正电子发射断层扫描仪中机电控制系统的研制

刘先生

正电子发射断层扫描仪（PET）是英文名称PositronEmissionTomography的缩写，即“正电子发射断层扫描仪”，是随着X线断层成像（X一CT）和单光子断层成像（SPEcT或简称ECT）技术之后，将断层技术应用于核医学领域而发展起来的一门新学科。PET是当今最高层次的核医学技术，它也是当前医学界公认的最先进的大型医疗诊断成像设备。计算机系统是PET的核心，它控制所有的硬件设备，采集和组织数据，执行各种误差校正，重建断层图像，对图像进行处理和分析，显示图像和有关信息。PET的计算机系统包括：负责数据采集和处理的微型计算机（包括探测器、自动床的控制等）、控制台计算机、供医生进行图像分析的辅诊台计算机、管理和维护信息的数据库服务器、控制回旋加速器、药物标记设备和放射剂量监控仪器的计算机等。PET系统大多采用分布式信息处理，上述计算机连接在一起，组成局域网络（LAN）。通过网络服务器，PET系统可接入医院的图像存档和传输系统（以CS），通過INTERNET的WWW，PET系统可以实现远程的图像传输、病人数据库的查询、病历查阅，即实现远程会诊。PET系统的计算机网络结构如尽管系统的机电控制部分不直接参与投影数据的探测，预处理，符合，采集和成像等整个流程，但同样在PET系统中起着举足轻重的作用。目前，核医学己进入分子核医学（molee过arnuclearmedieine）时代，pET是在分子水平上利用影像技术研究人体心脑代谢和受体功能的唯一手段，在肿瘤学，心血管疾病学和神经系统疾病学研究中，以及新医药学开发研究等领域中己经显示出它卓越的性能。PET显像具有以下几个特点：

1 功能显像

它是一种有较高特异性的功能显像和分子显像，除显示形态结构外，它主要是在分子水平上提供有关脏器及其病变的功能信息，与X线CT、磁共振显像（magneti。：esonanee而aging，M班）和超声检查等相比较，这一特点十分突出和重要。PET所用的示踪药物是短寿命正电子核素，它们是组成有机体组织的基本成分和能参与代谢过程；可以标记各种生物活性物质可不改变其原有的性质，因此用它们标记的放射性药物不仅可用来诊断疾病，而且为研究人体的生化，生理，病理及各种药物在体内的分布与代谢途径等创造了有利条件。由于PET成像是功能图像，能提供很多疾病在发展过程中的早期信息，可以进行超前诊断，如癌症的早期诊断等。而CT虽然也能用于检测癌症，但只能用于疾病过程已经引起了较大的解剖学的变化时的情况，如肿瘤发展较大，也就是大多发展到中晚期以后，才能检测出来；且其检测的精确性和专一性都不如PET。SPECT（单光子CT）也可以作功能成像，但由于其所用的示踪药物等不是组成生物组织的化学成份，它们会引起代谢机制发生变化，因而也使病理解释复杂化等原因，所以从原理上它就很难和PET相抗衡；况且它的空间分辨较低，，所以它的成像性能比PET差很多。

2 显像方式

放射性核素断层显像具有多种动态显像方式，使脏器与病变的血流和功能情况得以动态和定量的显示，给出多种功能参数，与静态显像配合常能提供疾病更为早期的表现。比如利用PET/FDG方法可以在正常的生理状态下无创地定量测量局部组织的葡萄糖代谢率。PET对于示踪剂浓度的灵敏度非常高，这就是它能高精度地检测出代谢过程的微细变化和给出清晰图像的机理所在。

3 电子准直技术

正负电子湮灭时产生的两个向相反方向运动的光子，用相对放置的两个探测器来测量，称作湮灭符合探测。符合电路只将两个Y光子同时被探测到的湮灭事件记录到存储器中，该事件一定发生在两个探测器之间的符合探测区中，因此ACD又称作电子准直技术。PBT采用了电子准直技术，与SPECT（单光子CT）相比有准直的视野非常均匀、分辨率受深度的影响较小、并且灵敏度高的优点。其次，射线的衰减补偿容易、不受深度的影响。由于PET的上述优越性能，国内的很多医院和医学科研院所都渴望拥有PET进行临床诊断与医学研究。但PET本身造价很高，且需要一台小型回旋加速器与之相配合，因此，目前进口一套PET的价格很昂贵（约四千万元以上）。基于上述原因，PET难以在我国普遍使用。

PET是当今最高层次的核医学技术，该装置技术难度高，国外只有几个经济发达国家能够制造，国内尚处于起步阶段。国内外一些科研单位（特别是国外许多高能物理或核物理研究院所，如美国SLAC，英国RUTHERFORD，日本KEK，意大利INFN和我国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，以满足对PET日益增加的需求。我国高能物理研究所研制的4环PBT虽能成像，但空间分辨率只能达到glnln，与国外PET相比还存在较大差距。基于我们长期从事与PET技术相关的实验研究、参与国内PET研制和核医学图像处理临床应用软件开发的实际经验，我们决定研制自己的、具有九十年代国际先进水平且造价较低的PET。自己研制生产PET是利国利民的事业，它能带动和促进我国许多相关学科与技术的发展，如核探测技术、核电子技术等。PET的研制成功将使我国的核医学仪器研制与开发进入世界先进行列，有利于提高我国人民的健康水平，推动我国核医学、脑科学与生物学的发展，促进新医药，特别是中医药研究开发，振兴我国的民族工业。

作为系统底层硬件与上层服务器之间通信以及底层硬件之间通信的交通枢纽，它负责接收来自上层服务器的命令，传给底层执行部件，命令这些部件做相应的动作，然后再将底层执行部件的完成情况和当前状态实时的反馈回服务器，作相应处理；同时它还提供前端电子学模块的系统时钟和同步时钟基准；监控仪器工作的环境温度，电源的工作状态和系统出现异常情况后作出的处理。可以说，机电控制部分几乎完成除机械设计和整个成像数据生成外的所有底层执行部件控制以及状态显示，各种模拟量，数字量的采集与控制工作，为系统成像做好各种准备工作。床运动控制板主要接收由Gantry主控板转发过来的液晶屏的按钮信息，然后对床进行控制，使床能进行垂直和水平方向的运动，运动后的位置信息再通过Gantry主控板转发给液晶屏控制板，在液晶面板上动态显示。

棒源运动控制板主要实现对病人进行透扫的功能，即通过接收由Gantry主控板转发过来的液晶屏的按钮信息，使棒源伸入到病人孔视野，旋转透扫得到投影数据，提供校正参数，对PET扫描后的数据进行修正。

SePta运动控制板主要实现系统两维和三维扫描的切换，即由Gantry主控板转发过来的液晶屏的按钮信息来控制Sep七a伸入到病人孔视野，将挡住射向探测器晶体的光子，这时只能采集到径向平面内的投影数据，做两维扫描（径向的平面扫描）。反之，进行三维立体扫描。

液晶显示屏的控制面板主要将显示屏上的按钮命令信息通过Gantry主控板传达给下面的各个运动控制板，然后将以上运动部件的状态信息在屏上实时显示，也就是系统底层硬件各种状态信息对外的一个简单的人机交互界面，方便医务人员在对病人进行正式扫描前对系统内部的各个部件进行实时监控和操作。激光灯稳功电路是为了稳定装在病人孔最内侧的九个定位指示灯的功率而设计的。系统内的九个定位指示灯中，其中六个用于指示环型探测器的检测范围，即环型探测器的轴向有效长度和水平中心平面；另三个指示灯是病人定位之用，一个在病人孔入口端的正上方，另两个装在病人孔入口端的水平中心平面两侧各一个。PET系统的整体电源也是机电控制组的主要工作之一，该整体电源设计主要是给Gan勿主机箱内的各个电路控制板以及用于驱动运动部件的电机和驱动器提供工作电源，主要有+5V，一SV，+1SV，一15V，+24V五种电源电压。