第5节 SPECT机的数据采集及其控制系统

正确设置采集参数是获得满意影像的第一步。在采集数据前，应首先对各项采集参数进行逐项设置。常用的采集参数包括：①选择所使用放射性核素的能峰及窗宽；例如：核素为99Tcm，能量为141keV，窗宽为20%；②选择采集方式,静态、动态、全身、断层等；③选择合适的影像矩阵；④选择Byte或Word存储方式；⑤选择适当的放大因子（ZOOM）；⑥根据采集方式选择相应的探头和检查床高度、探头旋转或偏移的角度、机架直线运动的距离、断层旋转或直线运动的方向等；⑦选择采集数据的总时间、总计数、总角度、总帧数以及停止采集的条件等。在实际工作中，常常把以上参数设置后保存在计算机中，使用时直接调用。本节重点讨论以下几个重要参数的选择及其应用意义。
采集参数的选择及其意义
    1．采集矩阵
    一幅模拟影像是由二维点阵所组成的。影像的点密度与被探测的器官中局部放射性核素的浓度成正比。计算机把探头的视野划分为由一定量的行与列所组成的方块状阵形，称之为矩阵(matrix)。矩阵中的一个小方块则称为一个像素(pixel)。每一个像素在计算机存储器中都有与之一一对应的存储单元，以存放模拟点阵中每对经ADC转换后属于该像素的有效X、Y坐标值。由于计算机存储器大小、计算速度的限制以及系统分辨率的限制，一般SPECT机的矩阵大小为64×64、128×128、256×256、512×512，全身扫描矩阵为256×1024或512×2048。但对于视野大小不同的SPECT机，即便是同一矩阵，其每个像素的大小也是不一样的(表6-3)。表6-3  16Bit存储器的矩阵特性及其应用

注：*是指直径为25cm的标准视野FOV像素大小，单位是mm。
        #是指长宽为51cm×40cm的大视野FOV像素大小。
       Δ是指直径为25cm的标准视野FOV，单位是peixl/cm
       ※是指长宽为51cm×40cm的大视野FOV。
    一般来说，矩阵大，则像素单元小，影像清晰细致，分辨率提高，所需的放射性计数和存储空间是其低一级矩阵的４倍。但矩阵过大，以至于每个像素内的计数太少，采集时间延长，反而造成计数统计误差增大，增加了影像噪声，使分辨率下降。所以，应根据放射性总计数，恰当地选择矩阵。
    2．Byte/Word存储方式
    这一参数决定了采集过程中每一个像素所能容纳的最大计数。选用Byte字节存储方式，表示每个像素有8Bit的存储单元能存储采集的γ计数值，所能容纳的最大计数值为28－1=255。当像素计数率超过了255，则该像素不会再累加其他的计数，这种现象称为计数溢出。选用Word字存储方式，则表示每个像素有16Bit的存储空间来储存数据，所能容纳的最大计数值为216－1=65535，也就不会出现计数溢出现象，但影像所用的存储空间比Byte存储方式大一倍。在采集时一般常规剂量可选用Byte。静态采集时，矩阵选用较大，每个像素值一般不会超过255，而动态采集时，选用的矩阵较小，可能会出现计数溢出，所以应选用Word存储方式。
    3．放大因子(ZOOM)
    表6-3中所列的矩阵大小往往不能达到最佳数字分辨率。所谓数字分辨率是指在水平和垂直两个方向上单位长度内的像素数(或者用单位视野面积内包含的像素数来表示)，单位peixl／cm(cm2)。一般来说，能有1cm的空间分辨率则要求有3～5piexl／cm的数字分辨率。如果按照这个要求去作断层采集、动态显像，对于51cm×40cm的大视野SPECT机来说至少要用256×256矩阵，然而这绝对不可能。通过对矩阵特性表的分析，我们发现25cm标准视野相同矩阵的分辨率比51×40cm矩形大视野的分辨率高一倍，这是因为对于同样的采集矩阵，视野小其数字分辨率高，视野大反而数字分辨率低。如果我们用同样的矩阵及其相应的存储单元只对大视野的其中部分视野内的模拟数据进行数字化并存储的话，就相当于缩小了视野，而被探测器官的像素数占缩小的视野内总像素数的比例增大，相应地像素单元也被扩大，从而在不改变矩阵大小的情况下明显地提高了数字分辨率。这就是放大因子的作用所在（表6-4）。
表6-4  不同的放大系数对像素大小及数字分辨率的影响

假如没有影像放大（ZOOM=1.0），64×64矩阵又正好包括γ相机25cm的视野，则其数字分辨率为64像素/25cm=2.6像素/cm。当放大因子=2.0时，影像的X轴、Y轴都放大了2.0倍，此时新的数字分辨率是2.0×64/25=5.2像素/cm。数字分辨率比原有分辨率提高了50%，相当于用128×128矩阵数字化γ相机视野。当然，放大因子不能过大，否则数字分辨率提高了，空间分辨率反而下降了。因为像素单位过大，每个像素内的放射性计数太少，导致影像粗糙模糊。所以，恰当地选择放大因子，才能获得满意的影像。
    二、影像数据的采集方式 
    表示γ光子X、Y坐标的模拟信号在接口中被ADC转换为一对数字量以后，可以用不同的格式存储起来。根据不同的存储格式，可以把影像数据的采集方式分为以下几种：
    1.表模式采集(list modea cquistion)
    ADC送出的每对X、Y坐标，以数字表的形式依次记录下来。表模式采集除了记录每个光子的坐标值以外，还可以记录时间、能量及其他生理信息。每个光子的所有信息占用一个存储单元，所以表模式的数据量很大，存储器记满后必须马上存入硬盘。通常在接口中备有2组存储器，一组向磁盘传输数据时，另一组接受来自ADC的数据，以免数据丢失。主要用于医学研究和快速动态检查。
    2.帧模式采集(frame mode acquistion)
    最常用。先在存储器中为每帧影像划定一个矩阵，矩阵中的每个单元对应一个像素。采集开始后，对于ADC送出的每对坐标值，接口的地址发生器中都产生相应的地址，指向矩阵中对应的单元，并在此单元加1。由此而直接构成影像。利用模式可以采集单帧静态影像，也可以连续采集多帧动态影像。
    3.门电路采集(gated frame mode acquistion)
    它以动态帧模式采集为基础，用周期性的生理信号对采集过程进行门控。典型的门控信号是心电(ECG)R波信号。R-R波之间的间隔为心动周期，可根据需要的时间分辨率划分心动周期形成多帧影像。以R波为标志，把每个心动周期等分成n个时间段，n=8、16、32。一般分成16帧影像是适当的。然后，计算机根据必要的空间分辨率在其存储器中建立16个独立的矩阵(如64×64)，计数数据按顺序存入这些矩阵中。第1个时间段的数据存入第1个矩阵，第2个时间段的数据存入第2个矩阵，以此类推直到存入第n个矩阵为止。第2个R波开始，数据的存储则重复上一过程。这些复合的n帧影像一般要采集数百个心动周期，以尽可能减少统计误差。主要用于观察心脏的室壁运动，了解心脏的各项功能参数（见图6-7）。
 

图6-7 心电门控制帧模式数据采集示意图

    4.双核素采集(dual isotope acquistion)
不同的放射性核素发射的γ光子具有不同的能量。利用数字式多道脉冲幅度分析器可以把2种不同能量的γ光子所形成的能量脉冲区别开来，并触发ADC将两路X、Y坐标值分别存储在2个独立的矩阵相应的像素中，构成2幅影像。