正電子發射斷層掃描儀中機電控制系統的研制

劉先生

正電子發射斷層掃描儀（PET）是英文名稱PositronEmissionTomography的縮寫，即“正電子發射斷層掃描儀”，是隨著X線斷層成像（X一CT）和單光子斷層成像（SPEcT或簡稱ECT）技術之后，將斷層技術應用于核醫學領域而發展起來的一門新學科。PET是當今最高層次的核醫學技術，它也是當前醫學界公認的最先進的大型醫療診斷成像設備。計算機系統是PET的核心，它控制所有的硬件設備，采集和組織數據，執行各種誤差校正，重建斷層圖像，對圖像進行處理和分析，顯示圖像和有關信息。PET的計算機系統包括：負責數據采集和處理的微型計算機（包括探測器、自動床的控制等）、控制臺計算機、供醫生進行圖像分析的輔診臺計算機、管理和維護信息的數據庫服務器、控制回旋加速器、藥物標記設備和放射劑量監控儀器的計算機等。PET系統大多采用分布式信息處理，上述計算機連接在一起，組成局域網絡（LAN）。通過網絡服務器，PET系統可接入醫院的圖像存檔和傳輸系統（以CS），通過INTERNET的WWW，PET系統可以實現遠程的圖像傳輸、病人數據庫的查詢、病歷查閱，即實現遠程會診。PET系統的計算機網絡結構如盡管系統的機電控制部分不直接參與投影數據的探測，預處理，符合，采集和成像等整個流程，但同樣在PET系統中起著舉足輕重的作用。目前，核醫學己進入分子核醫學（molee過arnuclearmedieine）時代，pET是在分子水平上利用影像技術研究人體心腦代謝和受體功能的唯一手段，在腫瘤學，心血管疾病學和神經系統疾病學研究中，以及新醫藥學開發研究等領域中己經顯示出它卓越的性能。PET顯像具有以下幾個特點：

1 功能顯像

它是一種有較高特異性的功能顯像和分子顯像，除顯示形態結構外，它主要是在分子水平上提供有關臟器及其病變的功能信息，與X線CT、磁共振顯像（magneti。：esonanee而aging，M班）和超聲檢查等相比較，這一特點十分突出和重要。PET所用的示蹤藥物是短壽命正電子核素，它們是組成有機體組織的基本成分和能參與代謝過程；可以標記各種生物活性物質可不改變其原有的性質，因此用它們標記的放射性藥物不僅可用來診斷疾病，而且為研究人體的生化，生理，病理及各種藥物在體內的分布與代謝途徑等創造了有利條件。由于PET成像是功能圖像，能提供很多疾病在發展過程中的早期信息，可以進行超前診斷，如癌癥的早期診斷等。而CT雖然也能用于檢測癌癥，但只能用于疾病過程已經引起了較大的解剖學的變化時的情況，如腫瘤發展較大，也就是大多發展到中晚期以后，才能檢測出來；且其檢測的精確性和專一性都不如PET。SPECT（單光子CT）也可以作功能成像，但由于其所用的示蹤藥物等不是組成生物組織的化學成份，它們會引起代謝機制發生變化，因而也使病理解釋復雜化等原因，所以從原理上它就很難和PET相抗衡；況且它的空間分辨較低，，所以它的成像性能比PET差很多。

2 顯像方式

放射性核素斷層顯像具有多種動態顯像方式，使臟器與病變的血流和功能情況得以動態和定量的顯示，給出多種功能參數，與靜態顯像配合常能提供疾病更為早期的表現。比如利用PET/FDG方法可以在正常的生理狀態下無創地定量測量局部組織的葡萄糖代謝率。PET對于示蹤劑濃度的靈敏度非常高，這就是它能高精度地檢測出代謝過程的微細變化和給出清晰圖像的機理所在。

3 電子準直技術

正負電子湮滅時產生的兩個向相反方向運動的光子，用相對放置的兩個探測器來測量，稱作湮滅符合探測。符合電路只將兩個Y光子同時被探測到的湮滅事件記錄到存儲器中，該事件一定發生在兩個探測器之間的符合探測區中，因此ACD又稱作電子準直技術。PBT采用了電子準直技術，與SPECT（單光子CT）相比有準直的視野非常均勻、分辨率受深度的影響較小、并且靈敏度高的優點。其次，射線的衰減補償容易、不受深度的影響。由于PET的上述優越性能，國內的很多醫院和醫學科研院所都渴望擁有PET進行臨床診斷與醫學研究。但PET本身造價很高，且需要一臺小型回旋加速器與之相配合，因此，目前進口一套PET的價格很昂貴（約四千萬元以上）。基于上述原因，PET難以在我國普遍使用。

PET是當今最高層次的核醫學技術，該裝置技術難度高，國外只有幾個經濟發達國家能夠制造，國內尚處于起步階段。國內外一些科研單位（特別是國外許多高能物理或核物理研究院所，如美國SLAC，英國RUTHERFORD，日本KEK，意大利INFN和我國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，以滿足對PET日益增加的需求。我國高能物理研究所研制的4環PBT雖能成像，但空間分辨率只能達到glnln，與國外PET相比還存在較大差距。基于我們長期從事與PET技術相關的實驗研究、參與國內PET研制和核醫學圖像處理臨床應用軟件開發的實際經驗，我們決定研制自己的、具有九十年代國際先進水平且造價較低的PET。自己研制生產PET是利國利民的事業，它能帶動和促進我國許多相關學科與技術的發展，如核探測技術、核電子技術等。PET的研制成功將使我國的核醫學儀器研制與開發進入世界先進行列，有利于提高我國人民的健康水平，推動我國核醫學、腦科學與生物學的發展，促進新醫藥，特別是中醫藥研究開發，振興我國的民族工業。

作為系統底層硬件與上層服務器之間通信以及底層硬件之間通信的交通樞紐，它負責接收來自上層服務器的命令，傳給底層執行部件，命令這些部件做相應的動作，然后再將底層執行部件的完成情況和當前狀態實時的反饋回服務器，作相應處理；同時它還提供前端電子學模塊的系統時鐘和同步時鐘基準；監控儀器工作的環境溫度，電源的工作狀態和系統出現異常情況后作出的處理。可以說，機電控制部分幾乎完成除機械設計和整個成像數據生成外的所有底層執行部件控制以及狀態顯示，各種模擬量，數字量的采集與控制工作，為系統成像做好各種準備工作。床運動控制板主要接收由Gantry主控板轉發過來的液晶屏的按鈕信息，然后對床進行控制，使床能進行垂直和水平方向的運動，運動后的位置信息再通過Gantry主控板轉發給液晶屏控制板，在液晶面板上動態顯示。

棒源運動控制板主要實現對病人進行透掃的功能，即通過接收由Gantry主控板轉發過來的液晶屏的按鈕信息，使棒源伸入到病人孔視野，旋轉透掃得到投影數據，提供校正參數，對PET掃描后的數據進行修正。

SePta運動控制板主要實現系統兩維和三維掃描的切換，即由Gantry主控板轉發過來的液晶屏的按鈕信息來控制Sep七a伸入到病人孔視野，將擋住射向探測器晶體的光子，這時只能采集到徑向平面內的投影數據，做兩維掃描（徑向的平面掃描）。反之，進行三維立體掃描。

液晶顯示屏的控制面板主要將顯示屏上的按鈕命令信息通過Gantry主控板傳達給下面的各個運動控制板，然后將以上運動部件的狀態信息在屏上實時顯示，也就是系統底層硬件各種狀態信息對外的一個簡單的人機交互界面，方便醫務人員在對病人進行正式掃描前對系統內部的各個部件進行實時監控和操作。激光燈穩功電路是為了穩定裝在病人孔最內側的九個定位指示燈的功率而設計的。系統內的九個定位指示燈中，其中六個用于指示環型探測器的檢測范圍，即環型探測器的軸向有效長度和水平中心平面；另三個指示燈是病人定位之用，一個在病人孔入口端的正上方，另兩個裝在病人孔入口端的水平中心平面兩側各一個。PET系統的整體電源也是機電控制組的主要工作之一，該整體電源設計主要是給Gan勿主機箱內的各個電路控制板以及用于驅動運動部件的電機和驅動器提供工作電源，主要有+5V，一SV，+1SV，一15V，+24V五種電源電壓。