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Y相机性能指标
相机性能指标
γ相机成像质量受到探头若干参数影响,它们包括探测效率、能量分辨率、空间分辨率、灵敏度、均匀性、计数特性,以及本节将讨论的其它参数。
本节还介绍g相机质量控制原理与方法。
2.1探测效率
探测效率用γ相机观察到的放射源样本计数除以放射源样本衰变数目来表示。
有几个原因造成样本计数与衰变不同。
首先,放射源的射线以4π方向发射,但发射的所有光子中只有一部分进入探测器,进入量多少取决于探测器对放射源形成的立体角度。
其次,所有进入探测器的光子中只有部分能够与探测器产生作用和形成脉冲,而所有脉冲中又只有部分产生光电峰。
进一步说,计数率还受到放射性核素某一特定射线丰度的影响。
考虑上述因素,对于一个放射源,仪器的总体计数效率可用下式表示:
效率=fi×fp×fg×Ni
其中,fi表示固有效率,fp表示光电峰效率,fg表示几何效率,Ni表示射线丰度。
Ni可在核素表中查到。
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固有效率fi
进入探测器的射线数目与进入探测器并产生脉冲的射线数目之比值称为探测器的固有效率fi:
fi=被探测器探测到的射线数目/进入探测器的射线数目
=整个能谱的所有计数/进入探测器的射线数目
fi与射线的类型、能量,以及线性衰减系数、探测器厚度有关。
对于Nal(Tl)晶体,低能γ射线和厚晶体fi接近1,高能γ射线和薄晶体fi趋于0。
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光电峰效率fp
能谱的总计数与光电峰下的总计数之比值称为光电峰效率fp:
fp=光电峰下的总计数/能谱的总计数
fp受到与光电效应有关的各种因素的影像,例如探测器的成份和尺寸,γ射线的能量,但主要是PHA设置的影响,增加窗宽,fp增加。
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几何效率fg
放射源的射线以相同的强度向所有方向均匀发射,如果探测器与放射源有一定距离,只有部分射线能够被探测器所探测到,它取决于探测器对于放射源的立体张角。
fg等于放射源发射的射线总数与进入探测器的射线数目之比值:
fg=进入探测器的射线数目/放射源发射的射线总数
一个半径为r的圆形探测器,其探测区域=πr2,对于总的探测区域4πR2来说,
fg=πr2/4πR2
R是点源S与探测器D之间的距离。
根据平方反比的法则,当R增加时,fg下降,即fgμ1/R2(图1-8),在2R处的fg是R处的1/4。
由fg的表达式还可见fg随着探测器的尺寸增加而加大。
放射源的尺寸对fg也有影响。
当放射源与探测器非常靠近时,fg可达到50%。
在g井形计数器和液闪计数器中,fg达到100%。
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死时间
一个计数系统在一段时间内只能处理一个放射事件,从射线进入探测器作用到后续电路形成脉冲并最终记录它需要一定时间。
在这一时间内,系统无法处理下一个放射事件,这一时间就称为死时间。
这就是说,系统在处理第一个放射事件的时间内,不能响应第二个放射事件。
如果第二个放射事件是在死时间内到达系统,这个事件就被丢失。
在死时间内可以发生脉冲堆积现象,两个连续g事件组合形成一个幅度较高的脉冲,由于幅度超过PHA设置而被拒绝。
死时间内的放射性丢失称为死时间丢失。
系统的死时间来源于整个系统的不同部件:
探测器、PMT、PHA、位置电路和计算机接口等等。
盖革管的死时间最长,为100~500ms(毫秒);NaI(Tl)和半导体探测器为0.5~5ms;液闪计数器只有0.1~1ms。
依据在死时间内如何处理后续脉冲,将系统分为两种类型:
瘫痪型和非瘫痪型。
在瘫痪类型,对每个事件都具有死时间,而与上一个事件的死时间无关,结果是增加系统总的死时间。
因此,若放射源计数率非常高时,这种类型的系统可能完全瘫痪。
而非瘫痪型系统只是在死时间内不响应后续事件和使这些事件丢失,它并不改变或增加死时间长度。
当系统从一个事件的探测后恢复,即可探测和处理下一个事件。
图1-9表示两种类型系统的死时间丢失情况。
充有淬灭气体的盖革计数器属于非瘫痪类型,包括γ相机和井形计数器在内的大部分计数器属于瘫痪型。
实际上,γ相机含有非瘫痪和瘫痪两类部件。
死时间计数丢失对于高计数率探测是一个严重的问题,因此必须将输入计数率降低或对观察到的计数率进行校正。
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2.2能量分辨率
由于在NaI(Tl)晶体产生的光子和PMT产生的光电子和电子的统计变化,即使能量相同的γ射线在NaI(Tl)晶体中被吸收,从PMT输出得到的脉冲幅度也是不同的。
这种情况导致被探测的γ射线光电峰变宽。
光电峰的宽度或陡度反映了γ相机区分不同能量核素的能力。
成像系统的能量分辨率通过光电峰的半高宽FWHM计算:
(FWHM的计算参考“空间分辨率评价”一节)
能量分辨率(%)=FWHM/Eγ×100
其中Eγ是γ光子的能量。
图1-10的137Cs光电峰为662keV,FWHM=55keV,则:
能量分辨率(%)=55/622×100=8.3%
能量分辨率与光子能量和探测器尺寸有关。
光子能量越高,能量分辨率越好,这是因为高能光子脉冲的统计变化比较小。
NaI(Tl)晶体探测器对于137Cs662keV的射线能量分辨率为7-10%,对于99mTc144keV的射线能量分辨率为10-14%。
Ge(Li)探测器对于144keV射线能量分辨率约为0.42%,对大于1MeV的射线能量分辨率约为0.2%。
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2.3空间分辨率
空间分辨率描述g相机准确地重现一个物体图像的能力,即清晰地反映物体内放射性核素分布的能力,定义为成像系统可分辨两个点源图像的最小距离。
g相机的总体空间分辨率(Ro)由三部分组成:
探头的固有分辨率(Ri),准直器分辨率(Rg)和散射分辨率(Rs),并有:
Ro=?
Ri2+Rg2+Rs2
Ro的值越小,表示分辨率越好。
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固有分辨率Ri
固有分辨率是探头(包括探测器和后续的电子线路)分辨率的指标,描述成像器件定位放射性事件的性能。
固有分辨率主要来源于脉冲形成过程中统计涨落影响,统计涨落包括g射线与晶体作用后光子产生的变化,以及光电倍增管(PMT)光阴极和倍增极发射电子数目的变化。
许多g相机通过增加PMT数量改善脉冲的X,Y定位,从而改善固有分辨率。
使用高灵敏度光电倍增管和改善光电倍增管与晶体间的光偶合,也有助于提高固有分辨率性能。
由于低能射线导致较大的光子产生统计涨落,高能射线可以改善固有分辨率。
一个g光子在晶体中的多次康普顿散射导致光子部分能量丢失,发生X,Y定位错误,使固有分辨率变坏。
在厚晶体中发生多次散射的机会增加,这种影响更为显著,所以g相机一般只使用较薄(0.63-1.25cm)的晶体。
使用窄的能窗屏蔽散射线,也可改善固有分辨率。
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准直器分辨率Rg
准直器分辨率又称为几何分辨率,是总体空间分辨率的主要组成部分。
准直器分辨率取决于准直器的设计。
有四种类型准直器:
平行孔、针孔、汇聚型和发散型,临床最常用平行孔准直器。
图1-11为一典型的平行孔准直器,准直器的空间分辨率由其探测半径Rg计算:
Rg=d(te+b+c)/te
式中d为准直器的孔径,b为准直器表面至放射源距离,c为准直器后表面至晶体中心平面距离,te为准直孔有效长度。
实际上te=t-2m-1,其中m是准直器材料(铅)的线性衰减系数,t是准直孔长度或厚度。
这一校正用于补偿光子在两处孔边角的穿透影响。
从Rg的计算公式可见,增加准直孔长度t或减少准直孔径d可以改善准直器分辨率,长窄孔准直器具有好的空间分辨率。
准直器表面至放射源距离b是影响空间分辨率的另一个重要因素,在准直器表面分辨率最好,随着b增加分辨率下降。
因此在临床检查中,病人应该尽可能靠近准直器,以获得最好的分辨率。
准直孔之间的铅称为铅间隔,g射线对铅间隔的穿透对准直器分辨率有重要影响,且与g射线能量有关。
来自探头视野外部的高能光子可能穿过铅间隔进入探头导致图像模糊。
目前生产的准直器适用于50-300keV的g射线,最合适的光子能量是150keV。
能量低于50keV的光子会被身体组织吸收,能量高于300keV的光子会穿透铅间隔。
可以按特定的光子能量,制作具有合适铅间隔厚度的准直器。
对于平行孔准直器,用于150keV以下g射线的低能准直器铅间隔约为零点几毫米,而用于高至450keVg射线的中能准直器铅间隔约为几毫米。
所以对于同样直径的准直器,低能准直器准直孔数目要比高能准直器的多。
通常高能准直器的效率和分辨率都比低能准直器差。
准直器除了按能量进行分类外,还可按灵敏度和分辨率分类。
通常这类准直器有相同的直径和孔数,但厚度不同,孔径长的称为高分辨率准直器,短的称为高灵敏度准直器。
高灵敏度准直器的空间分辨率随着源与准直器距离的增加迅速下降。
通用性准直器在设计上兼顾了灵敏度和分辩率。
针孔、汇聚型和发散型准直器的分辨率公式与平行孔相似,但略为复杂。
在这类准直器焦点位置可获得最高分辨率。
图1-12给出不同准直器的系统空间分辨率与源-准直器间距离的关系。
FANBEAM准直器基本上是汇聚型准直器,主要用于脑成像。
与平行孔准直器比
较,FANBEAM准直器具有良好的空间分辨率,但灵敏度较差。
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散射分辨率Rs
射线在人体中产生散射。
部分在探测视野以外的射线在人体内产生散射后,仅丢失少量能量并进入探测视野。
这些散射线进入探头后产生的脉冲往往可以通过脉冲高度分析器(PHA)而被记录,导致总体空间分辨率的下降。
散射分辨率Rs与放射源的种类和PHA的设置有关,散射分辨率的影响对于各种准直器是相同的。
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模糊(Blur)
模糊来源于在一个放射性分布(即人体)中每一个点源图像的扩展,成像器件的性能导致模糊。
不难理解模糊是空间分辨率的反比函数,即增加模糊,空间分辨率下降,反亦然之。
模糊影响图像对比度,其程度与成像器件的类型和放射源的强度有关。
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2.4空间分辨率的评价
靶模
用肉眼观察靶模图像,可以定性评价成像器件的空间分辨率。
靶模由四部分平行铅条组成,构成四个象限,每一象限的铅条相互垂直,封装在树脂容器内,如图1-13所示。
每一象限内的铅条宽度和间隔相同,但各象限不同。
铅条厚度必须足以阻挡所测试的射线能量。
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靶模置于γ相机探头表面,靶模上方放置一个尺寸稍大一些的57Co平面泛源,泛源的活度通常为5-10mCi,采集靶摸图像。
57Co具有122和136keVγ射线,接近99mTc能量(140keV),57Co半衰期(270天)较长,使用方便。
评价不同能量光子的空间分辨率须使用相应能量的放射性泛源。
用肉眼观察按上述方法获得的靶模图像(图1-14),以图像上所能够分辨的铅条最小间隔作为空间分辨率的评价。
显然,这种方法无法定量测试空间分辨率。
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线扩展函数LSF
线扩展函数改善评价成像系统空间分辨率的方法。
取一条内径为1mm直胶管,长度略大于探头视野,管内注入均匀放射性溶液,制成线源。
将线源置于探头表面,采集线源图像。
在线源图像上作出剖面曲线,得到线扩展函数。
计算线扩展函数的半高宽值(FWHM),得到成像器件的空间分辨率。
为了考察整个探头视野范围内的分辨率,要分别采集线源在视野内不同位置和不同方向(通常取X方向和Y方向)的图像,计算各自的空间分辨率。
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FWHM的计算
用图1-15说明FWHM的计算方法。
在LSF上确定峰值Max,取1/2Max作一水平线与LSF相交于点A和点B。
一般来说A、B两点不会正好在LSF的像素位置上,可以采用线性插值法计算出A、B点的像素位置(即x坐标值)。
在点A两端找到两个LSF的像素点C和D,它们的值最接近1/2Max,由于三角形CAO和CDK相似,可以算出点A与点O的x轴距离:
AOx=(Cy-1/2Max)/(Cy-Dy)
式中Cy、Dy分别表示点C、D的幅度(即y坐标值)。
同理可以算出BNx。
所以:
FWHM=B-A=AOx+(E-C)+BNx
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调制传递函数MTF
测试成像器件空间分辨率最完善的方法是采用调制传递函数MTF。
用图1-16说明MTF的概念:
假设一放射源活度有一起伏分布,活度最大处Amax为曲线的峰值,活度最小处Amin为谷值,这样的分布给出一个空间频率(υ),单位为周/cm或周/mm。
这一放射源的对比度或调制(Ms)由下式给出:
Ms=(Amax-Amin)/(Amax+Amin)
如果成像器件的性能是完美的,它的图像应该具有与放射源相同的分布,有同样的Amax和Amin值。
由于成像器件不可能完美,在图像的活度分布上得到的峰值是Cmax,谷值是Cmin,它们的幅度比Amax和Amin小。
图像的调制(Mi)由下式给出:
Mi=(Cmax-Cmin)/(Cmax+Cmin)
计算Mi与Ms的比值得到空间频率υ的MTF:
MTF(υ)=Mi/Ms
若Mi=Ms,MTF=1,这是一个理想的情况,要求放射源分布的起伏周期能够被区分,以及成像器件能够真实地记录每一周期的图像。
MTF=1的成像系统能够获得最佳的空间分辨率。
随着活度分布的空间频率增加,峰值和谷值就逐渐靠紧,当峰谷靠得太紧密时,成像器件就不能分辨它们,MTF趋于0,产生最差的系统空间分辨率。
0-1之间的MFT值给出适中的空间分辨率。
实际上MTF是LSF的规一化富立叶变换。
放射性活度分布可以假定为由一系列间隔无限小的线源组成,计算每一线源LSF的MTF,总和后得到总的MTF。
它们之间的函数公式较为复杂,有兴趣的读者可参考有关物理书籍。
MTF与空间频率的关系曲线用于确定成像器件的空间分辨率,图1-17绘出三个成
像系统的关系曲线。
图中可见,在低频范围(即大的起伏周期间隔),三个系统的的MTF接近一致,对于这一放射源,它们可以产生同样良好的图像。
在高频端(即起伏周期间隔紧密时),系统A给出最好的分辨率,其次是系统B,系统C最差。
值得提出的是,LSF的FWHM没有计入散射和γ射线对铅间隔的穿透的影响,而MTF提供一个对系统空间分辨率的完整描述,将上述两个因素计入在内。
此外,一个成像系统的各个部分具有各自的MTF,它们的组合给出总体MTF:
MTF=MTF1×MTF2×MTF3...
例如:
在一特定的空间频率下,γ相机探测器、PMT、PHA的MTF分别为0.8、0.6、0.7,则总体MTF为:
MTF=0.8×0.6×0.7=0.34
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2.5灵敏度
成像器件的灵敏度定义为每单位活度放射源每单位时间探测到的计数,通常表示为每毫居里每秒计数(cps/μCi)。
灵敏度依赖于准直器的几何效率、探测器的探测效率、PHA的设置和死时间。
有关探测效率效率和死时间已在本节的开始作了讨论,PHA的设置在上一节也讨论过了。
简单地说,增加射线的能量和增加放射源与探头的距离会降低探测效率,而增加晶体的厚度能够提高探测效率。
收窄PHA的窗宽减少测量计数,因而降低计数效率。
对于死时间较大的系统,探测活度大的样本时将丢失计数,使计数效率下降。
成像系统的灵敏度则主要受到准直器效率的影响。
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准直器效率Eg
准直器效率又称为几何效率,定义为每单位放射性活度通过准直器孔的g光子数目,对于平行孔准直器(见图1-11),准直器效率为:
Eg=Kd4/te2(d+a)2
其中d是孔径,te是准直孔的有效长度,a是铅间隔厚度,K是常数,与准直孔的形状和排列有关。
平行孔准直器的效率随着准直孔直径增加而增加,随着准直器厚度和铅间隔增加而降低,这与准直器的空间分辨率Rg是相反的。
所以对于一个给定的准直器,空间分辨率增加意味着效率降低,或反之。
值得注意的是,对于一个大的平面源,准直器的效率并不受探头与放射源距离的影响,在不同的距离,Eg基本不变。
对于其它类型的准直器,Eg将随探头与放射源距离变化,如图1-18所示。
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2.6均匀性
g相机在整个视野范围内对g光子应该具有一致的响应,或说在探头所有位置,探测一个点源应该能够得到相同计数。
然而,即使调整良好的g相机也会产生不均匀图像,计数密度变化达到10%。
这种非均匀性导致系统空间分辨率降低。
探头响应的非均匀性主要来源于PMT的响应,即生成脉冲的变化和对视野内脉冲X、Y定位的非线性。
常常可以看到图像边缘有一亮环,这是由于许多光子被探头边缘的反射物质所反射而进入PMT。
通常在准直器的边缘上套上一个铅环以屏蔽这种现象。
PHA能窗设置不适当也会导致非均匀性。
使用泛源图像可以检测g相机的均匀性(见图1-19)。
肉眼观察泛源图像可以发现相机失调,尤其是PMT引起的非均匀性。
有几种校正非均匀性的方法,它们通过g相机内置的微处理器进行校正。
典型的方法是采用一个99mTc放射性点源,置于探头前方约2~3米处,卸下准直器,采集测试图像并存入微处理器单元的图像矩阵中。
然后微处理器根据图像矩阵中每个像素的计数变化,为每一个像素产生校正系数。
在以后采集患者图像时,这些校正系数被用与各自的像素,对其计数进行加减操作。
即对“冷区”进行加计数操作,对“热区”进行减计数操作。
采用这种技术,均匀性可以降低到±2%~3%。
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2.7对比度
图像对比度表示在一个物体图像中相邻区域计数密度的相对变化,它是对异常组织相对于正常组织的探测能力的测试。
对比度表示为:
对比度=(A-B)/A
式中A和B分别表示正常组织和异常组织的计数密度。
图像中的病灶可以被作为“热区”或“冷区”,它指出在物体相应区域放射性吸收的增高或降低。
若干因素影响图像对比度,包括:
计数密度、放射散射、脉冲堆积、胶片类型、病灶尺寸以及患者移动。
这些因素对图像对比度有不同程度影响。
对于一幅图像,为了获得合适的对比度,必须采集一定的计数。
即使成像系统有足够的空间分辨率,若没有足够的计数,也不能获得对比度良好的图像,甚至不能发现病灶。
最佳的计数密度大约是1000计数/cm2。
计数密度取决于注入的射线活度和感兴趣组织的吸收。
增加注入活度可以改善对比度,异常组织和正常组织间吸收差异也可提高对比度。
但注入的活度必须考虑患者承受的照射剂量。
有时可以通过增加采集时间提高计数密度。
散射增加图像本底噪音,降低图像对比度。
虽然收窄能窗能减少散射,但灵敏度,即计数效率也会因窗宽收窄而降低。
在日常成像中,通常采用20%窗宽,窗的中心线对准感兴趣的能峰。
高计数率情况下,脉冲堆积现象可以降低图像对比度。
两个同时发生的康普顿事件可能相加形成光电峰,但这一事件会导致定位错误并因此影响图像。
胶片对比度是总体图像对比度的一个环节,它取决于胶片的类型。
X光胶片的密度响应优于拍立得胶片,能够获得最大的胶片对比度。
为了避免胶片显影和定影过程中产生伪影,操作应该仔细小心。
分辨一个病灶的图像对比度取决于该病灶的尺寸和它周围的本底,只有病灶尺寸大于系统空间分辨率,它才能够被识别。
否则,即使有高的计数率,也难以发现尺寸小于系统空间分辨率的病灶。
病灶尺寸因素决定于周围底活度和“冷区”或“热区”所在位置。
在低本底图像中,小尺寸“热区”有较好的对比度。
而增加“冷区”周围组织活度,“冷区”可能被掩盖。
患者在成像过程中的移动会降低图像对比度,主要是由于器官移动使正常组织与异常组织相互重叠。
检查前固定好患者或保持比较舒服的位置能够减少移动,当出现较明显移动时,可以进行移动校正或重新采集。
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