小型伽马射线检测系统的设计

童云坤，陶 玲，李韪韬，黄海鹏，李怡燃

（南京航空航天大学自动化学院，南京210016）

0 引言

伽马相机是用来给释放伽马光子的放射性元素进行成像的设备[1]。在药物开发与核医学成像中，伽马相机可以用来分析生物体中放射性标记物的分布[2]，它不仅能反映生物系统的结构特点[3]，还能够显示相应的代谢功能信息，是一种常用的放射性核素医学成像设备，已经在临床医学中被广泛应用[4-5]。随着动物模型在临床药物研究中的广泛应用，伽马射线探测技术也从人体探测拓展至小动物的活体探测。由于小动物体内组织的尺寸要远远小于人体内组织的尺寸，原本适用于人体的伽马成像系统的分辨力远远达不到小动物成像的需求，成像效果极不理想。而空间分辨力和检测灵敏度呈反比，要求较高的空间分辨力就必须以牺牲相应的灵敏度为代价。美国Cleveland Clinic 的小动物SPECT[6]系统采用25～36针孔数的钨针孔加临床双探头，空间分辨力可达0.7 mm。在国内，清华大学的小动物SPECT 系统采用7 针孔平板钨制针孔准直器加临床SPECT 探头，可达到0.5 mm 的空间分辨力[7]。而SPECT 系统的成本构造是传统伽马相机的数倍，同时，超高的空间高分辨力也意味着伽马成像系统探测效率的降低和灵敏度的下降。因此如何平衡伽马射线的检测灵敏度和空间分辨力，实现在小视场下的高空间分辨力成像是小动物伽马成像系统研制的一个最主要的挑战。本文设计了一种伽马射线检测系统，通过配置定制的NaI（Tl）晶体以及相应匹配的光电倍增管（photomultiplier tube，PMT），同时对软件算法的图像成帧技术方面进行改善，从而平衡检测灵敏度和空间分辨力性能指标，最终对自然环境和特殊环境下伽马射线进行检测，验证对伽马射线的测试性能，为后续研制成熟的小动物活体核素成像伽马相机提供技术支持和实践基础。

1 伽马射线检测系统原理

目前伽马射线检测主要基于盖格计数、闪烁体计数和半导体计数技术，国内外在利用伽马射线做图像检测时，大多采用闪烁体计数的方式。本文设计的方案也应用了闪烁体计数的方式。整个检测系统的原理如图1 所示。系统主要由一块NaI（Tl）晶体、一块对应的PMT 阵列、位置总和电路以及上位机组成，传统小型伽马相机的组成大多如此[8]。NaI（Tl）闪烁晶体接收外界的伽马射线发出荧光，荧光进入PMT，PMT 输出电脉冲的幅值和它接收到的闪烁光的强度成正比，输出的电压经过位置总和电路可以得到相应的位置（X+、X-，Y+、Y-）及能量（E）信息，这些信息传入到上位机被归纳与整理。

图1 伽马射线检测系统原理图

2 系统设计与实现

2.1 硬件设计方案

本文所设计的用于小动物成像系统的伽马射线检测系统在传统伽马相机硬件技术的基础上做了一些考虑和调整[9]。就选择NaI（Tl）晶体而言[10]，它的最大发射波长为415 nm，且在此波段没有明显自吸收，其发光效率也是同类晶体中最高的，因此可以和PMT 有很好的耦合。就选择晶体的尺寸、形状而言，如果晶体太薄，伽马光子会穿透晶体到达PMT，虽然伽马射线的波长太短，不会响应PMT，但是透过晶体的这一部分伽马光子无法在晶体内部退激产生荧光，导致转化的效率低下，宏观上来看，这就造成了采集信息的时间变得更长；如果晶体太厚，虽然说绝大多数的伽马光子会在晶体内部退激产生相应的荧光，但是可能导致伽马光子在晶体内多次作用之后才被PMT 探测，这个时候的闪烁点定位模糊，造成的空间分辨力下降，同时，一般NaI（Tl）晶体的能量分辨率为7%～10%，且对不同能量的分辨也不同，但是随着晶体厚度的增加，晶体的长径比会增加，它的能量分辨率就会下降，而最终形成的图像是某个能量大小区间对应的图像，所以能量分辨率的下降会直接导致图像质量的下降。

考虑到研制的是小动物活体成像的伽马射线检测系统，因此不必选择转化效率很高的晶体，稍薄一些的晶体虽然转化效率不会太高，但是已经满足在小鼠麻醉期间获取相应信息的要求，而且本文将要使用的锝同位素99mTc 释放射线的能量大约为141 keV，属于较低的能量[11]，它释放的伽马射线与NaI（Tl）晶体一般作用在表面的2～5 mm，所需的晶体厚度自然也不需要太厚。尤其关键的是，选取薄厚适宜的晶体可以使伽马射线进入晶体只经过一次作用就产生荧光，由此产生的闪烁点的定位更为准确，空间分辨力更高。如果使用较厚的晶体，检测灵敏度并不会明显改善，但是空间分辨力会急剧下降。测量人体的晶体厚度大约为8 mm，测量小动物的晶体比测量人体的晶体要更薄一些。综上所述，本文最终定制了厚度为6 mm 的扁平状的NaI（Tl）晶体进行检测，如图2所示。

图2 定制的NaI（Tl）闪烁晶体

本文采用的PMT 是日本滨松公司生产的位置灵敏PMT（R8520-00-C12），其单个有效探测面积为35 mm×35 mm，为多阳极位置灵敏PMT，其有效探测单元矩阵为10×10，增益约为0.9×109。它的噪声小，放大倍数也较为稳定，并且在415 nm 附近有很好的光谱响应，R8520-00-C12 的光谱响应如图3 所示。探头的固有空间分辨力取决于晶体阵列像素单元的尺寸和PMT 可探测的最小位置距离。经过测试发现位置灵敏PMT 可探测的最小位置距离要小于闪烁晶体阵列像素单元，所以选取此款PMT 并不会对探头的固有分辨力造成影响。同时本文设计在闪烁晶体和PMT 之间加入光导，以减少荧光在运输过程之间的损失。晶体、光导、PMT 之间涂有光学硅脂，用来排除空气，防止系统的空间分辨力和检测灵敏度的下降。对应每个入射伽马光子与晶体作用产生的荧光，PMT 分别输出位置信号和能量信号，针对本实验所用的多阳极位置灵敏PMT，本系统采用阻抗电荷分配法，即采用电阻网络进行阳极输出信号的读取。经过相应的放大电路和位置转化电路转化为X+、X-、Y+、Y-的4 路位置信息以及相应的能量信息，将信息存入数据存储器，然后通过传输控制协议（transmission control protocol，TCP）与上位机进行通信。上位机对接收到的数据进行解析、存储、分析绘图、实时显示等操作。

图3 R8520-00-C12 的光谱响应

硬件的安装组合方式如图4 所示，黑色机箱部分为700 V 高压电源和12 V 低压电源，左侧黑色方块为NaI（Tl）晶体和PMT 阵列管，也就是探头部分。由于PMT 受环境光的影响较大，所以需要将之密封，使其接收到的光信号全部来自NaI（Tl）吸收伽马射线产生的荧光，这样产生的图像才会更为精准。因为系统只做检测使用，故没有在探头前安装准直器。若在做小动物活体成像实验时，为实现系统对药物的实时监测，在保证空间分辨力的同时，也需要考虑灵敏度。尽管针孔准直器拥有更高的空间分辨力，但是针孔准直器视野内不同区域的均匀性不同，无法同时兼顾到灵敏度问题，故一般直接采用高能通用平行孔准直器，它的空间分辨力随着距离的增加而降低，但是灵敏度随着距离的增加却没有明显变化，所以将实验小动物安置得足够近，就可以在保证空间分辨力的同时兼顾到检测灵敏度，这样产生的图像与真实图像的大小是一比一的。同时，为反映小动物体内的放射性核素信息，此类平行孔准直器配套的闪烁晶体探测器与常规探测器有所不同，一般会设计得比单个实验小动物本身更大，来获取整体动物核素信息。黑色电源箱上侧是位置总和电路，采集到的数据存储在相应的数据存储器当中，等待上位机的传输调用，右侧网线端口与上位机（PC）相连，组成一个完整的系统，两者之间以TCP进行交互。

图4 硬件实物图

2.2 软件设计方案

上位机控制软件是本系统的重要组成部分，主要包括与硬件的连接，数据的处理、显示与存储。本文基于LabWindows 设计了相应的系统控制及显示界面（如图5 所示）。界面简洁明了，主要包括一个“Canvas”控件，用来显示一定能量范围内的512×512 散点图；一个“Graph”控件，用来显示伽马射线的能谱图，即相同能量的伽马射线的数目，其中纵坐标是伽马射线的数目，横坐标是射线能量大小，根据自定义算法分为0～1 024 格，经测试，绝大多数实验所需能量都在其中。图中可见的一条蓝色和黄色的竖线是用来选取相应的能宽，能宽中的伽马射线是目标射线，最终所成的图像即是能宽中射线的位置坐标，例如目标元素99mT c 处于520 格位置，可选取510～530 作为能宽，而选取不同大小的能宽会对图像的对比度、分辨力产生一定的影响。软件还设计有相应的与下位机进行TCP 通信的连接，开始采集、停止采集等功能以及对图像的采集时间、数目进行标注的功能，也包括图像的冻结和存储等功能。系统要实现的目标都在软件界面上得到了相应的体现。

图5 软件界面

上位机和下位机的通信是通过TCP 完成的，这里采用的是基于TCP 的socket 编程，通过约定相应的Winsock 版本，绑定相应的地址来实现通信，协议指定相应的START、GET、STOP 命令来控制数据的读取与暂停。通过相应的超级终端，可以观测指定命令是否发送，来判断上位机和下位机的通信连接是否成功。通过下位机传输上来的是5 组16 bit short型的数据，每一数据对应相应的位置和能量信息。下位机每次传输200 B 的数据，通过上位机指令一直循环发送。传输的数据中除去高6 位的校验信息，剩下的低10 位即为传输的有效数据，即X+、X-、Y+、Y-、E，这5 组数据值均在0～1 024，此处得到的E 即是能量的大小，而另外4 路位置信息通过重心法原理处理，得到的单位化（X，Y）坐标在（-1，1）之间。将（X，Y）进行拉伸、平移等操作可以得到相应的512×512 测试图像。

整个软件打开之后需要点击“连接”按钮确定与下位机的TCP 通信正常。当设备连接正确之后，点击“start”即可开始实时采集相应数据，点击“stop”即为停止采集。在采集过程中，软件还设计了采集时长和计数功能，当计数累计到一定程度，即整个图像画面比较丰富或者能谱图已经产生了较为明显的能峰时，可以选择保存相应的实验数据。本系统对软件的内存和性能都进行了相应的优化，且在实验过程中运行流畅。

3 性能测试实验

在本系统搭建完成之后，为进行性能测试，采集了2 组数据进行对比。第一组数据是在普通的自然环境下，直接采集外界的伽马信号。在没有放射性源的环境下所接收到的伽马信号应该是微弱的、均匀的，且其在各个能量之间分布大致是相同的，没有特殊的能峰存在，如图6（a）所示。而在有99mTc 放射性元素的照射下，如图6（b）所示，能谱图上出现了明显的能峰，能量大致集中在某一位置。综合图6（a）和（b）来看，本系统能够实现检测相关环境中的伽马射线。在检测的过程中，形成明显能峰的时间在30 s之内，说明选取的晶体尺寸薄厚适宜，后续能够在远小于小动物麻醉期的时间内获得想要的信息。同时，对采集到的能量进行相应的成像，由于自然环境中的伽马射线能量大小分布广、信号弱，故不取某一特定能量范围进行成像，而选取全范围的成像，主要观测图像的分布是否均匀，如图6（c）所示，所成的散点图中每一个区域分布的伽马射线能量大致是相同的，这与预期的一致。且没有经过任何矫正的散点阵列图的线性度和均匀性远比常见的伽马射线散点图效果更好，从侧面也验证了系统的空间分辨力和检测灵敏度得到了一定的平衡。从图6 来看，本系统可以检测到应用环境中的伽马射线，而且测量的准确性也达到了需求，满足了相关的检测使用要求。

图6 伽马射线检测系统采集的图像

4 结语

本文基于LabWindows 这一开发平台，利用定制的NaI（Tl）晶体和配套的PMT 等重要部件研制了一套可以实时检测环境中伽马射线的完整系统。系统结构简洁、操作方便，软件控制程序有稳定的运行环境。通过验证自然环境和特殊环境下的伽马射线能量分布的不同，表明检测系统可以对环境中的伽马射线进行有效检测，为研制用于小动物活体核素成像的伽马相机打下了基础。由于设计目标是对小动物成像，对系统的空间分辨力要求较高。通过探测器硬件设计，能够在理论上达到固有分辨力需求，但是在实际采集过程中，由于PMT 与闪烁晶体以及电子学电路的耦合等方面达不到理想情况，所产生的误差会对系统的性能造成一定影响。后续将通过改进晶体和PMT 数目以及增添准直器，同时对采集到的图像进行二次线性、均匀性及能量校准，更进一步提高系统分辨力，最终形成完整的小动物活体核素检测伽马相机，来检测载体表面放射性核素99mTc 标记放出的伽马射线，形成相应的动态二维图像，直观形象地来描述活体动物对相关药物的处置行为，以及药物在小动物体内各个组织器官，特别是药效部位、吸收部位、代谢消除部位以及重要的功能脏器部位的相应动态分布过程，这将对评价药物的分布特征、吸收特征具有积极的指导意义[12]，也将辅助指导和决策相关的临床试验设计。