基于嵌入式Linux的SPECT探头系统设计

单光子发射计算机断层成像(SPECT),是一种先进的核医学设备,是计算机断层(CT)与核医学示踪原理相结合的高新技术。它利用注入人体内的放射性核素产生γ射线,由探头采集放射性核素分布的平面影像,经过计算机处理后重建出不同层面的断层影像[1]。SPECT断层显影在疾病诊断方面发挥了重要作用,在脏器功能的研究方面也是一种颇具潜力的手段。

SPECT探头系统是SPECT系统的关键部件,它直接影响整个系统稳定性、数据采集效率、系统死时间以及后期图像处理效果[223]。国内临床使用的SPECT绝大部分是引进国外的产品,国内外对SPECT探头系统的研究中大多采用8位或16位单片机,运行速度慢,没有操作系统,不能实现多任务,不支持TCP/IP。

笔者设计了一套基于32位ARM微处理器的SPECT探头系统,能对病人体内放射性核素的分布实现快速采集和实时数据校正,并通过网络接口把数据传送给主控计算机。具有智能化、网络功能强大等优点。

1　系统

采用模块化系统设计,系统由探测器模块、数据采集模块、ARM微处理器模块、网络接口模块和人机接口模块几大部分组成。系统结构框图如图1所示。探测器模块是由37只光电倍增管按照一定次序排列组成的γ射线探测器;数据采集模块负责γ射线探测器输出信号的放大与整形、模数转换、位置与能量运算:ARM微处理器模块控制全系统,实现各模块间的通信,井对数据进行校正运算:网络接口模块负责将校正处理过的数据通过网络接口传送给主控计算机;人机接口模块包括键盘和LCD显示两部分;运动控制模块负责控制探头系统的精确运动,包括床体水平方向运动、垂直方向运动和探头旋转运动三个方面。系统的核心功能模块是数据采集模块和网络接口模块,分别实现数据快速采集和网络化数据通信。

1.1　　探测器模块

由准直器、Nal(Tl)晶体和光电倍增管阵列组成,准直器的作用是对入射的γ射线进行空间位置的限制,并对人体内被成像组织进行定位,把被成像组织分割成若干个体元,从而把人体组织内的体元通过准直器的小孔和计算机图像的体素对应起来。Nal(TI)晶体属于无机闪烁探测器,均匀性好,可以做得比较大。光电倍增管是将γ射线能量轻Nal(Tl)晶体将荧光转换为电信号并进行初步放大的光敏元件[1]。在本系统中要求光电倍增管光阴极的电子产额高、光电子传输速度快、电子运行轨迹一致性好而且工作稳定。在设计中优化选择光电倍增管的工作电压、分压电阻并把所有光电倍增管调整到完全一致的工作状态[1]。注入人体的放射性核素释放出的γ射线经探测器转换为相应幅度的电压信号后,送到数据采集模块中。选用Nal(Tl)2PMT阵列式结构,其中PMT为圆形光电倍增管,可以降低设备的成本。