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y 相机数据采集系统设i 中文摘要 y 相机( g a m m ac a m e r a ) 是一种重要的核医学显影诊断仪器，是现代核医学中最 基本、最重要的影像设备之一。 y 相机利用核素在人体内的密度分布及其变化成像，不仅可以反映人体系统的结 构特点；同时，还可以进行功能成像。由于放射性核素标记的药物参加到新陈代谢， 即参加到人体的生理及生化过程中，y 相机就可以利用核素来显示出人体生理的变化 情况及变化速度。在核医学领域中，y 相机主要用于心、脑、肾、肺等器官的动态研 究以及各脏器的疾病诊断，是诊断肿瘤和循环系统疾病的重要设备。” y 相机主要由前端电子学电路、数据采集系统以及数据处理系统组成。探头电路 和前端电子学电路收集初步的数据信息，数据采集系统根据用户的不同要求对这些数 据信息进行采集并传输至主计算机，运行在主计算机上的数据处理系统对传递的信息 进行相应的数据处理，并在屏幕上显示采集数据形成的各种不同的医学图像。” 本文着重介绍了y 相机数据采集系统设计。它是整个y 相机系统的重要组成部 分，起着采集传输枢纽的承上启下的作用，其主要任务是在数据采集和数据传输的过 程中以各种不同的数据采集模式采集y 事件信息以满足医学诊断要求。 论文的第一章是绪论部分，介绍了什么是y 相机以及y 相机的各组成部分，同时 还介绍了本论文所要研究的主要内容和具体的工作。 论文的第二章介绍了丫相机系统的工作原理，以及各个子系统的功能。 论文的第三章是本论文的重点，主要介绍了如何基于p c i 9 8 1 0 数据采集卡实现y 相机数据采集系统的设计，着重介绍了各个采集模式( 静态采集模式、动态采集模式、 全身扫描采集模式以及心电门控采集模式) 的工作原理以及实现方式。另外，还介绍 了适用于y 相机心电门控采集模式的心电r 波提取算法，这也是本论文的一个创新 点。 论文的最后一章介绍了y 相机系统测试功能的程序实现。 关键词：y 相机数据采集心电门控r 波检测 y 相机数据采集系统设计 t h ed e s i g no fg a m m ac a m e r ad a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m a b s t r a c t g a m m ac a m e r ai sa ni m p o r t a n td i a g n o s t i ci n s t r u m e n ti nn u c l e a rm e d i c a lf i e l d a n di ti s o n eo f t h em o s tb a s i ca n di m p o r t a n ti m a g ei n s t r u m e n t si nm o d e mn u c l e a rm e d i c a l g a m m ac a m e r au t i l i z e st h ed e n s i t yd i s t r i b u t i n go ft h en u c l i d ea n di t sm o v e m e n tt o f o r mi m a g e s n o to n l yi tc a l lr e f l e c tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fh u m a n c o n f i g u r a t i o n ，b u ta l s oi t c a nf o r mi m a g e so f h u m a no r g a n s f u n c t i o n m e d i c i n e st a g g e db yr a d i o n u c l i d et a k ep a r ti n h u m a nb o d y sm e t a b o l i s m ，t h a ti st os a y , t h e yt a k ep a r ti nh u m a nb o d y sp h y s i o l o g i c a l p r o c e s s ，t h e ng a m m ac a m e r au t i l i z e s t h en u c l i d et oi m a g et h ec h a n g e so fh u m a n s p h y s i o l o g y i nn u c l e a rm e d i c a la r e a ，g a n u n ac a m e r ai sm a i n l yu s e dt ot h ed y n a m i c r e s e a r c ha n dd i s e a s ed i a g n o s e so fm a n yo r g a n s ，s u c ha sh e a r t ，b r a i n ，k i d n e y , l u n g sa n ds o o n i ti sa ni m p o r t a n ti n s t n m a e n tt od i a g n o s ed i s e a s e so f t u m o ra n dc y c l es y s t e m g a m m ac a m e r ai sc o m p o s e do ff o r e p a r te l e c t r o n i c sc i r c u i t ，d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m a n dd a t ap r o c e s ss y s t e m t h ef o r e p a r te l e c t r o n i c sc i r c u i tg a t h e r so r i g i n a ld a t ai n f o r m a t i o n ， a n dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mc o l l e c t st h e s ed a t ai n f o r m a t i o nb a s e do nt h ed i f f e r e n tr e q u e s t s o fu s e r sa n dt r a n s f e r st h e mt om a i nc o m p u t e r t h e nd a t ap r o c e s ss y s t e mr u n si nm a i n c o m p u t e rd os o m ec o r r e s p o n d i n gd a t ap r o c e s s i n g ，a n dd i s p l a yt h ed i f f e r e n ti m a g e sf o r m e d b yp r o c e s s e dd a t ai n f o r m a t i o no ns c r e e n t h i st h e s i se m p h a s i z e di n t r o d u c e st h ed e s i g no fg a m m ac a m e r ad a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mb a s e do np c i 9 8 1 0d a t aa c q u i s i t i o nc a r d i ti st h ei m p o r t a n tp a r to fw h o l eg a m m a c a m e r as y s t e m ，a n di t sp r i m a r yf u n c t i o ni st oa c h i e v ev a r i o u sd a t aa c q u i s i t i o nm o d ei nt h e p r o c e s so f d a t aa c q u i s i t i o na n dd a t at r a n s p o r t a t i o n t h ef i r s tp a r to ft h et h e s i si sp r o l e g o m e n o n i ti n t r o d u c e sw h a tg a m m ac a m e r ai sa n dt h e c o m p o n e n t so fg a m m ac a m e r a , a sw e l la st h em a i nc o n t e n ta n ds p e c i f i cr e s e a r c hw o r ko f t h i st h e s i s t h es e c o n dp a r to f t h et h e s i si n t r o d u c e st h ew o r kt h e o r yo f g a m m ac a m e r as y s t e ma n d e a c hs u b s y s t e m sf u n c t i o n t h et h i r dp a r ti st h ee m p h a s i so ft h et h e s i s i tm a i n l yi n t r o d u c e sh o wt or e a l i z et h e 1 y 相机数据采集系统设计 d e s i g no fg a m m ac a m e r ad a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do np c i 9 810d a t aa c q u i s i t i o nc a r d ， a n dm a k e se m p h a s i so nt h ew o r kp r i n c i p l ea n dt h ew a yt oa c h i e v ei t sf u n c t i o no fe a c hd a t a a c q u i s i t i o nm o d e ，i n c l u d i n gs t a t i cd a t aa c q u i s i t i o nm o d e ，d y n a m i cd a t aa c q u i s i t i o nm o d e ， s y s t e m i cs c a l ad a t aa c q u i s i t i o nm o d ea n dc a r d i a cg a t i n gd a t aa c q u i s i t i o nm o d e e s p e c i a l l y , i ti n t r o d u c e sc a r d i a cr w a v ep i c k u pa f i t l m a e t i cw h i c hi so n eo fi n n o v a t i v ep o i n ti nt h i s t h e s i s t h el a s tp a r to ft h et h e s i si n t r o d u c e st h er e a l i z a t i o no fg a m m ac a m e r as y s t e mt e s t i n g f u n c t i o nt h r o u g hp r o g r a m m i n g k e yw o r d s ：g a m m ag a r l l e r a ，d a t aa c q u i s i t i o n ，c a r d i os i g n a l ，g a t i n g ，r - w a v ep i c k - u p 4 。蕊数黧恐 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄袭等 违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切法律责任 和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ： 饿 2 0 0 5 年0 5 月2 0 日 y 相机数据采集系统设计 引言 核医学是一门正在迅速发展的边缘性学科，它是原子能利用的一个重要方面，是 现代医学诊断、治疗和研究工作中的重要组成部分，它的普及应用和提高对医学事业 的发展和医学现代化起着决定性的作用。“本课题研究的y 相机就是应用于核医学的 一种医疗诊断仪器。 目前，研制y 相机的技术国内与国外相比尚有较大差距，国内使用的y 相机大部 分是从国外引进，价格比较昂贵。我们进行此课题研究的目的就是研制出国产的具有 价格竞争优势的y 相机，降低y 相机的成本，使其满足国内中小医院的购买力。 本人在_ l r 相机的课题研制中主要承担了y 相机数据采集系统和y 相机系统测试 程序的设计任务，同时也参与了y 相机前端电子学系统的设计。 本论文的主要创新点在于提出了适用于y 相机心电门控采集模式的心电信号r 波 提取算法以及适用于小型y 相机的全身扫描模式的程序实现。 y 相机数据采集系统没计 第一章绪论 核医学是核技术与医学结合而产生的一门新兴学科，是一门利用放射性核素发射 的核射线对疾病进行诊断、治疗及研究的学科。核医学这门学科随着核技术、医学及 有关学科的发展，各学科之间的不断互相渗透，互相结合，内容不断扩大与深化，现 在已成为集中了核物理、高能物理、电子学、物理、化学、生物学、基础医学、临床 医学和工程最新成就的学科5 。核医学影像是以功能和代谢为主要特征的图像，这是 其他医学图像所不具备的特征，一般来说，人体的功能和代谢变化要比病理形态变化 早3 6 个月，因此核医学影像相对于m r i 和c t 来说有更高的实用价值。“ 1 9 5 7 年h a l 0 a n g e r 研制成功第一台y 相机，这是核医学发展史上一个重要里 程碑。y 相机在6 0 、7 0 年代得到迅速发展“。我国的核医学仓4 建于2 0 世纪5 0 年代 末，大约用了近l o 年的时间推广和普及，7 0 年代进入迅速发展阶段，8 0 年代初至 2 0 世纪末经历了一个高速发展的时期“。据调研，国内使用的y 相机大部分是从国 外引进，价格比较昂贵，而且，小型的y 相机在我国具有较大的市场，因此，研制图 产的小型y 相机就显得非常迫切和必要。 1 _ 1y 相机的系统结构及工作原理 一般来说，y 相机系统大致可分为三部分：前端电子学电路( 探头电路系统) 、 数据采集系统和数据处理系统。 准直器碘讫钠t 铊) 晶体，光电倍增管。茕i 放大 电路程控放大电路位置屯路能密选择电路等 伽码射线 i 枉信号( x ，y ，z ) a i d 转换，数据采集，数据信息主寄存皿 匝幻圃 图1y 相机系统构成 4 酉像实时显示 矗；黾 存入数据库 l j y 相机数据采集系统设计 其中，前端电子学电路由准直器，碘化钠晶体，光电倍增管，前置放大电路，加 权电路，脉冲成形和主放大电路，位置电路，能量电路( 脉冲幅度分析电路) 等组成。 “”数据采集系统主要出两块数据采集卡p c i 9 8 l o 和d a q 2 2 1 3 以及相应的软件程序组 成，其主要完成的功能是进行a d 转换，并根据用户的不同需求进行不同模式的数据 采集，最后将采集的数据信息通过p c i 总线传递给主计算机。数据处理系统主要针对 传入主计算机中的数据进行必要的各种数据校正，然后就存入数据库并实现图像实时 显示。 位 亲肇 数据鬟臻螽统 信量 g m $ “ 息信 图2y 相机工作原理简图 阐 闰 首先，向病人体内注入标记着放射性核素的药物，经过一段时间后，病人体内的 放射性核素辐射出的y 射线经准直器后打在碘化钠晶体上。由于一个y 光子进入碘化 钠晶体，就能使一个晶体光子激发而产生闪烁荧光。此荧光入射到光电倍增管的阴极， 通过光电转换产生光电子，其数目与入射荧光光予的数目成正比。光电子经过光电倍 增管的多极倍增后，入射到光电阳极，立刻产生一个电位降，随即，阳极电位又恢复 为原有水平，这样就产生一个瞬间的负电压脉冲。”这个脉冲再经过前置放大电路， 程控放大电路后进入位置电路形成位置信号x ，y ，以及能量信号z 。此三路信号经数 据采集系统进行数据采集以及a d 转换，并输出到主计算机中，再由数据处理系统对 这些信号进行数据校正，其中包括线性校j 下和均匀性校正。校正后的数据送入数据库 或实时显示。 y 相机数据采集系统设计 图2 中虚线所示的即为本论文的主要内容：y 相机数据采集系统。y 事件的位置 信息x ，y 以及能量信息z ( y 相机用于心脏方面的检测时，还需接上心电仪，进行 心电门控信息采集，其中心电信号的采集是由d a q 2 2 1 3 数据采集卡实现的) 。这些信 号均在数据采集系统中执行a d 转换。用户从y 相机的主控界面上设置数据采集模式 及一些采集的初始化参数( 采集总数据量或总时间，采集帧数，触发源，触发模式等) ， p c i 9 8 1 0 数据采集卡根据这些参数进行初始化，再把转换后的数据通过p c i 总线传输 给计算机进行数据校正。 1 2y 相机的特点 y 相机和其他医学影像仪器相比，有以下特点： l 、疾病的早期诊断 当疾病处于早期变化阶段时，其病变区的形态结构并未呈现异常变化，因此，用 普通的核磁共振( m r i ) ，c t 等结构成像的仪器检查无法发现病灶，因此无法进行早 期治疗，进而延误病情，而y 相机可以实现功能成像，即可以对人体的功能和代谢成 像。人体的功能和代谢变化要比病理形态变化早3 6 个月，因此，y 相机可以实现 疾病的早期发现和早期诊断。 2 、各种显像模式可满足用户不同要求 y 相机数据采集模式的多样化决定了y 相机数据显示方式的多样化。 y 相机的显像方式包括：( 1 ) 静态显像，用于观察被检器官的位置、形态、大小 和放射性分布情况，如增高，降低，正常或缺损。( 2 ) 动态显像，是一种按一定时间 间隔快速采集脏器动态变化的成像方式，适用于观察图像的连续变化或获得器官的时 间一计数曲线以计算功能参数以及各脏器的血流显像与功能研究。( 3 ) 心电门控显像， 主要用于心脏显像，利用心电r 波作为图像采集的门控信号，得到心动周期的心脏动 态变化图像。( 4 ) 全身显像，用于超出探头视野的扫描显像，如全身骨扫描显像。这 种显像方式对检查恶性肿瘤病人是否骨转移具有重要意义。” 3 、指导治疗、评价疗效 y 相机数据采集系统设计 大量的临床应用已经显示，y 相机不仅对循环系统疾病及肿瘤的诊断和鉴别诊 断、判断肿瘤复发有至关重要的价值，而且对于指导治疗有极大的帮助，包括选择治 疗方案，监测治疗反应，评价治疗效果等等。 4 、安全性好 y 相机所选用的放射性核素为超短半衰期核素( 2 分钟1 1 0 分钟) ，且示踪剂量 小，经过物理衰减和生物代谢两方面作用，注入人体后会很快从受检者体内排出，因 而安全可靠。 1 3 本论文研究的内容 在整体y 相机系统的设计中，本人主要参加了y 相机前端电子学系统的总体设 计，并独立完成了y 相机数据采集系统的设计。其中，设计出了适用于本数据采集系 统心电门控采集模式的心电r 波提取算法，这也是本论文的一个创新点。 y 相机数据采集系统的设计包括4 种采集模式( 静态采集模式、动态采集模式、 心电门控采集模式和全身扫描采集模式) 的设计以及编程实现。其中，y 相机心电门 控采集模式的设计中需要使p c i 9 8 1 0 数据采集卡和d a q 2 2 1 3 数据采集卡同步采集， p c i 9 8 1 0 数据采集卡采集y 相机前端电子学电路传递的数据信息，d a q 2 2 1 3 数据采集 卡采集心电仪传递来的心电信号。y 相机采集的数据信息需要根据同步采集的心电信 号中的r 波信号进行分帧存储并累计，最终呈现心电周期的动态显示图像。 y 相机的数据采集系统在整个y 相机系统中处于一个承上启下的位置，起着采集 数据信息并传递数据信息的枢纽作用，因此，y 相机数据采集系统的设计及编程工作 在整个y 相机系统设计中占据着举足轻重的位置，它设计的好坏与否以及工作的实时 和稳定与否决定着y 相机的系统性能的好坏，因此，本论文的研究内容和工作对整个 y 相机系统来说是至关重要的。 另外，本人还利用p c i 9 8 1 0 数据采集卡编写了y 相机的系统测试程序，也可以看 成是一个多道分析程序。它可以完成y 相机探头及光电倍增管的全能峰测试，y 相机 后续的程控放大电路必须据此测试得到的结果进行程控放大倍数的设置与调整，以提 高系统的可靠性。 7 y 相机数据采集系统设计 第二章y 相机系统简介 2 1y 相机系统设计原理 放射性同位素或其标记物在被引入体内之后，或是被某一脏器的某种细胞摄取和 聚集、或是经由某一脏器的某种细胞清除和排出、或是参与某一代谢过程、或是简单 地在某一生物区积存等。由于放射性同位素发射能穿透组织的放射线，用放射性探测 器可以很容易地在体表定量探测到它的所在，从而把上述种种过程定量地显示出来。 经过大量试验，用统计学方法求出正常规律、正常值、变异范围和某些疾病的异常特 点，根据这些规律和特点对这些疾病进行诊断。y 相机就是利用上述原理研制的。 y 相机中使用的放射性同位素为9 叮c ，它所发射的放射性射线为y 射线能量大 约在1 4 0 k e y 左右。要对上述的y 射线进行采集以及后续的放大、能窗选择等处理需 要有相应的硬件电路及软件系统的支持。本章所要介绍的内容即为y 相机各子系统的 工作原理以及各子系统之间的联系。 2 2y 相机前端电子学系统 图3y 相机前端电子学系统简图 y 相机数据采集系统设计 y 相机的前端电子学系统，如图3 所示，包括探头系统、前置放大电路、程控放 大电路、位置电路、能窗选择电路、单片机系统等组成，主要完成的工作是捕捉病人 体内放射出的y 射线，并把其转换成电信号，再经过放大，能窗选择等初步处理，得 到捕捉的y 射线打在探头部分的n a i ( t 1 ) 晶体上的准确位置信息以及能量信息，交 于数据采集系统进行特定的数据采集与传输。 下文将对各个子系统进行简单的描述，主要介绍其设计原理与系统组成。 2 2 1 探头电路 y 相机的探头是图像采集的关键设备，主要功能是将探测到的射线转换为电信 号，其组成主要有准直器、n m ( t i ) 晶体和光电倍增管等。探头电路的工作原理为： y 射线经过准直器入射到n a i ( t 1 ) 晶体上，使晶体产生闪烁荧光，位于晶体后的光 电倍增管将闪烁荧光转换成光电子并倍增放大后以电脉冲信号的形式输出。脉冲的高 度正比于射线的能量，单位时间的脉冲个数正比于射线的强度。接着，将脉冲送往电 子学线路和计算机系统，经分析处理后得到放射性分布图像。“ 下面简单介绍一下探头电路各组成部分的功能： l 、准直器 准直器的作用是准直射线，一般由重金属铸成。依据准直的放射性能量的不同可 分为低能、中能和高能三种，能量探测范围为4 0 k e v 5 1 l k e v 。y 相机中使用的放射 性核素”t c 辐射的y 射线能量为1 4 0 k e y ，一般选用低能准直器。根据不同的图像要 求，准直器又可分为高灵敏度型、高分辨型、通用型、针孔型和扇形准直器等。高灵 敏度型主要用于动态显像，高分辨型是用于平面和全身显像等要求图像分辨率高的检 查，通用型为上述两者兼顾，针孔型用于小脏器检查，扇形准直器是近年来新研制的 超高分辨聚焦型准直器，是用于脑和心肌显像。“ 2 、闪烁体 闪烁体是将辐射能转换为光能的介质，理想的闪烁体应具有：辐射能转换成光能 的效率高，线性关系好：闪烁体对本身所发射的光是透明的；易于制成各种大小和形 y 相机数据采集系统设计 状；光的衰减时问短，对辐射的阻i e 本领高等特性。” 在y 相机系统中使用的闪烁体为n a i ( t 1 ) 晶体，它是以铊为激活剂的单晶体 主要用于y 射线的测量。“” 3 、光电信增管 光电倍增管是利用光电效应和二次电子发射制成的，将微弱光转换成电信号的真 空管。它由光阴极、打拿极( 倍增极) 、阳极组成。 为了使闪烁体发出的荧光大部分能被光阴极收集，须在闪烁体与光电倍增管相连 接的一面加一层“光导”，其他各面包一层“反射体”，使射出的光子能反射回去。常 用的光导材料为硅油，常用的反射体为铝制品。“” 在y 相机系统的设计中，我们采用了3 7 只光电倍增管组成直径约3 0 0 m m 3 5 0 m m 的探头。 4 、高压电源 光电倍增管必须有外加直流电压才能工作。一般是将交流电经变压整流和稳压电 子学装置，供给所需高压电源。 5 、单片机控制电路 _ r 相机的探头设计为智能化探头，它可以通过用户交互界面或手柄来控制探头的 前进、后退、上升、下降或旋转。而且，还会实时向主控计算机反馈探头部分的温度 值以及电压，使用户可以及时了解探头部分的工作情况以便在探头出现过热或电压过 高时，及时采取措旌以保护y 相机的正常工作。控制探头的运动以及向主控计算机反 馈探头信息的功能都是由单片机电路实现的。 2 2 2 前置放大电路 从光电倍增管输出的脉冲一般都比较弱，为了保证信号能准确地输入到主放大 器，常采用射极跟随器作为前置放大器。射极跟随器具有功率放大作用，能将探头电 路部分输出的微弱信号放大，并将信号传送到程控放大器。“”前置放大器一般与探头 y 相机数据采集系统设计 电路封装在一起，主要任务是信号预放大和阻抗匹配，避免信号在传送过程中的损失 和畸变。” 本y 相机系统有3 7 支光电倍增管，因此，有3 7 路信号先进入各自的前置放大器 中进行前置放大，前置放大倍数大约为1 0 倍，放大后的信号再分别进入各自的程控 放大器中。 2 2 3 程控放大电路 由于光电倍增管本身性能的差异，其输出的信号在相同的输入条件下，输出幅值 很可能差距较大。因此需要针对不同的光电倍增管设置不同的放大倍数，使其在相同 输入条件下，输出基本一致。此功能即由程控放大电路实现。 程控放大电路是本y 相机系统一个特色。它是由两通道增益可控放大器a d 6 0 0 和8 位数模转换器m a x 5 2 9 以及单片机电路组成。在系统初始化时，把存储在单片机 电路中的各光电倍增管的程控放大倍数( 数字) 传送给d a 芯片m a x 5 2 9 ，由m a x 5 2 9 把数字的放大倍数转换为a d 6 0 0 可接受的模拟电压再传给a d 6 0 0 。因为程控放大器 a d 6 0 0 在未接入增益控制电压时，其增益为2 0 d b ，因此，我们选用2 路m a x 5 2 9 的输 出电压控制l 路a d 6 0 0 的增益( 即一路控制增益的增加，一路控制增益的下降) ，这 样，a d 6 0 0 的增益放大倍数范围为o 4 0 d b ，增大其可调范围。而初始化时单片机内 存储的程控放大倍数是由y 相机系统测试程序对各个光电倍增管的性能参数进行检 测，再根据3 7 个管子的性能参数计算出其所需放大的倍数，然后由主控计算机通过 串行口把3 7 个管子的放大倍数分别传给单片机电路。那么，在y 相机系统初始化时， 就可以调用单片机电路预存储的程控放大倍数对程控放大电路进行初始化。 另外，当设备运行一段时间后，还应对设备进行校准，调整程控放大倍数。首先 在探头前放置一均匀面源，通过y 相机测试电路以及系统测试程序对这个均匀面源进 行成像。此时，成像也应该是一幅均匀的图像。若出现不均匀的图像，就由软件判断 应该调整哪个光电倍增管的放大倍数，再把得出的结果( 需要调整的管子的编号以及 调整的放大倍数) 通过计算机串行口传递给控制程控放大器的单片机电路，以此达到 矫正y 相机特性参数的作用。 y 相机数据采集系统设计 2 2 4 位置电路 位置电路，顾名思义，就是对经过程控放大后的3 7 路信号进行一定的由硬件实 现的运算、处理等，从而得到准确的入射光子的位置信息、能量信息的硬件电路。它 主要由电阻加权网络和加法电路除法电路组成的。经过位置电路后，得到的信息为y 事件的位置信息x 、y 和能量信息z 。 当光子打在光电倍增管阵列的边沿上时，位于边缘的光电倍增管产生边缘效应引 起系统的非线性误差，因此，在设计电阻加权网络时考虑到系统的边缘效应，适当的 调节位于边缘的光电倍增管的加权电阻，以减少其非线性误差。 2 2 5 能窗选择电路 光电倍增管输出的信号经前置放大器和程控放大器后变成电压脉冲，其幅度反映 了y 光子沉积在晶体中的能量。测量输出电压脉冲的幅度，就可以确定它的能量；选 择幅度在某一范围的脉冲，也就筛选出了能量在相应范围内的y 光子。这也就是通常 所说的能窗选择。 自然环境中存在着各种放射性辐射，它们的能谱很宽，可能会被仪器探测到，构 成测量数据中的“环境本底”，这是我们不希望的。来自检测核素以外的y 光子也可 能经过散射，改变方向后进入探测器，这类y 事件所构成的散射本底也会干扰测量结 果。所以用能窗选择电路进行能量筛选，也可以排除来自靶器官以外的康普顿散射事 件造成的干扰。 另外，若有两个y 光子同时打到晶体，这时光电倍增管所采集到的信息对应的能 量就会非常大，这样的能量并不能反映出y 光子的准确位置，因此，需要把这样的信 息滤出。能窗的主要功能就是滤出环境本底以及异常的信息。一般来说，若y 光子的 能峰为1 4 0 k e y 的话，那么，能窗通常选择2 0 的范围。 再者，由于对不同的病灶进行显像需要用到不同的核素，那么，不同的核素所发 射出来的y 射线的能量就会有差异，如锝9 9 所发射出的y 射线的能量为1 4 0 k e y ，钴 5 7 所发射出的y 射线能量为1 2 2 1 k e v ，因此，我们需要针对不同的病灶所使用的不 同的核素选用不同的能窗来对其进行甄别。 y 相机数据采集系统设计 首先，由用户在主控计算机的操作界面上选择所用的核素以及能窗的范围，通过 计算机串行口把用户的选择信息传递单片机，并由单片机把能窗阈值信息分配给能窗 选择电路的上阈锁存器和下阈锁存器，再通过锁存器同时把上下阈数值送入数模转换 器，把数字的阈值转换成相应的模拟电压，然后把模拟电压送入电压比较器与能量信 号进行比较，这时，只有当能量信号在上卜i 闽之i 剐时才有输出。也就是说，这个电路 把位于上下阈值之间的能量信号给保留了下来，而把其他的信号滤除出去了，从而实 现了能窗的选择和限制作用。 2 3y 相机数据采集系统 y 相机有多种成像方式：静态显像、动态显像、门控显像和全身显像，因此，与 多种成像方式相对应，就需要有多种数据采集模式。y 相机数据采集系统根据用户选 择的不同的成像方式来完成相应的数据采集，它是整个y 相机系统的采集和传输枢 纽，是y 相机重要的组成部分，一旦y 相机数据采集系统不能及时准确地完成数据采 集，那么y 相机的准确性和实时性就会受到非常大的影响，导致系统性能的降低甚至 失效。 本论文的论述重点就是基于p c i 9 8 1 0 数据采集卡的y 相机数据采集系统的设计， 它包括四种数据采集模式：静态采集模式、动态采集模式、心电门控采集模式和全身 扫描采集模式，其中，心电门控采集模式还需使用d a q 2 2 1 3 数据采集卡。 本小节简单介绍一下各种采集模式的用途，其工作原理以及实现方法将在后面的 章节中详细叙述。 y 相机静态采集模式主要用于y 相机的静态显像，其所得影像清晰可靠，多用作 观察脏器和病变的位置、形态、大小和放射性分布。y 相机动态采集模式主要用于y 相机的动态显像，用于观察图像的连续变化或获得器官的时间一计数曲线以计算功能 参数。_ r 相机全身扫描采集模式主要用于y 相机的全身骨显像、骨髓显像和下肢动脉 显像等大范围的成像。y 相机数据采集系统中的心电门控采集模式主要应用于心脏显 像，观察一个心动周期的心脏动态变化图像。“” 2 4y 相机数据处理系统 y 相机数据采集系统设计 y 相机由于本身存在的一些缺陷造成其采集的数据有一定的误差，那么，在y 相 机数据采集系统中就要首先对这些数据进行误差的校正，然后再进行相应的图像处 理。因此，y 相机数据处理系统包括两大部分：数据校正和图像处理。 2 4 1y 相机数据校正 y 相机总的说来有4 个不足之处，分别是： 1 、y 相机的图像非线性 y 相机计算图像位置采用的是光电倍增管的能量输出加电阻权重，这种位置与能 量依赖关系决定了y 相机存在一些基本的难以克服的缺陷。首先是位置非线性，位置 非线性指的是一个放射性的点源沿探头表面移动时，x 、y 位置坐标的变化不与点源 移动距离成比例。点源从光电倍增管的边缘向中心移动时，中心的光收集效率高，边 缘的光收集效率低，结果造成一均匀泛源影像在光电倍增管中心成热区，光电倍增管 之间成冷区。如果用一线源成像，则线源影像呈波浪式分布，此种现象即为y 相机的 图像非线性。 2 、y 相机的图像非均匀性 y 相机非均匀性有许多原因造成，主要原因是探测效率的非均匀性和非线性。探 测效率的非均匀性是由于每一个光电倍增管的能谱不一致造成的；非线性是由于位置 信号发生了畸变，造成图像明显“冷区”和“热区”。除上述两种原因之外，其他原 因也可造成非均匀性，如探头边缘效应等。 3 、固有空间分辨的极限 y 相机的固有分辨由探头本身性能( 不带准直器) 和相关电子线路决定。两个主 要因素限制了固有空间分辨：探头内的多次散射及光子的统计涨落。假如一个光子在 探头中经过散射后再被探测，则位置发生偏移。散射对空间分辨的影响与晶体厚度、 射线能量有关。低能放射性核素，晶体越厚空间分辨越差。光子的统计涨落对空间分 辨的影响与y 相机的原理有关。本v 相机的位置信号为模拟信号，与光子能量有关。 n a i 晶体的光子转化为电子的效率很低，1 4 0 k e y 的y 光子1 0 0 0 个仅能转化成3 0 个光 1 4 y 相机数据采集系统设计 电子，然后这些光电子再经p m t 倍增形成x ，y 位置信号。此外，同一位置点的v 光 子数也是随机变化的，其大小遵从泊松统计分布。由于上述原因，即使一个很聚焦的 闪烁点打击到晶体上，最终产生的影像位置也不是一个点，而是一个小圆盘，这个圆 盘的半径就是y 相机探头固有分辨的极限。 4 、准直器的影响 准直器给_ r 相机的影像带来许多限制和缺陷，主要包括空间分辨、灵敏性和非均 匀性。使用准直器的结果是降低了y 相机的空间分辨和灵敏度，增加了非均匀性。准 直器的空间分辨是由准直器的孔大小决定的，即使一个很小的孔，点源通过后所成的 影像也是一个小圆盘，其半径就是准直器的空间分辨。系统空间分辨为固有空间分辨 和准直器空间分辨的平方和再开方。准直器增加影像的非均匀性与它的机械加工的工 艺水平有关，壁间隔、孔大小、孔的垂直性等的一致性都会对影像的非均匀性造成影 响。 上述所讲的y 相机的缺陷有的可以校正，有的则不可以校j 下。例如y 相机的固有 分辨和探测位置的不准确性，准直器的空间分辨和灵敏度都是不可以校j 下的，可以校 正的主要是非均匀性和非线性两项。那么，我们设计的y 相机的数据校正就包括以下 两方面的校正： 1 、非均匀性校正 非均匀性最简单的校正是调节光电倍增管的增益，这一校正包括手动校正和计算 机自动校正两种。这种校正的主要方式就是调节每一光电倍增管的能峰。比较普遍采 用的均匀性校正方法是用一微处理器来完成，先采集均匀泛源的静态图像，建立一 校正矩阵，校正矩阵的每个单元实际上是一些大于1 或小于l 的校正因子。探头灵 敏度低的区域存放一个大于i 的因子，探头灵敏度高的区域存放一个小于1 的因子， 采集病人数据时，用该校正矩阵进行实时校正。 需要说明的一点是，每一个光电倍增管的能峰标定都是由基于p c i 9 8 1 0 数据采集 卡编写的y 相机系统测试程序( 将在第四章中详细叙述) 完成的，而此能峰标定一般 在系统连续运行几个月或半年时进行一次。标定好的能峰值在系统初始化时由主计算 机通过串行口传送给控制程控放大器的单片机，再由单片机传送给程控放大器，从而 y 相机数据采集系统没计 控制每个光电倍增管输出信号的放大倍数，这可以说是系统非均匀性校正的粗调。另 外，可由软件在测得的能峰值附近对相应的校正矩阵作细微的调整，这种调整可看作 是对系统非均匀性校正的细调。 2 、非线性校正 对于不同能量有不同的线性校正模型，线性校正模型有线条型及正交方块型两 类，不管采用哪一类，都是用一均匀泛源采集线性模型的静念泛源图像，从该泛源图 像数据中拟合出模型的标准几何位置及各点相对于该几何位置的位置畸变x 或 y ，将各点的x 和y 汇集起来建成一个线性校正图。当采集病人数据时，用该线性 校正图对病人数据进行非线性校正。线性校j 下表建立好之后一般不需要改变，可使用 很长时间。“” 2 4 2y 相机图像处理 y 相机的图像处理，简单的说，可分为四大类，其中包括：图像显示、图像运算、 感兴趣区分析以及曲线处理。下面就简单介绍一下这四种功能。 l 、图像显示 选择适当的色表并调节显示上闽和下阈，以便视觉图像分析。 2 、图像运算 适当的图像运算如叠加、相减、增强、平滑、图像的拷贝、移动、放大、缩小、 数值计算、多帧图像四则运算、图像的归一化处理等，有助于图像的视觉分析以及定 量和半定量计算。“” 3 、感兴趣区分析 r o i ( 感兴趣区分析) 技术是核医学图像处理常用的一种方法。在显示器上利用 线段将人们关心的部分勾画出一个封闭的区域，计算这一区域的放射性计数、面积、 最大的像素计数，比较感兴趣区的计数、获取功能参数图像等，经过数学处理可得到 定量定性分析结果。 6 y 相机数据采集系统设计 4 、曲线处理 动态图像的采集使人们可通过一系列的图像分析脏器的功能和血流变化，同时， 也可利用r o i 技术将多帧的脏器图像勾画出来，应用曲线处理软件产生时问一放射性 曲线，通过对曲线的定量分析，得到反映脏器功能的定量指标。“ y 相机数据采集系统设计 第三章y 相机数据采集系统设计 y 相机数据采集系统是根据用户在主控界面上选择的数据采集模式、采集终止模 式、采集帧数等信息来完成y 相机系统的信息采集功能的。y 相机的多种成像方式是 在y 相机数据采集系统的基础上建立起来的，可以说，y 相机数据采集系统是整个y 相机系统的信息采集和数据传输中心，是y 相机系统的重要组成部分，一旦y 相机数 据采集系统不能及时准确地完成数据采集，那么y 相机的准确性和实时性就会受到非 常大的影响，导致系统性能的降低甚至失效。 本章论述的重点为基于p c i 9 8 1 0 数据采集卡的y 相机数据采集系统设计。y 相机 数据采集系统包括四种数据采集模式：静态采集模式、动态采集模式、心电门控采集 模式和全身扫描采集模式，这四种采集模式中，探头系统收集的信息的采集是由 p c i 9 8 1 0 数据采集卡完成的，在心电门控采集模式中，需根据心电信号中的r 波对探 头系统传递的数据信息进行分帧存储与显示，此时，心电信息是由d a q 2 2 1 3 数据采集 卡完成其采集工作的，再由程序算法提取出心电信号中的r 波，根据r 波的到来时间 信息对p c i 9 8 1 0 采集卡采集的数据进行分帧存储。 本章首先介绍p c i 9 8 1 0 采集卡的硬件结构、功能参数等信息，再逐步介绍y 相机 数据采集系统的各种采集模式的设计理念以及实现方法，其中心电门控采集模式中的 r 波识别部分，是本论文的一个创新点。 3 1p c i 9 8 1 0 数据采集卡简介 p c i 9 8 1 0 数据采集卡是台湾凌华公司出品的一款基于3 2 位总线结构的高级数据 采集卡，其最高采样速率达每秒2 0 m 个采样点，可连续的、无中断的、高速的向主存 储器传送a d 采样数据。高性能的设计和完美的工艺使本卡成为d a p 、f f t 、数字滤 波及图像处理等应用领域的理想选择。“” 3 1 1p c i 9 8 1 0 数据采集卡特性 p c i 9 8 1 0p c i 总线高级数据采集卡具有以下先进性能： l8 y 相机数据采集系统设计 3 2 位p c i 总线，总线主控d m a 数据传送方式 1 0 位模拟量输入分辨率 板上自带3 2 k 字( 采样点) a df i f o 缓存 最高2 0 m h z 的a d 采样率 4 个单端模拟量输入通道 双极性输入信号 4 个可同时采集的a d 转换器 5 种a d 触发方式：软件触发方式、“p r e t r i g g e r ”方式、“p o s t t r i g g e r ”方 式以及“m i d d l e t r i g g e r ”方式和延迟触发方式。 其主要应用领域为：i f 与b a s e b a n d 数字化、超声成像、y 照相机、设备测试、 c c d 成像以及图像数字化等方面。 3 1 2p c i 9 8 1 0 数据采集卡的硬件设置 p c i 9 8 1 0 数据采集卡在板上装有p c i 控制器。p c i 卡的内存使用( i o 端口地址 分配) 由系统b i o s 指定。系统中所有的p c i 卡的地址分配是逐卡进行的。 l 、p c i 9 8 1 0 数据采集卡的接头设置 图4p c i 9 8 1 0 数据采集卡的接头位置 v 相机数据采集系统设汁 p c i 9 8 1 0 数据采集卡通过5 个b n c 接头和一个1 0 脚的d u a l j n 一1i n eh e a d e r 插 头与外部设备相连，图4 对这些接头的位置进行了说明。 j 1 ：b n c 接头j 1 用于a d 转换中通道o 的信号输入。 j 2 ：b n c 接头j 1 用于a o 转换中通道1 的信号输入。 j 3 ：b n c 接头j 1 用于a d 转换中通道2 的信号输入。 j 4 ：b n c 接头j 1 用于a d 转换中通道3 的信号输入。 j p l ：1 0 脚接头，用于数字量输入信号，包括1 个数字时钟，1 个数字触发源和3 个 数字量输入。 2 、p c i 9 8 1 0 数据采集卡的模拟量输入阻抗设置 与j 1 - j 4 接头相连，p c i 9 8 1 0 形成4 路模拟量输