伽玛相机成像

中国科学技术大学射线成像实验室伽玛相机成像实验核医学简介 核医学 （ nuclear medicine） 采用放射性同位素来进行疾病的诊断、治疗及研究，它是核技术与医学相结合的产物。 它可以定量无损地研究人体组织器官（心、脑、肺、肾、胃、甲状腺等）的功能情况，以及代谢物质或药物在人体内的分布和变化。 诊断核医学可划分为两类： 1体外诊断，将放射性核素放在试管中（ in vitro） 进行放射性免疫测量或活化分析； 2体内诊断，把放射性核素引入活体内（ in vivo）， 进行脏器功能测量或显像。后者为当代核医学最主要的工作领域。临床使用的放射性核素 半衰期合适。常选用半衰期为几小时的到几天的核素。现在半衰期为几分钟的放射性核素也开始在临床上使用。 射线的种类和能力恰当。临床使用的 射线能量一般在 50 500KeV之间。 产生的射线种类及能量单一，以减少散射和其它效应形成的测量本底。 影像核医学 影像核医学以放射性核素（药物）在体内的分布作为成像依据，反映了人体代谢、组织功能和结构形态。 影像核医学显像的条件为： 具有能够选择性聚焦在特定脏器、组织和病变的放射性核素或放射性标记药物，使该脏器、组织或病变与临近组织之间达到一定的放射性浓度差； 利用核医学显像装置探测到这种放射性浓度差，根据需要采用合适的影像设备以一定的方式将它们显示成像，得到的就是脏器、组织或病变的影像。 影像核医学的特点 高灵敏度，目前已经可测量 300种以上的活体，可探测到 10 15 10 9克的示踪同位素； 无创伤性； 反映体内的生化和生理过程； 同时反映组织或脏器的形态与功能； 动态观察。它在临床诊断和基础医学的研究方面都具有重要意义，因而获得了广泛的应用。影像核医学 在临床上的应用 在临床诊断上，影像核医学能够应用于内分泌系统（如甲状腺、甲亢、甲状腺结节功能判断、异位甲状腺等），心血管系统（如冠心病的早期诊断，心肌梗塞等），神经系统（如脑肿瘤、癫痫、脑功能等），骨关节系统（如骨原发及转移性肿瘤的早期诊断），消化系统（如肝癌及肝血管瘤的鉴别诊断、消化道出血），泌尿系统（如肾功能测定），全身肿瘤的良、恶性鉴别诊断、分期等各个方面。其中骨显像应用最为广泛，是核医学检查最多的项目，主要应用于恶性肿瘤的骨转移、骨骨头坏死、骨质疏松等。其次是心脏显像，核素心肌灌注显像、 99mTc标记化合物的广泛应用和单光子断层技术与图像处理系统的发展，已经使心肌灌注显像诊断心肌缺血的准确性提高了一大步，目前已经成为评价冠心病最重要的无创伤性技术之一。 影像核医学的探测系统的改进与完善 影像核医学的探测系统一直在不断改进与完善中，但距临床要求仍有一定的距离，主要问题是采集的信息量低和空间分辨率较差，需要提高灵敏度和和分辨率，以尽量少的放射性示踪原子得到尽量高质量的图像，从而减少病人所受放射性剂量基础上提高分辨。 目前研究的重点集中在开发新的探测材料与技术，如新的晶体与光电倍增管等，以及高速度数字化的电子线路。 目前新的发展是利用图像融合技术，将 SPECT和CT， PET和 CT， 或 PET与 MRI（ 核磁共振）的图像进行融合，同时得到人体的解剖图像和功能图像，提高对疾病的诊断能力。 随着核医学的发展，最近提出了分子核医学的概念，它是分子生物学与核医学技术相结合的产物，将对疾病发生发展机制的认识，疾病的早期诊断与治疗，发挥着重要的作用，也可能是一个革命性的变革。这些新进展，包括应用 PET进行基因显像（ imaging gene expression in vivo with PET）； 应用 111In进行 C-mycmRNA反义显像，并大力发展分子显像探针。 目前使用的几种核医学仪器设备 X光机成像 。它是利用 X射线的物理性能和生物效应，来对人体器官进行检查的。当 X射线穿透人体后，因为强度的衰减与人体的各器官组织及骨骼的组成和密度相关，从而在显像屏上或照像底板上呈现不同对比度的影像，它反映了人体的内部构造。通过对影像的分析可以达到诊断的目的。 X CT。 由于 X光机只能把人体内部形态投影在二维平面上，因此会引起成像器官的前后重叠，造成影像模糊。为了克服这一缺点，有人把计算机技术应用进来，建立了 X射线计算机断层图像重建技术（ X Computal Tomography简称 X CT）。 X CT是利用围绕人体的脏器扫描时得到的大量 X射线吸收数据来重建人体的脏器的断层图像的。 X CT除广泛应用于临床诊断外，在工业方面也有重要应用，如无损检测工业 CT。 E CT。 除了 X CT外，还有一种称为 E CT的发射性计算机断层成像方法。它与X CT的不同之处是 X CT的射线源在成像体的外部，而 E CT的射线源在成像体的内部。 E CT成像是先让人体接受某种放射性药物，这些药物聚集在人体某个器官种或参与体内某种代谢过程，再对脏器组织中的放射性核素的浓度分布进行成像。因此，利用 E CT不仅可得到人体的解剖图像，还可得到生理，生化，病理过程及功能图像。目前的 E CT包括三种成像装置： 照相机， SPECT和 PET。 照相机 (Anger照相机 )。 一次成像的 照相机擅长快速的动态显像，它可以输出动态的二维平片（ planar）， 它是核医学最常用的成像设备。它主要由探测器（包括准直器，闪烁晶体，光电倍增管等），电子学读出系统和图像显示记录装置等几部分组成 。 照相机 (Anger型 )多数采用一块大直径的 Na(TI)晶体和数十只按一定形状（例如，正六角形）排列分布的光电倍增管相耦合的方法。人体接受某种放射性药物后，脏器中的放射性核素发出的 射线通过准直孔射入晶体产生荧光，光电倍增管输出电脉冲的幅度与接受到的闪烁光强度成正比。对应于每个入射的 光子，光电倍增管分别输出两种信号，即位置信号和能量信号。每个管子的位置信号经过矩阵电阻链分别输入到四个放大器，其输出信号给出晶体中荧光产生点的重心位置，它即为入射的 光子击中晶体的位置；同时，所有光电倍增管的能量信号通过加和电路，其输出作为总的能量信号，它的大小与荧光光量成正比，从而在图像显示上呈现内脏器官投影面的图像。采用位置灵敏光电倍增管和晶体相耦合，可进一步提高 照相机位置分辨。 SPECT。 SPECT（ Single Photon Emission Computerized Tomography） 是单光子发射计算机断层照相的简称，它以 发射体为成像对象，其探测光子的原理和 照相机相同。它是在 照相机的基础上发展起来的。目前大多采用横向断层扫描，即断层面与人体轴垂直，将一个或两个 照相机探头绕人体轴连续或分度旋转一周，将探头从多角度上得到的连续的二维投影数据重建后即可得到横断面的图像。 PET。 正电子发射计算机断层扫描（ Positron Emission Computerized Tomography,简称 PECT或 PET） 是目前最先进的医疗诊断设备。当人体内含有发射正电子的核素时，正电子在人体中很短的路程内（小于几 mm） 即可和周围的负电子发生湮灭而产生一对 光子，这两个 光子的运动方向相反，能量均为 0.511MeV， 因此，用两个位置相对的探测器分别探测这两个光子，并进行符合测量即可对人体的脏器成像。 我国核医学当前的现状 我国核医学从 50年代末起步，现在全国有 800多家医院设有核医学科或室，拥有 350多台单光子发射计算机体层显像仪（ SPECT）， 100多台 相机， 12台正电子发射断层显像仪（ PET）， 已经初具规模。国内核医学还存在以下问题 : 1.地区发展不平衡2.人才素质尚不高 ,基础与临床研究以仿造跟踪为主，缺乏创新性3.核医学仪器国产化不足 (如 SPECT国内 350台全部进口 )。 相机的一般组成 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。 （我们用的是模拟脏器和点源） （ 2） 类似于普通相机透镜的准直器系统。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。我们用的 相机的示意图实验原理从源发出的经过准直孔的 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，最后投射到位置灵敏光电倍增管上。将光电倍增管读出的信号通过在线数据获取系统，计算出该事件在闪烁晶体内的作用位置（ x,y 坐标），然后将该像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。 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十字型丝状阳极及电荷分配法读出线路和前置放大器图它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 105以上），再由末极倍增极（反射型）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 105以上 。它的阳极丝数为 16(X)16(Y)， 从末极倍增极发射的电子群打到、两个方向的丝状阳极上，沿X1 、 X2 、 Y1 、 Y2方向分流。阳极用电阻回路连接起来，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 X、 Y信号和能量信号 E：X=(X1-X2)/( X1+X2)Y=(Y1-Y2)/( Y1+Y2)E= X1+X2+ Y1+Y2压缩效应的成因数字图象处理的基本概念 图象一般指外界景物在底片上的成象，也叫图片。象素是图象的最小组成单位，也叫象元。各个象元是按照行和列整齐排列的。如图所示。图中第一行第一列的象素为 f11， 第二列象素为 f12 ,第二行第一列的象素为 f21， 第二列的象为素 f22 。 因此，在数字数字图像处理中，我们用 f(i,j)来表示这幅图像。 在数字图像中各个像素所具有的明暗程度是由一个称为灰度值（ gray level） 的数字所标识的。 任何一幅用这个灰度表示记录的图像，它的每一个像素的灰度值都是由 0 N之间的某一个数字标定的。 N一般为 256，也可为 512。 在用二维连续函数 f(i,j)来描述的图像中， (i,j)是图像平面上任意一个二维坐标点， f指出该点颜色的深浅（即灰度值）。 所以在把一幅图像记录进文件时，必须同时记录下各像素在矩形点阵中的位置及该像素的灰度值。但是实际上我们可以利用各像素在文件中的记录位置了暗示其在图像点阵中的位置，这样就可以省去记录像素位置坐标的数据量，而各像素的数据只用来记录其灰度值。但是文件中的数据只能以一维方式记录，而图像点阵是二维的。为了用一维形式记录二维图像，通常采用的办法是将各行像素的首尾相连。 例如，在一个存储一幅 n m图像的数据文