射线成像讲义简化版.doc

射线成象实验中国科学技术大学近代物理系射线成象实验室1999.5 第一章 γ 相机成像实验（系列实验 1）引言照相机是记录和显示成像物体中射线活度分布的一个照像系统，它包括：（1） 含有某种特定的示踪的放射性核素的被成像的物体 成像物体可以是下列三种情况之一种： 吸收了一定的放射性核素标记药物的活体中的脏器； 具有特殊 放射性活度分布的摸拟脏器模型；泛面放射源或点源2） 类似于普通相机透镜的准直器系统它的功能是把被成像的物体中某一空间小区域内沿某一特定方向发射的射线投影到成像平面的一个相应的面积元上，而把其它方向的射线都吸收掉准直器系统由对有强吸收的材料（例如铅，钨等）做成3） 成像记录系统它类同于普通照相机的感光胶片该系统是由薄层闪烁晶体（5mm-10mm）与光电倍增管阵列（PMTS）或单个位置灵敏光电倍增管(PSPMT)耦合而成的经过准直孔的射线投射到成像记录系统相应的区间 , 射线被在该区间内的闪烁晶体吸收，并转换成与能量沉积成比例的荧光光子数，光子在闪烁体上传播，最后投射到光电倍增管阵列上或者在位置灵敏光电倍增管上 将光电倍增管读出的信号通过数据获取系统，计算出该事件在闪烁晶体内的作用位置（x,y 坐标） ，然后将该相点的坐标再通过准直器还原到物面上的射线发射点所在的区间的坐标，因此成像记录系统呈现的正是物体的 射线发射区间的分布。

核医学的发展是与成像的应用和发展是分不开的为了诊断人体脏器的病变人们用某种标记 放射性的药物注入人体，通过照相机可得到某脏器对药物的代谢以及 它们在脏器中的分布成像的方法在医学诊断和生命科学等方面有重要应用价值1． 实验原理闪烁晶体将入射的射线转换成次级电子，次级电子在晶体中产生荧光光子，荧光光子在晶体中的发射是各向同性的，因此它在晶体中的输运将引起荧光光子在光电转换平面（光阴机面）上的分散，导致了像平面记录的坐标与射线在晶体中被吸收的坐标的偏离图 1.1 描述了包括从射线吸收到荧光子从晶体出射面的输出的过程越靠近晶体边缘， 射线被吸收的像点与物点偏离的越大本实验将对上述过程进行计算机模拟，研究这种偏离与晶体封装条件，晶体尺寸大小形状，和晶体界面的光学处理等因素之间的关系 图 1.1 从 γ 射线吸收到闪烁荧光光子的传播的过程目前医用相机多采用多个光电倍增管与一个平面薄闪 烁体耦合由各个光电倍增管记录的电荷信号，重现出射线在晶体中的作用空间坐标由于光电倍增管的有限尺寸和形状的限制，多光电倍增管阵列在晶体上会形成死区，导致图像的不均匀性目前新发展起来的位置灵敏光电倍增管（PSPMT）可以构成一个连续灵敏的小型 相机，本实验用位置灵敏光电倍增管替代通常的光电倍增管阵列。

图 1.2 是栅网型位置灵敏光电倍增管倍增极的电极构造及电子轨迹图PSPMT 和通常的光电倍增管不同的是电子倍增器用栅网状倍增极做成，且有二次电子发射的微细结构，各极间二次电子的飞行空间很小由光阴极发射的光电子在倍增极间倍增（整体增益在 以上） ，再由末极倍增极（反射510型）反射出来的二次电子用两层交叉的丝型阳极（十字丝网型阳极）读取另外，为使光阴极和第一倍增极间光电子扩展减小，做成近贴型构造R2486-05 型光电倍增管的倍增极有 12 级，在工作电压 1250V 时，电流增益可达 以上图 1.3 是 R2486-05 型5图 1.2 栅网型倍增极的电极构造及电子轨迹图的阳极及电荷分配型读出系统，阳极丝数为 从末极倍增极发射的电子群yx16打到 、 两个方向的丝状阳极上，沿 、 、 、 方向分流阳极用电阻回路XYX2Y2连接起来，以电子到达十字型丝状阳极相应位置分流再通过加、减和除运算电路，经模/数（A/D）变换后，得到相应的 、 信号和能量信号 ：E；BABA/；DCYYBAXE图 1.3 十字型丝状阳极及电荷分配法读出线路和前置放大器物平面上的一个放射性核素发生衰变产生的射线，以一定的概率通过准直器的某一个准直孔，投射在成像记录系统的晶体上，并转换为荧光光子（光子总数正比于该射线沉积的能量） ，经传输后落在 PSPMT（R2486-05）的光阴极上，通过光阴极转换的光电子经PSPMT 倍增被其 X，Y 正交的多阳极丝收集。

X，Y 阳极丝按倍增的电子云分布的重心将总电荷分别分流到 X+ , X—，Y + , Y—的负载上 并经过各自的电荷灵敏放大器放大后输出（可以在示波上分别看各自的波形） 数据获取系统是基于 PC 平台的高性能的数据获取系统回路的模拟信号经放大（或衰减） ，及模拟信号处理后，给出该事件的 X，Y 坐标及总能量信息，再用采集板将上述的信息数字化，并将上述的数字信息送到数字信号处理（DSP）板，将该事件的数字信息进行实时的处理，再构成图象2．实验的主要内容和要求本系列实验包括如下三个部分：第一部分 影响相机性能的主要因素的模拟研究 第二部分 射线成象数据获取和实时处理 第三部分 图象处理和分析 要求：(1) 掌握射线与物质相互作用的基本理论学会利用本实验提供的计算机软件系统, 对射线经过准直器以及射线在晶体中的相互作用过程和荧光传输过程进行跟踪模拟2) 通过模拟，进一步理解影响相机性能的主要因素3) 学会在相机实验台上，对 相机成像性能进行实验研究通过实验进一步理解相机数据获取系统的数据流程，建立各种校正表，并对图象进行离线分析。

1）影响相机性能的主要因素的模拟研究(1) 实验目的：(a) 掌握运用 射线与物质相互作用原理，对射线经过特定准直器和晶体的作用过程进行模拟b)掌握和运用闪烁晶体中荧光的传输规律，对荧光传输过程进行模拟c) 理解影响相机性能的关键因素，及掌握如何控制这些关键因素2) 模拟原理：计算机模拟的含义是：根据过程的特征建立物理模型和数学模型， 并将其转化为计算机语言， 最后在计算机上模拟物理模型所描述的过程跟踪的物理过程主要分为两步：第一步是射线在晶体中转换成次级电子的过程；第二步是次级电子在晶体中生成闪烁光子及闪烁光子传播收集过程 上述过程均由若干随机子过程构成，模拟的核心部分是抽样：即根据各子过程的相互作用截面进行抽样从而得到所需的物理量，如作用类型，出射粒子方向及动量等在此实验中我们采用了 GEANT3 软件包来对射线进行跟踪，当射线从某一方向射入晶体，在晶体中可能发生光电效应或康普顿散射，按光电效应和康普顿散射截面进行随机抽样，若抽样结果是光电效应，程序跟踪其产生的光电子；若抽样结果是康普顿散射，程序依次跟踪反冲电子和散射光子……所以，射线与晶体发生相互作用后最终以次级电子的形式出现，次级电子运动过程中把能量沉积在闪烁体中某一空间内，程序可判断能量是否沉积在闪烁体中，由沉积的能量和闪烁体的发光效率按柏松分布抽样得出闪烁光子数，再按各向同性均匀分布抽样得出光子的运动方向，然后跟踪光子，如果其打在光电倍增管光阴极上，按光阴极量子效率抽样判断其是否转化为光电子；每个光子事例中光电子分布的重心，对应为理论上位置灵敏光电倍增管输出。

3) 模拟内容：(a) 点扩展函数的模拟；(b) 影响相机空间分辨率因素的分析；(c) 图象的模拟4) 实验步骤 ：(a) 在 D 盘上\winnt\profiles\(your name)\目录中建立自己的工作目录 从\camera\point 目录中拷贝 point.exe，ponit.car 文件，将选择的参数输入 point.car 中，最后在命令提示符下运行 point

运行之，得数据文件 test.hismypaint（x，y，th）子程序描述：参数x，y，th为实型参数，x，y是粒子的原点坐标，th为粒子运动方向的theta 角实验者需自己设定此三个参数注：如theta角选择得太大，则会增加计算量;太小则不能反映实际情况) 例：以一为半径，原点为圆心的均匀活度的圆面源分布的模拟SUBROUTINE mypaint（x，y，th）real x，y，threal r,th1th=3.1415926*3.0/180.0 ** theta设置为3度r=sqrt(rndm(1)) rndm（1）产生一从0至1的随机数th1=rndm(1)*3.1415926 r为圆的半径x=r*cos(th1) th1为极坐标中圆的角参数y=r*sin(th1)END说明：在极坐标中，面积元S=r**r，与角无关，则p=S/S=r* r*2即分布密度函数f（r）=2*r，f（）为从零到2的均匀分布对分布密度函数f（r）f（）进行抽样，得到极坐标下的r，参数，再转化为x，y即可c：结果分析将模拟所得图像与设想的图像比较，分析其同异，说明原因2) 射线成像数据获取与实时处理(1) 实验描述相机实验台包括如下设备：(a) 射线源：作为  相机要拍照的参照物， 源有 Co-57 泛面源，Co-57 脏器模拟源和 Am-241 类点源。

Co-57 泛面源特性参照附录 II(“Co-57 泛面源说明书”) Co-57 脏器模拟源是由两个小面源嵌入40 的一个塑料盒内Am-241 类点源为 1mm 的准直束b) 准直器: 是由圆柱状的铅体加工而成的小孔阵列，其参数是a=21mm，d=2mm ，t=3mm ， 其焦距 h=5mm刻度用的条栅形和孔形的吸收模块c) 闪烁晶体：碘化钠晶体 [NaI(Tl)]I，II ，其几何参数参见实验一d) 位置灵敏光电倍增管 R2486-05 及其供电电源： R2486-05 的特性及其前端读出系统的描述参见产品说明书圆柱状的多孔铅准直器，NaI(Tl)闪烁体与/R2486-05 (见图 1.5) 封装光密封的钢套内钢套的前端可以放置吸收模块和待拍照的含放射活度的物样钢套的背端面板有电源供应线插座（高压电源和±12V 的中压电源）以及 4 路信号输出的 LEMO 插座 图 1.5 相机探头的构造(e) 数据获取及实时处理系统该系统是基于 PC 平台的数据获取与实时处理系统，其结构框图是图 (3.9)它包括二块插入板图 1.6 数据获取与实时处理系统模拟处理板:由 PSPMT 前级放大后的四路信号 X+,X_,Y+,Y_接入模拟处理板的相应的输入端, 该板的功能是通过模拟量的“代数”运算（加、减、除） ，给出 X、Y 的坐标模拟量和总能量的模拟量，与总能量参考。