Добавил:
Sekretar
kiopkiopkiop18@yandex.ru
t.me/Prokururor I Вовсе не секретарь, но почту проверяю
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Ординатура / Хирургия / Библиотека им академика М.И. Перельмана / Книга_148_библиотеки_им_акад_М_И_Перельмана
.pdf
https://t.me/med1917
коэффициент усиления в усилителях заряда часто выражается в милливольтах на
выходе на пикокулон входного заряда;
— полоса пропускания усилителя определяется как диапазон частот, на
которых работает усилитель, и часто определяется частотами, на которых
выходная мощность падает до половины своего нормального значения (точка –3
дБ). Это важная характеристика усилителя, подключенного к детектору с
высокой скоростью счета, как это требуется, например, в позитронноэмиссионной томографии (ПЭТ);
— линейность усилителя ограничивается, когда коэффициент усиления
усилителя увеличивается до точки насыщения, что приводит к искажению
выходного импульса. Очевидно, что это важно, если динамический диапазон
импульсов, генерируемых детектором, велик. Динамический диапазон
определяется как отношение наименьшего и наибольшего полезных выходных
сигналов, причем первый ограничивается шумами в системе, а второй искажениями усилителя;
— время нарастания часто определяется как время, необходимое для
увеличения выходного импульса от 10–90 % от максимального, и является мерой
скорости или частотной характеристики усилителя;
— скорость нарастания – это максимальная скорость изменения формы
выходного сигнала для всего диапазона входных сигналов, обычно выражается
в вольтах на микросекунду. Это очень важно, если от детектора требуется
информация о времени детектора, поскольку плохая скорость нарастания
искажает большие сигналы, делая их непригодными для быстрой
синхронизации, как в ПЭТ. Для применения в ПЭТ усилитель необходимо время
нарастания порядка нескольких наносекунд, при этом форма сигнала не будет
искажаться искажений, возникающих из-за скорости нарастания, даже для самых
больших импульсов;
— звон – это проблема, когда усилитель выдает импульс, который либо
колеблется, не достигнув своего максимального значения, либо хвост колеблется
до достижения базовой линии. Это может быть серьезной проблемой, если
требуется временная или если колебания приводят к многократным срабатываниям
выходной электроники, расположенной ниже по потоку от усилителя;
— стабильность, определённо, является важным параметром усилителя,
если выходные сигналы будут использоваться в аналоговых или цифровых
целях. Важно чтобы выходной сигнал усилителя не изменялся значительно при
заданном входном сигнале, поскольку процессы, используемые для определения
позиционной, энергетической и временной информации необходимо, чтобы
выходной сигнал для данного входа был постоянным по смещению, амплитуде
и форме. Факторы, влияющие на стабильность, многочисленны, но основными
примерами являются колебания температуры, напряжения питания и скорости
счета, а также долговременный дрейф;
— шум является основным препятствием для получения изображений с
помощью любого из устройств, рассмотренных выше. Примеры включают
217
Входной импульс
Порог 1
Выходной импульс
Порог 2
https://t.me/med1917
тепловой шум, вызванный тепловым движением носителей заряда в резисторах,
дробовой шум, вызванный случайным изменением числа носителей заряда и
фликкер или 1/f-шум вызванные захватом или столкновениями носителей заряда
в структуре кремния, используемого в электронике. Эти источники в
совокупности создают вариации в выходном сигнале комбинированной системы
детектор/электроника, что может повлиять на качество получаемых
изображений. Среднеквадратичный шум системы определяется как квадратный
корень из абсолютного значения суммы квадратов дисперсий шумов.
Для системы, использующей ПМТ, доминирующим компонентом шума
является компонент, связанный с числом фотоэлектронов, произведенных на
фотокатоде, поскольку он усиливается за счет коэффициента усиления динодной
цепи ПМТ и последующей электроники. Для газонаполненного детектора
эквивалентом является число первичных электронов, образующихся на первой
стадии процесса ионизации, а для кремниевого детектора важным параметром
является начальное число образующихся пар e-h.
7.5. ОБРАБОТКА СИГНАЛА
После получения усиленного сигнала он используется для формирования
аналоговой и цифровой информации об обнаруженном событии. Аналоговый
сигнал связан с энергией, попавшей в детектор, и используется, например, для
минимизации количества рассеянных γ-лучей, принимаемых в процесс
формирования изображения. Цифровой сигнал используется для получения
пространственной и временной информации.
7.5.1. Использование аналогового сигнала
Аналоговая информация генерируется путем подачи импульса от усилителя
в одноканальный или многоканальный анализатор высоты импульса. В гаммакамере имеется несколько «энергетических окон», в которых высота импульса или
заряд сравниваются с заданными значениями, соответствующими известным
энергиям регистрируемых γ-лучей. В простейшем случае для получения
изображения γ-излучения одной энергии можно установить два порога, чтобы
отбрасывать импульсы, которые выше или ниже этих значений (рис. 7.9).
Рис. 7.9. Одноканальный анализатор амплитуды импульса — выходной импульс генерируется,
когда входной импульс находится между двумя пороговыми значениями. Эта система также
функционирует как одноканальный аналого-цифровой преобразователь
218
Вход
генератора
линейной
развёртки
Включение
Счётчик
Передача цифровой последовательности
импульсов на компьютер
Тактовый
вход
Пилообразный
сигнал
Аналоговый
импульсный
вход
Цифровой выход
Включение
Тактовый вход
Аналоговый
сигнал
https://t.me/med1917
При использовании радиоактивного вещества, испускающего несколько
различных по энергии γ-лучей, несколько порогов могут сортировать
информацию на несколько каналов или изображений.
7.5.2. Оцифровка сигнала
Аналоговые сигналы преобразуются в цифровые, которые впоследствии
используются для получения пространственной и временной информации о
каждом обнаруженном событии.
Рис. 7.10. Система преобразования с одним шагом на основе преобразователя с генератором
пилообразного напряжения для оцифровки аналоговых импульсов
Для этого используется АЦП. Простейший способ оцифровки аналогового
сигнала – использование однонаклонного преобразователя (рис. 7.10). Для этого
генерируется сигнал темпа и одновременно запускается тактовый генератор,
вырабатывающий цифровые выходные импульсы. Когда темп сигнала
превышает входной импульс, тактовый генератор останавливается и количество
Рис. 7.11. Последовательность импульсов от системы, показанной на рис. 7.10
генерируемых импульсов соответствует амплитуде сигнала. Чем быстрее
тактовый генератор, тем выше точность оцифровки. Это относительно простое и
219
Аналоговый
входной
импульс
Исходный уровень 1
Логический
блок
1-й бит
Исходный уровень 2
Исходный уровень 3
Исходный уровень 2N – 1
N-й бит
2-й бит
3-й бит
https://t.me/med1917
недорогое решение, но медленное, так как время, необходимое для оцифровки
импульса, составляет 2N тактов. Последовательность импульсов, формирующая
цифровой выход, показана на рис. 7.11. Важной особенностью является то, что
форма аналогового импульса должна быть постоянной, чтобы осуществить
точное преобразование. Очевидно, что можно использовать более одного
темпового сигнала, чтобы осуществить несколько областей оцифровки, если в
какой-либо области требуется большая или меньшая точность.
Более быстрый метод аналогово-цифрового преобразования возможен при
использовании флэш-АЦП. Для этого используется большое количество
компараторов (см. рис. 7.12), каждый из которых имеет свой опорный уровень.
Выход каждого из них является входом в логический блок, который формирует
несколько бит цифрового сигнала. Если требуется выход N бит, то необходимо
2N – 1 компараторов. Метод быстрый, так как преобразование занимает один
такт, но система сложная, дорогая и потребляет много энергии. Обычно для
визуализации в ядерной медицине требуется от 8 до 12 бит.
Рис. 7.12. Схема аналого-цифрового преобразователя FLASH, выдающего N бит цифровых данных
7.5.3. Производство и использование информации о времени
В ПЭТ-системах очень важна временная привязка событий, поскольку
только пары аннигиляционных фотонов от одного и того же радиоактивного
распада вносят положительный вклад в изображение. Поскольку скорость
одиночного счета в ПЭТ-сканере может быть очень высокой, для получения
изображений совпадений и измерения времени пролета требуется быстрая
синхронизация. Системы синхронизации совпадений могут быть основаны на
отсчете времени по переднему фронту двух импульсов, по точке «пересечения
нуля» дифференцированных импульсов или на использовании метода
постоянной доли. Основная проблема при использовании простого триггера по
переднему фронту заключается в том, что изменение высоты импульсов
аналоговых сигналов приводит к большому разбросу во времени. На
рисунке 7.13 показано, как два импульса от детекторов в системе ПЭТ
используются для генерации совпадения с CFD.
220
Аналоговый
вход 1
CFD1
Аналоговый
вход 2
CFD-триггер
Выход
Точка срабатывания при пересечении нуля
CFD2
https://t.me/med1917
Рис. 7.13. Использование дискриминаторов с постоянной составляющей (CFD) для генерации
выходных данных с быстрым совпадением — на вставке показано, как точка срабатывания
задается постоянной составляющей амплитуды импульса
Точки срабатывания синхронизации происходят при постоянной доле
сформированного аналогового сигнала, так что на синхронизацию не влияет
разная высота импульсов сигнала. В этом примере CFD1 генерирует строб с
шириной, более чем в два раза превышающей измеренное временное разрешение
детекторов. Если импульс от CFD2 попадает в эти ворота, генерируется выход
совпадения (AND); в противном случае событие отклоняется.
Альтернативным методом определения времени по импульсу является
метод пересечения нуля (рис. 7.14). В этом методе импульс дифференцируется
для получения биполярного импульса - время отсчитывается от точки, где
импульс пересекает контрольную линию, которая обычно привязана к земле –
отсюда и «пересечение нуля». И снова важно тщательно контролировать форму
импульсов, чтобы свести к минимуму джиттер в информации о времени.
Рис. 7.14. Сигнал синхронизации, генерируемый из точки пересечения нуля
дифференцированного сигнала
Если необходимо сохранить информацию о синхронизации, то два
импульса от CFD могут быть введены в TDC. В этом случае первый импульс
запускает, а второй останавливает часы – количество генерируемых импульсов
пропорционально разнице во времени между импульсами. При использовании
быстрых часов можно получить отличную информацию о времени, например,
для расчетов времени полета.
221
Двухполупериодное выпрямление
Вход переменного тока
Трёхфазное двухполупериодное выпрямление
Однополупериодное выпрямление
https://t.me/med1917
7.6. ПРОЧАЯ ЭЛЕКТРОНИКА, НЕОБХОДИМАЯ ДЛЯ СИСТЕМ
ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ
7.6.1. Источники питания
Низковольтные источники питания используются для осуществления
питания полупроводниковых систем, где достаточно нескольких десятков вольт.
В некоторых случаях батареи могут предоставить достаточную мощность, но
необходимость поддерживать постоянный ток и напряжение делает это скромным
решением. Обычно низковольтный источник питания преобразует переменный
ток сети, обычно 240 В (или 110 В), в постоянное напряжение, например, ±15 В и
±5 В, чтобы осуществить линейное напряжение для транзисторов и диодов. Для
этого используется трансформатор, который понижает напряжение, и
выпрямитель, обычно диод, который пропускает только одну половину сигнала
переменного тока – это полуволновое выпрямление (рис. 7.15).
Полноволновое выпрямление достигается с помощью диодного моста,
который позволяет использовать обе половины сигнала переменного тока,
причем одна половина инвертируется. Колебания устраняются с помощью
фильтра, обычно конденсаторов. Наиболее плавный выход постоянного тока
осуществляется при использовании трехфазного входного сигнала
переменного тока. Выходной сигнал обычно пропускается через
стабилизатор напряжения для стабилизации напряжения и устранения
последних следов пульсаций.
Рис. 7.15. Преобразование переменного тока в постоянный с использованием
трансформаторно-выпрямительной системы
Для ПМТ и МВПЦ требуются источники питания, способные
предоставить напряжение до нескольких киловольт. Например, каждая пара
динодов в ПМТ обычно имеет напряжение между ними не менее 100 В, а между
фотокатодом и первым динодом может быть еще больше, чтобы
222
https://t.me/med1917
максимизировать раннее усиление ПМТ. Эти источники питания обычно имеют
осциллятор и повышающий трансформатор, работающий на высокой частоте,
чтобы предоставить привод, плюс умножитель напряжения, состоящий из
стопки диодов и конденсаторов.
7.6.2. Источники бесперебойного питания
Эта форма поддержки необходима системе обработки изображений для
преодоления потерь энергии в периоды перебоев в электросети. В этом случае
выходная мощность поступает от аккумуляторной батареи через инвертор. Пока
сеть доступна, она заряжает аккумулятор, а также осуществляет питание
устройства формирования изображений. Если питание от сети прерывается,
батарея продолжает осуществлять поддержку, чтобы система визуализации
могла продолжать работать. Размер системы батарейной поддержки напрямую
зависит от того, как долго требуется резервное копирование или сколько
времени, например, требуется оператору для сохранения данных и выключения
системы. Как и в большинстве других систем визуализации, электросеть
заменяется генератором. Период поддержки часто бывает коротким, но обычно
от источника бесперебойного питания можно работать несколько часов.
7.6.3. Осциллографы
Для оптимизации использования оборудования для генерации импульсов
необходим осциллограф. Этот тип устройства позволяет отображать импульсы,
поступающие от детекторов, на различных этапах формирования до их
использования в производстве изображений. Например, проиллюстрированные
выше последовательности импульсов могут быть отображены на осциллографе,
что позволяет настроить оборудование для получения оптимальной аналоговой
и цифровой последовательности, формы и размера импульсов.
Осциллограф позволяет отображать импульсы на двухмерном дисплее, где
вертикальная ось обычно представляет собой напряжение (высоту импульса), а
горизонтальная – время. Помимо амплитуды импульсов, дисплей осциллографа
можно использовать для анализа частоты исследуемых сигналов, а также для
обнаружения любых искажений импульсов, таких как осцилляция или
насыщение. В усовершенствованном виде осциллограф может работать как
анализатор спектра в широком диапазоне частот импульсов.
Первые осциллографы были основаны на катодно-лучевой трубке для
отображения импульсов, но в более современных системах используются
жидкокристаллические дисплеи, подключенные к АЦП и другой электронике
для обработки сигналов. АЦП и другой электроникой для обработки сигналов.
Для пользователя осциллограф представляет собой коробку с экраном,
входными разъемами и различными элементами управления. Ввод сигнала от
оборудования может осуществляться либо напрямую с помощью
соединительных кабелей или Ввод сигнала от оборудования может
осуществляться, либо напрямую с помощью соединительных кабелей/гнезд,
223
https://t.me/med1917
либо через пробники, часто с высоким сопротивлением (например, 1 MΩ) или,
для высокочастотных сигналов, 50 Ω. Трасса на экране осциллографа
настраивается с помощью различных элементов управления. Регулятор
временной базы позволяет настроить горизонтальное отображение, например, от
10 нс до секунд, а регулятор высоты импульса – от милливольт до вольт. Другие
элементы управления включают в себя искатель луча, яркость и фокусировку
пятна, управление решеткой (для осуществления визуальной сетки измерений),
управление полярностью импульсов и уровнем триггера, управление
горизонтальной и вертикальной протяженностью и положением, выбор
источника триггера (особенно полезно для отображения совпадения импульсов)
и управление разверткой, например, для осуществления одиночной,
множественной и отложенной развертки. Пример осциллографа, который можно
использовать для изучения импульсов от оборудования для формирования
изображений, показан на рис. 7.16.
Рис. 7.16. Передняя панель осциллографа «Тектроникс» 465
В последнее время появилась возможность установить на компьютер
программные средства для осциллографа, что позволяет получить недорогое
решение для отображения импульсов.
7.7. РЕЗЮМЕ
Приведенная выше информация дает общий обзор оборудования и
электроники, используемых в визуализации ядерной медицины. В некоторых
случаях производители разработали специальные многоканальные электронные
системы считывания, адаптированные к детекторам. Эти системы включают в
себя отдельные элементы электроники, описанные выше, в компактном
исполнении, что повышает скорость и точность. Такие системы обычно
специфичны для конкретного прибора.
224
https://t.me/med1917
БИБЛИОГРАФИЯ
HOROWITZ, P., HILL, W., The Art of Electronics, Cambridge University Press (1982).
INIEWSKI, K. (Ed.), Medical Imaging: Принципы, детекторы и электроника, John Wiley and
Sons, Hoboken, NJ (2009).
TURCHETTA, R., Обработка электронных сигналов для медицинской визуализации, Phys.
Med. Imaging Appl. 240 (2007) 273-276.
WEBB, S., The Physics of Medical Imaging, Hilger (1988).
225
https://t.me/med1917
ГЛАВА 8
ОБЩИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ
М. Э. ДАУБ-ВИЗЕРСПУН
Кафедра радиологии,
Пенсильванский университет,
Филадельфия, Пенсильвания,
Соединенные Штаты Америки
8.1. ВНУТРЕННИЕ И ВНЕШНИЕ МЕРЫ
8.1.1. Общие образцы для ядерной медицины
Обычный прибор для получения изображений в ядерной медицине, будь
то гамма-камера, система однофотонной эмиссионной компьютерной
томографии (ОФЭКТ) или позитронно-эмиссионный томограф (ПЭТ), состоит
из нескольких основных компонентов: системы обнаружения, коллимации для
отбора γ-лучей под определенными углами, электроники и вычислительной
системы для создания карты распределения радиоактивного вещества. В данном
разделе эти компоненты рассматриваются более подробно.
Первым этапом работы обычного устройства для получения изображений
в ядерной медицине является обнаружение γ-лучей, испускаемых
радионуклидом. В случае ПЭТ интерес представляют аннигиляционные фотоны
с энергией 511 кэВ, возникающие в результате взаимодействия позитрона,
испускаемого радионуклидом, с электроном в ткани. Для общей ядерной
медицины и ОФЭКТ интерес представляет одно, а иногда и более одного γизлучения с энергией в диапазоне от <1 00 до > 400 кэВ.
γ-лучи обнаруживаются, когда они взаимодействуют и накапливают
энергию в кристалле (кристаллах) системы формирования изображения.
Существует два основных типа детекторов: кристаллы, излучающие свет,
который может быть преобразован в электрический сигнал при взаимодействии
γ-лучей («сцинтилляторы»), и полупроводниковые детекторы.
(«сцинтилляторы») и полупроводники, кристаллы, которые генерируют
электрический сигнал сигнал непосредственно, когда γ-лучи откладывают
энергию в кристалле. Сцинтилляционные детекторы включают NaI(Tl), германат
висмута (BGO) и оксиортосиликат лютеция (LSO); Полупроводниковые
детекторы, используемые в рентгеновских аппаратах ядерной медицины,
включают кадмий-цинк теллурид кадмия-цинка (CZT). Более подробно
радиационные детекторы описаны в главе 6.
Когда γ-лучи взаимодействуют в сцинтилляционном кристалле, они отдают
часть или всю свою энергию. Эта энергия переизлучается в виде света с длиной
волны, зависящей от материала кристалла, но не от энергии γ-лучей. Чем больше
энергии депонировано в кристалле, тем выше интенсивность излучаемого света.
Сцинтилляционные кристаллы соединены с фотоэлектронными умножителями
226
Соседние файлы в папке Библиотека им академика М.И. Перельмана