探頭運(yùn)動(dòng)到指定位置；②在全身或斷層掃描前，必須將預(yù)定探頭運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。如橢圓斷層軌道的預(yù)置四點(diǎn)距旋轉(zhuǎn)中心的最近點(diǎn)的定位；檢查床的高度定位；預(yù)定全身掃描的起始位置等。自動(dòng)運(yùn)行主要適用于全身或斷層采集，根據(jù)預(yù)置運(yùn)動(dòng)條件(起始角度和位置、旋轉(zhuǎn)的總角度和運(yùn)行的總距離等)，在計(jì)算機(jī)的控制下自動(dòng)運(yùn)行并同時(shí)采集每個(gè)角度和位置上的投影數(shù)據(jù)。
    探頭及機(jī)架的各種運(yùn)動(dòng)方式和速度受機(jī)架內(nèi)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(qū)動(dòng)馬達(dá)控制電路；②位置信息存儲(chǔ)器；③定位處理器。定位處理器實(shí)際上是一個(gè)微型計(jì)算機(jī)，它的主要作用是控制探頭及機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng)的角度、移動(dòng)的距離及識(shí)別位置。定位處理器受主計(jì)算機(jī)的控制，并將各種定位數(shù)據(jù)傳輸給主計(jì)算機(jī)。
    在主計(jì)算機(jī)的只讀存儲(chǔ)器(ROM)中有一組標(biāo)準(zhǔn)的位置編碼。每次開機(jī)后，主計(jì)算機(jī)把標(biāo)準(zhǔn)位置編碼傳輸給機(jī)架定位處理器，并儲(chǔ)存在定位存儲(chǔ)器中。在機(jī)架內(nèi)，每種方式的機(jī)械運(yùn)動(dòng)其正反兩個(gè)極限位置均裝有極限脈沖發(fā)生器，當(dāng)運(yùn)動(dòng)滑塊觸及此脈沖器，即發(fā)出停止運(yùn)動(dòng)脈沖。在每個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的后部都裝配有同軸運(yùn)動(dòng)脈沖發(fā)生器，只要馬達(dá)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，脈沖發(fā)生器就發(fā)出一個(gè)或數(shù)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)脈沖。機(jī)架定位處理器把接受的脈沖數(shù)與存儲(chǔ)器中相應(yīng)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(yùn)動(dòng)時(shí)，探頭轉(zhuǎn)動(dòng)角度和機(jī)架移動(dòng)距離的精確度，在每次開機(jī)后、緊急停止運(yùn)動(dòng)后或機(jī)架運(yùn)動(dòng)出錯(cuò)后，都要利用計(jì)算機(jī)機(jī)架位置檢測(cè)和校正程序，首先進(jìn)行機(jī)架位置自我檢測(cè)。當(dāng)自檢失敗時(shí)，都要重新進(jìn)行機(jī)架位置設(shè)定，即重新確定各種運(yùn)動(dòng)方式的標(biāo)準(zhǔn)脈沖參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)有3個(gè)：角度參數(shù)、距離參數(shù)和高度參數(shù)。手動(dòng)控制完成以下3個(gè)過程并加以確認(rèn)：①機(jī)架或探頭旋轉(zhuǎn)180°和360°；②直線移動(dòng)機(jī)架100cm；③將探頭和檢查床分別調(diào)到最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，并確認(rèn)當(dāng)探頭處于180°最低位和最高位時(shí)，檢查床的最低高度和最高高度，即可建立3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。然后，再控制機(jī)架作各種運(yùn)動(dòng)直至運(yùn)動(dòng)到正反兩個(gè)極限，直到限位脈沖器發(fā)出停止脈沖為止。這樣，計(jì)算機(jī)通過計(jì)算上述平移或旋轉(zhuǎn)單位距離或角度時(shí)，同軸運(yùn)動(dòng)脈沖發(fā)生器所發(fā)出的脈沖數(shù)，并以此為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算運(yùn)動(dòng)到正反極限的總脈沖數(shù)，即可計(jì)算出全程移動(dòng)的距離或旋轉(zhuǎn)的角度。