医学影像设备学第8章核医学成像设备

医学影像设备学医学影像设备学 第八章第八章 核医学影像设备核医学影像设备 重点难点 v核医学成像设备的基本部件 v准直器、晶体的基本结构、特点 vSPECT的基本结构及工作原理 vPET的基本结构及工作原理 v双模式分子影像技术和设备 第一节第一节 概概 述述 目录 一、发展简史 二、分类及应用特点 核医学定义 核医学是研究核技术在医学中的应用及理论的学科。 应用放射性核素或核射线诊断疾病、治疗疾病或进行 医学研究的学科。 核医学是医学与核物理学、核电子学、化学、生物学 以及计算机技术等学科相结合的产物。 也是和平利用原子能的重要方面。 第一节 概述 核医学成像 是一种以脏器内外正常组织与病变组织之间的放射性 浓度差别为基础的脏器或病变的显像方法。 将放射性核素或其标记化合物引入体内，利用核医学 成像仪器在体外探测体内放射性药物的分布并成像。 亦称为功能成像或代谢成像，这是其他技术难以实现 的。 第一节 概述 第一节 概述 一、发展简史 1950 1951 井型晶体闪烁计数器井型晶体闪烁计数器 闪烁扫描仪闪烁扫描仪 1976 1979 1957 照相机照相机 PETPET SPECTSPECT 2001 PET/CTPET/CT SPECT/CTSPECT/CT 2010 PET/MRPET/MR 1951年，第一台闪烁扫 描仪（Benedict Cassen） 1957年，第一台照相机（Hal O Anger） 1964年，商品化照相机 1976年，第一台商业化PET（ECAT） 1979年，第一台实用SPECT（ David Kuhl和Edwards ） 1998年，SPECT/CT（美国GE公司） 2000年，PET/CT（美国CTI公司） 2010年，全身一体化PET/MR（德国西门子公司） Landmark Landmark in the history of radionuclide imaging 第一节 概述 Cassen and scanner(扫扫描仪仪) 1951年美国加州大学的 Cassen研制出第一台闪烁扫 描 仪（Scintillation Scanner）； 逐点打印方式获得器官的图像； 促进了显像的发展； 美国核医学会专门设 立了 “CassenCassen award award”。 第一节 概述 David Kuhl n1952年美国Pennsylvania大学一年级医学生David Kuhl设计了扫描机光点打印法。 n1959年用双探头扫描机进行断层扫描，并进一步研制 和完善断层显像仪器，使得SPECT和PET成为核医学 显像的主要方法。 n1996年获得“Cassen award”，被称为 The Father of Emission TomographyThe Father of Emission Tomography n可以认为，没有他的远见，核医学有可能不会发展成 为具有特色的专业。 The father of emission tomography 第一节 概述 Robert Newell n1952年Robert Newell 发明了聚焦多孔准直器 ； n提出了NuclearNuclear 一词。 第一节 概述 Anger and camera n1957年Anger研制出第一台 照相机，称之为 AngerAnger照照 相机相机。 n1963年在日内瓦原子能和平 会议上展出。克服了逐点扫 描打印的不足，使核医学显 像走向现代化阶段。 第一节 概述 二、分类及应用 扫描机 照相机 SPECT PET 分子影像 ？ Static Dynamic Planner Tomo Functional Imaging Molecular Functional imaging 21世纪 Fusion image 第一节 概述 Crucial protein Cell structureDNA, RNA, Enzyme 2 C H 1 V LV H C k C H3 HC Receptor, Transporter SPECT/CT PET/CT PET/MRSPECT/CT PET/CT PET/MR Fusion imageFusion image 第一节 概述 （一）照相机 n结构： 闪烁探头、电子线路、显示记录装置以及一些附加设备。 n优势优势 ： 通过连续显像可进行脏器动态研究； 检查时间相对较短，方便简单，特别适合儿童和危重病人检查； 显像迅速，便于多体位、多部位观察； 通过图像处理，可获得有助于诊断的数据或参数。 n已逐步被SPECT以及之后的SPECT/CT所替代。 第一节 概述 （二）SPECT n结结构： 在一台高性能照相机的基础上增加了探头头旋转转装置和 图图像重建的计计算机软软件系统统。 n优势优势 ： n发现较 小的病灶和深部病变，帮助定量分析。 n在心肌血流灌注、脑血流灌注、骨盆显像、全身显像等 方面比相机具有明显的优势。 n兼有多种显像方式。 n提高灵敏度，缩短断层采集的时间 ，提高图像质量。 第一节 概述 （二）SPECT 不足： n灵敏度低。 n衰减及散射影响较大：体内发射的光子碰到高密度 物质(例如骨、准直孔边缘等)发生的散射同样也会使 正常图像叠加上一幅完全不均匀的伪像。这一直是 发射显像明显存在的固有缺陷。 n重建图像的空间分辨率低：固有空间分辨率为 3 4mm半高宽度（full width at half maximum， FWHM），重建图像固有空间分辨率为 68mm。 第一节 概述 （三）双探头符合线路SPECT n结结构： 在常规规双探头头SPECT上通过改进探头设计 、电子线路 、图像校正和图像重建等方面，实现对 正电子核素探测 的影像设备。 双探头头SPECT符合探测测外形图图及原理示意图图 第一节 概述 n优势优势 ： 其在保证探测灵敏度和分辨率的前提下，兼顾顾常规规低能核素显显像 与正电电子核素显显像（主要是18F-FDG），有效完成PET所具有的 部分临床诊断任务。 n不足： 空间分辨率、灵敏度、图像对比度和进行动态显 像的能力显然 不如专专用PET； 进行18F-FDG显像的检查时间较长检查时间较长 ，无法使用超短半衰期正电 子核素（11C和15O等）。 （三）双探头符合线路SPECT 第一节 概述 （四）PET n结结构： 探测器和电子学线路 、扫描机架和同步检 查床、计算机及其辅 助设备。 第一节 概述 （四）PET n优势优势 ： n所用正电子放射性核素（如11C、13N、15O等）可参与人体 的生理、生化代谢过 程；半衰期比较较短。 nPET对射线的限束是电电子准直（Electronic Collimator）， 其灵敏度比SPECT高10100倍；改善了分辨率（可达 4mm），图像清晰，诊断准确率高。 n衰减校正更准确。 n可进行三维分布的“绝对 ”定量分析，远优 于SPECT。 第一节 概述 （五）动物核医学显像仪器 n分类类： 动物SPECT（micro-SPECT）和动物PET（micro-PET）。 n特点： 设计 及工作原理与临床SPECT和PET设备 一样。 应用对象：实验动实验动 物。 具有更高的灵敏度和空间分辨率。 目前主要应用于药物研发和疾病研究等生物医学基础研究。对动 物进行活体、定量检查 ，获得活体内的动态 信息，实验结 果可 直接类推至临床。 第一节 概述 第二节第二节 核医学成像设备核医学成像设备 的基本部件的基本部件 目录 一、基本结构与工作原理 二、准直器 三、闪烁晶体 第二节核医学成像设备的基本部件 一、基本结构与工作原理 准直器 闪烁晶体 光电倍增管 放射性探测器 前置放大器 定位电路 显示记录装置 机械支架和床 探测器结构示意图 照相机的组成： 准直器（collimator） 闪烁晶体 光电倍增管（PMT） 预放大器、放大器 X、Y位置电路 总和电路 脉冲高度分析器（PHA） 显示或记录器件等 第二节核医学成像设备的基本部件 第二节核医学成像设备的基本部件 核医学成像设备基本部件示意图 n射线通过铅准直器孔道投射到晶 体上； n晶体产生的闪烁荧光可同时经光导 传输到所有的光电倍增管上，靠近 荧光点的光电倍增管接收到的光子 多，输出的电脉冲幅度大； n晶体中发生一个闪烁事件就会使排 列有序的光电倍增管阳极输出众多 的幅度不等的电脉冲信号，对这些 信号经过权重处理，就可得到这一 闪烁事件的位置信号P。 闪烁荧光传输到各光 电倍增管的示意图 第二节核医学成像设备的基本部件 定位电路 在每个光电倍增管的输出端加一个与位置有关的权重 电阻或权重延迟线，每个管输出的信号进行位置权重 ，再利用加法电路和减法电路将所有经过的位置权重 的信号总和，利用比分电路得出这一事件将有的位置 信号P。 第二节核医学成像设备的基本部件 光电倍增管工作原理 第二节核医学成像设备的基本部件 n每一个光电倍增管都与4个电阻 相连接，各电阻的阻值根据管的 位置不同而异。任何闪烁事件发 生在晶体的某个部位，相对应的 光电倍增管通过位置权重电阻矩 阵就会输出特有的位置信号和能 量信号。 n每一个管都输出经过位置权重的 X+、X、Y+和Y值，最后需由 加法电路将各管的输出值按X+、 X、Y+和Y分别总和起来而给 出此事件的X、Y、Z信号。 位置权重电阻 矩阵示意图 第二节核医学成像设备的基本部件 二、准直器 n安置在晶体前方的一种特制屏蔽，使非规定范围 和非规定方向的射线不得入射晶体，起定位采集 信息的作用。 第二节核医学成像设备的基本部件 （一）准直器的主要性能参数 1. 几何参数 2.空间分辨率 3.灵敏度 4. 适用能量范围 第二节核医学成像设备的基本部件 1. 几何参数 包括孔数、孔径、孔长、孔间壁厚度，它们决 定准直器的空间分辨率、灵敏度和适用能量范 围等性能参数。 准直器结构示意图 第二节核医学成像设备的基本部件 2.空间分辨率 对两个邻近点源加以区别的能力，通常以准直器一个孔 的线源响应曲线的FWHM作为分辨率（R）的指标，R 越小表示空间分辨率越好。 空间分辨率随被测物与准直器外口距离的增加而减低（ 因此，显像时应尽量将探头贴近受检者体表）。准直器 孔径越小，分辨率越好。准直器越厚，分辨率也越高。 第二节核医学成像设备的基本部件 3.灵敏度 灵敏度（S）为配置该准直器的探头实测单位活度（如 1MBq）的计数率（计数s） S=106feE f为所测射线的丰度 e为光电子峰探测效率 E为准直器几何效率 此公式中未考虑射线在被检物体内的衰减。 第二节核医学成像设备的基本部件 4. 适用能量范围 主要由孔长及孔间壁厚度决定。 高能准直器孔更长，孔间壁也更厚。 厚度0.3mm左右者适用于低能（150keV）射线探测 1.5mm左右者适用于中能（150keV350keV）射线探测 2.0mm左右者适用于高能（350keV）射线探测 第二节核医学成像设备的基本部件 （二）准直器的类型 1.按几何形状：针孔型、平行孔型、扩散型、会聚型 2.按适用的射线能量：低能、中能、高能准直器 3.按灵敏度和分辨率：高灵敏型、高分辨型、通用型 准直器类型 第二节核医学成像设备的基本部件 第二节核医学成像设备的基本部件 孔数（ x1000 个） 准直器厚 度 (mm) 孔壁厚 度 (mm) 孔径 (mm ) 距10厘米处 灵敏 度 (cpm/uCi) 几何分辨率 ，10厘米 处(mm) 系统分辨率 ，10厘米处 (mm) 透射 率 低能高分辨准 直器(LEHR) 14824.050.161.112026.47.51.5% 低能通用准直 器(LEAP) 9024.050.21.453308.39.41.9% 低能超高分辨 准直器 (LEUHR) 14635.80.131.161004.66.00.8% 低能扇形准直 器(LEFB) 64350.161.532806.37.31.0% 中能准直器 (ME) 1440.641.142.9427510.812.51.2% 高能准直器 (HE) 859.7 2413513.213.43.5% 心脏专用机准 直器 4840.250.2- 0.4 1.9285（10cm） 810 (28cm) 6.957.4N/A 某型准直器参数 第二节核医学成像设备的基本部件 三、闪烁晶体 闪烁晶体是将射线或X射线转变为可见光的物质。射 入NaI:Tl 闪烁晶体的射线在闪烁晶体内与NaI:Tl晶体 发生光电效应和康普顿散射，这时射线失去能量，发 出近似紫色的闪烁光。 NaI:Tl闪烁晶体是在NaI中掺入微量的Tl而形成的晶体 ；原子量大，对射线吸收效率高，能制成大型晶体。 NaI:Tl闪烁晶体不耐急剧变化的温度，1小时内3的 环境温度变化即可使其破损（将此称为潮解性）。 NaI:Tl晶体的厚度一旦增加，其吸收射线的灵敏度也 会升高，但分辨率会下降。 第三节第三节 单光子发射型计算机单光子发射型计算机 断层扫描仪断层扫描仪 Single Photon Emission Computed TomographySingle Photon Emission Computed Tomography 目录 一、基本结构与工作原理 二、探测器 三、机架 四、检查床 五、控制台和计算机 六、外围设备 第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪 一、基本结结构与工作原理 （一）基本结构 探测器（探头）、旋转机架、检查 床、图像采集控制台和图像处理 的计算机工作站以及外围辅 助设备 。 （二）工作原理 多探头型（亦称扫描机型）和照相机型。 单探头 双探头 三探头 第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪 二、探测器 （一）探测原理 n由准直器、NaI（Tl）闪烁晶体、光电倍增管（PMT ）、前置放大器和计算电路等组成。 n传统SPECT实际上与相机的探测器相同。 第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪 二、探测器 （二）技术进展 n采用新型准直器（PMT）。 n优势： n降低探头和SPECT机架整体的重量； n提高了SPECT系统分辨率和图像的信噪比； n在SPECT探测器整体性能提高的基础上，大幅 提高分辨率： 如配置LEHR准直器后SPECT系统分辨率可达 到7.5mm（使用NEMA推荐的重建方法）。 第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪 二、探测器 （二）技术进展 n采用碲锌镉 （CdZnTe，CZT）半导体探测器。 n原理：当具有电离能力的射线和CZT晶体作用时，晶体内部产 生电子和空穴对，并且数量和入射光子的数量成正比。带负电 的电子和带正电的空穴朝不同的电极运动，形成的电荷脉冲 经过 前置放大变成电压 脉冲，其强度与入射光子的能量呈正比 。前置放大输出的信号经过 后续电 路处理，然后进行图像重 建。 第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪 二、探测器 （二）技术进展 CZT半导体探测器的优势 ： n对射线探测具有极高的系统灵敏度。 n可以直接将射线转线转 化成电电信号，具有更高的探测效率和能量分辨 率（10 keV6 MeV）。 n采用较厚的CZT晶体阵列（至少6mm）和小尺寸像素面元电极设 计的面元阵列探测器，能同时得到好的能谱特性和高的空间分辨率 ，提高系统灵敏度从而减少放射性示踪剂的用量，缩短扫描时间 ， 提高图像信噪比。 n高度集成化后可减轻整个SPECT设备 探头的重量。 第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪 二、探测器 （二）技术进展 采用碲锌镉 （CdZnTe，CZT）半导体探测器。 物理量传统结构（晶体+PMT）CZT半导体探测器 有效原子数5049（平均） 晶体密度/（g/cm3）3.675.78 能量分辨率/（140keV）9%12%5%6% 分辨率48mm2mm 灵敏度高于传统技术810倍 基于CZT探测测器SPECT的性能 心脏专用SPECT 心脏专脏专 用SPECT n探头头是采用半环环状（180）排列的CZT半导导体 探测测器； n心肌断层显层显 像时时，探头头无需旋转转，避免了运动动 伪伪影，提高了仪仪器的性能； n空间间分辨率明显显提高： n固有空间分辨率由48mm提高到2.46mm； n能量分辨率由9.512提高到6.2。 第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪 乳腺专用显像仪 乳腺专专用显显像仪仪 n探头是采用两个互成180的平板CZT半导体探测器构成； n采用99mTc-MIBI等为显 像剂，对乳腺进行显像检查 。 第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪 第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪 三、机架 由机械运动组件、机架运动控制电路、电源保障系统、机 架手控盒及其运动状态显示器、实时监视 器等组成。 （一）旋转结构 n圆环 型机架SPECT旋转机架的主要形式。 n悬臂形机架。 n悬吊式机架。 n龙门 型机架。 第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪 三、机架 （二）运动形式 1.运动方式： n探头及其悬臂以机架机械旋转轴为 中心，作顺时针 或逆时针的圆周或 椭圆或人体轮廓的运动，检查床与导轨垂直，主要适用于断层层采集； n探头及其悬臂沿圆周运动，半径方向作向心或离心直线运动，可以使探 头在采集数据时尽可能贴近病人，缩短旋转半径，提高空间分辨率，也 称身体轮轮廓红红外探测扫测扫 描； n探头沿自身中轴作顺时针 和逆时针倾 斜或直立运动，主要适用于双探 头呈90o方式进行180o心肌血流灌注断层显像或兼顾双探头时的质量控 制的数据采集中。 2.控制方式：手动和自动。 “轮廓跟踪技术” 第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪 三、机架 （三）功能 n根据操作控制命令，完成不同采集条件所需要的机架的各 种运动； n把心电R波触发信号以及探头的位置信号、角度信号等通 过模数转换器(analog-digital converter，ADC)传输给 计算机，并接受计算机控制进行各种动作； n保障整个系统(探头、机架、检查床、采集计算机及其辅 助设备等)的供电，提供稳定的各种规格的高低压电源。 机架运动的精确度和稳定性是机架运动的精确度和稳定性是SPECTSPECT质量控制的关键之一质量控制的关键之一 第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪 三、机架 （四）控制系统 受机架内定位控制系统统的控制。 n驱动马 达控制电路； n位置信息存储器； n定位处理器：实际上是一个微型计算机，是控制探头 及机架转动的角度、移动的距离及识别位置。其受主 计算机的控制，并将各种定位数据传输给 主计算机。 第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪 四、检查检查 床 （一）普通功能床 升降可以手动或自动完成，但前进和后退必须手动完成。 （二）多功能床（目前SPECT/CT多采用） 可以一次进行多床位的数据采集，而无需人工干预预。为适应旋 转断层的需要，检查 床的床板多由碳纤维纤维 或铝质铝质 材料制成，具 有重量轻、硬度大，韧性高，对射线的衰减少等特点（要求对 射线的衰减2的效果，明显提高了诊断的准确性。 第五节 双模式分子影像技术和设备 图像融合图像融合 + PETPETCTCTPET/CTPET/CT 第五节 双模式分子影像技术和设备 三、PET/MRI设备 （一） PET/MRI的基本结构 （二） PET/MRI临床应用 （三） PET/MRI优势 第五节 双模式分子影像技术和设备 （一）PET/MRI的基本结构 1. PET/MRI 的四种模式 n分离式结构：PET和MRI并列放置于两房间，MR和PET之 间使用一个公共转运床“穿梭系统” 转运患者，将获得的 图像进行软件融合。 n串联式结构：PET与MRI 按一定顺序排列放置，类似于 PET/CT中的串联式结构，采用分步采集数据的方法。 n插入式结构：PET探测器置于MRI设备内。 n全身一体化 PET/MR：将PET和MR有机组合在同一个机 架内，一次扫描即可同时完成全身PET和MR检查。 第五节 双模式分子影像技术和设备 PET/MR的四种模式和发展历程 19972004200620092010 + Image fusion 分离的 PET+MR 分体的 PET+MR 一体化PET/MR （小晶体） 一体化PET/MR （大晶体） （一）PET/MRI 的基本结结构 2. PET光电倍