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第8章 核医学影像设备与应用 教学目标： 1. 熟悉核医学的成像原理以及其作用与功能 2. 掌握成像的特点与优缺点 3. 了解主要的核医学新技术进展与应用 第8章 核医学影像设备与应用 l核医学，又称原子（核）医学 l核医学是研究同位素及核辐射的医学应用 及理论基础的科学 l核医学最重要的特点是能提供身体内各组 织功能性的变化，而功能性的变化常发生 在疾病的早期 l核医学显像具有简单、灵敏、特异、无创 伤性、安全、易于重复、结果准确等特点 8.1 核医学影像设备简介 l核医学影像设备是指探测并显示放射性核 素药物(俗称同位素药物) 体内分布图像的 设备。 l核医学影像检查ECT与CT、MRI等相比 ，能够更早地发现和诊断某些疾病。 l核医学显像属于功能性的显像，即放射性 核素显像。 8.1.1 核医学影像设备发展概况 核医学仪器伴随着核医学这门学科的飞快 的速度向前发展。 核医学仪器与核医学本身是共生的, 它渗 透在整个核医学治疗的过程中, 无论是过 去单功能的测量仪还是现在综合大型检测 仪, 以及最新发展起来的各种治疗仪都推 动核医学的发展。 1. 核医学影像设备的发展历史 l1896年，法国物理学家贝克勒尔在研究铀矿时发现，铀 矿能使包在黑纸内的感光胶片感光，这是人类第一次认 识到放射现象，也是后来人们建立放射自显影的基础。 l1898年，马丽居里与她的丈夫皮埃尔居里共同发现了 镭，此后又发现了钚和钍等许多天然放射性元素。 l1923年，物理化学家Hevesy应用天然的放射性同位素铅- 212研究植物不同部分的铅含量，后来又应用磷-32研究 磷在活体的代谢途径等，并首先提出了“示踪技术”的概 念。 l1926年，美国波士顿内科医师布卢姆加特（Blumgart） 等首先应用放射性氡研究人体动、静脉血管床之间的循 环时间，在人体内第一次应用了示踪技术。 l1951年，美国加州大学的卡森（Cassen）研制出第一台扫 描机，通过逐点打印获得器官的放射性分布图像，促进了 显像的发展。 l1957年，安格（Hal O. Anger）研制出第一台照相机，称 安格照相机，使得核医学的显像由单纯的静态步入动态阶 段，并于60年代初应用于临床。 l1959年，他又研制了双探头的扫描机进行断层扫描，并首 先提出了发射式断层的技术，从而为日后发射式计算机断 层扫描机ECT的研制奠定了基础。 l1972年，库赫博士应用三维显示法和18F-脱氧葡萄糖（ 18F-FDG）测定了脑局部葡萄糖的利用率，打开了18F- FDG检查的大门。他的发明成为了正电子发射计算机断层 显像（PET）和单光子发射计算机断层显像（SPECT）的 基础，人们称库赫博士为“发射断层之父”。 2. 当前核医学影像设备的应用概况 l目前广泛使用的单光子发射计算机断层（ SPECT），已从单探头、双探头和三探头，直 至现在发展为带衰减校正的能进行符合线路成像 的SPECT l PET-CT的出现使医学影像技术进入了一个新的 阶段 l分子生物学技术的迅速发展以及与核医学技术的 相互融合，形成核医学又一个新的分支学科分 子核医学（molecular nuclear medicine） l把两种设备的图像融合起来进行分析 3. SPECT与PET-CT的区别 l核医学中把应用计算机辅助断层技术进行 显像的设备统称为ECT，它是医学影像技 术的重要组成部分。ECT的中文名称为发 射型计算机断层显像，是其英文名称缩写 而成（Emission Computed Tomography） 。 lECT实际上又包括两大类设备即SPECT和 PET-CT SPECT并不是一种很新的设备，其由Kuhl 等人于1979年研制成功。经过多年不断的改进， SPECT技术已经有了很大的发展，产生了许多 不同型号、不同档次的产品，但是其显像的基本 原理没有变化，总体上仍属于比较低端的核医学 设备。目前国内很多三级以上医院都已经配备 SPECT，数量达300台以上，主要用于全身骨骼 、心肌血流、脑血流、甲状腺等显像。 ECT的另一类设备PECT是以发射正电子的 放射性核素做为发射体，称为正电子发射型计算 机断层显像，其英文名称为 positron emission computed tomography，即我们通常所说的PET 。PET是核医学领域中最先进的显像设备，被视 为核医学史上划时代的里程碑，是最高水平核医 学的标志。 PET所应用的显像剂如C-11、N-13，O-15等都是人 体组织的基本元素，易于标记到各种生命必须的化合物 、代谢产物或类似物上而不改变它们的生物活性，且可 以参与人体的生理、生化代谢过程，因而能够深入分子 水平反映人体的生理、生化过程，从功能、代谢等方面 前面评价人体的功能状态，达到早期诊断疾病、指导治 疗的目的。定性准确和一次性完成全身显像的特点极大 地促进了其在肿瘤、脑神经系统疾病以及心脏病等方面 的应用。我国于1995年由山东淄博万杰医院引进国内第 一台PET，其后增长较为缓慢。 PET的先进性显而易见，但其最大的缺点是解剖结 构显示不够清晰。因此人们尝试把擅长功能显像的PET 与擅长显示解剖结构的全身CT结合起来，于是在2000年 世界上第一台同机一体化PET/CT在美国CTI公司研制成 功，被美国时代杂志评选为年度最伟大的发明创造 。由于PET/CT是目前最先进的PET与最好的多排螺旋 CT的完美组合，达到了一加一大于二的效果，一举成为 目前最豪华的医学影像诊断设备。PET与CT的同机组合 极大地提高了临床医生对PET的认知度，所以一经问世 便在世界范围内高速增长。2002年第一台PET/CT在国内 安家落户，目前PET/CT在国内已经呈献快速发展的趋势 。 总体上讲，SPECT与PET相比二者可以说 具有本质的区别，数据表明，SPECT的最高探 测效率仅为PET的1%-3%左右，图像质量远不 能与PET/CT相比，诊断效能上差距较大。二者 一种是普及型的低端产品，价格较低；一种是世 界上公认的最高档次的医学影像诊断设备，价格 昂贵、投资巨大，很难普及和推广。 PET/CT和其他检查的区别： 单纯X线CT成像的基础是根据人体组织对外源性X 线的吸收程度不同来判断人体组织器官的结构改变情况 ；磁共振检查是将人体置入外加磁场内，然后探测人体 内组织成分的磁信号变化情况；而PET检查是探测人体 内物质（或药物）代谢功能的动态变化。三者的成像原 理有本质的区别。而我们目前使用的PET/CT是PET和 CT两种技术的完美结合，相互补充。PET/CT这种技术 的组合可以大大提高临床诊断的准确性（如需要对体内 单个孤立性小病灶进行良恶性鉴别诊断和手术前定位等 ），包括精确的定位和定性等，是其他检查不能比拟的 。 8.1.2 核医学影像设备功能 1.相机 l相机是核医学影像设备中最基本、最实用，而且最重要的一种。 相机，又称闪烁照相机（Scintillation Camera），是一种能对脏 器中的放射性核素分布进行一次成像和连续动态观察的仪器。该仪 器主要由四部分组成，即闪烁探头、电子学线路、显示记录装置以 及附加设备。 l相机可同时记录脏器内各个部份的射线，以快速形成一帧器官的静 态平面图像，同时因其成像速度快，亦可用于获取反映脏器内放射 性分布变化的连续照片，经过数据处理后，可观察脏器的动态功能 及其变化，因此相机既是显像仪又是功能仪。 l提高相机性能的关键是增加它采集的信息量,特别是断层采集 2. ECT l发射式计算机断层（Emission Computed tomography ，ECT）是利用仪器探测人体内同位素动态分布成像，并 通过计算机进行数据处理和断层重建，来获得脏器或组织 的横断面、矢状面以及冠状面的三维图像的。它可以做功 能、代谢方面的影像观察，是由电子计算机断层（CT） 与核医学示踪原理相结合的高科技技术。 lECT分为两大类，一类是以发射单光子的核素为示踪剂的 ，即单光子发射计算机断层显像仪（single photon emission computed tomography，SPECT）；而另一 类是以发射正电子的核素为示踪剂的，即正电子发射计算 机断层显像仪（positron emission tomography，PET ）。 （1）SPECT lSPECT实际上就是一个探头可以围绕病人某一脏器进行 360旋转的相机，在旋转时每隔一定角度（通常是3 或6）采集一帧图片，然后经电子计算机自动处理，将 图像叠加，并重建为该脏器的横断面、冠状面、矢状面 或任何需要的不同方位的断层、切面图像。 l近年来为提高诊断的灵敏度、分辨率和正确性，同时缩 短采集时间，双探头的SPECT也相继应用于临床中。 SPECT同时也具有一般相机的功能，可以进行脏器的 平面和动态（功能）显像。 （2）PET lPET是目前在分子水平上进行人体功能显像的最先进的 医学影像技术，它的空间分辨率明显优于SPECT。 lPET的基本原理是利用加速器生产的超短半衰期同位素 ，如氟-18、氮-13、氧-15、碳-17等作为示踪剂注入人体 ，参与体内的生理生化代谢过程。这些超短半衰期同位 素是组成人体的主要元素，利用它们发射的正电子与体 内的负电子结合释放出一对伽玛光子，被探头的晶体所 探测，得到高分辨率、高清晰度的活体断层图像，以显 示人脑、心脏、全身其它器官以及肿瘤组织的生理和病 理的功能及代谢情况。 lPET在临床医学的应用主要集中于神经系统、心血管系 统、肿瘤三大领域。 现代医学影像技术 名称成像参数性质 X线CT衰减系数、CT值解剖结构 B超超声波反射解剖结构 MRI质子密度、T1、T2、解剖、功能 化学位移 SPECT放射性浓度代谢功能 PET放射性浓度代谢功能 PET/CT放射性浓度代谢功能 衰减系数、CT值 和解剖 SPECT、PETECT(emission computed tomography) 核医学发展的两大支柱 l放射性药物-诊断、治疗 关键点是特异性 其次是稳定性 如： 11C-胸腺嘧啶 - DNA合成金标准，不稳定； 18F-FLT 氟标胸腺嘧啶。稳定，但由于3端的 置换，其磷酸化后不能进一步参与DNA合成，又 不能通过细胞膜返回，被局限在细胞内。 l核探测技术-影像定位、定量 核医学 -示踪原理 示踪剂：参与体内某一生理代谢过程的物质 + 发射 可探测射线的核素 = 形成示踪剂。 例如：脱氧葡萄糖DG + 发射正电子的18F = 18F-FDG 代谢过程：静脉注入后，通过毛细血管壁进入组织 。对不同的示踪剂，有些直接参与体内代谢，有些则 被限制在某些特定的组织区域。由于示踪剂在体内的 分布与代谢过程是动态的，所以体内各组织部位的示 踪剂浓度是不断地变化的。 探测：在示踪剂注入体内后的 整个过程中，都可使 用扫描仪在体外探测示踪剂发出的辐射信号，从而确 定示踪剂在体内的位置，由此得到示踪剂在体内的代 谢过程与分布图像。 核医学显像原理 l利用放射性药物 用放射性核素标记的示踪剂引入体内 l参加特定生物活动 被特定的组织摄取定位，定性,定量反映体内代谢情况 l探测显像 显像设备,显像条件, 操作程序 l活体, 分子水平 活体内示踪剂分子行为 核医学显像设备 l核医学显像设备探测射线 相机 (scintillation gamma camera) 1958年H. Anger发明，Anger相机 SPECT (single photo emission computed tomography) 20世纪80年代，单光子发射断层扫描仪 PET ( positron emission tomography) 20世纪90年代，正电子发射断层扫描仪 PET/CT 21世纪，功能图像和解剖图像有机融合 相机 照相机 照相机主要由探测器、电子线路、 监视 装置和机架等部分组成。 探测器组成: 准直器、 闪烁晶体、 光导、 光电倍增管、 前置放大器 定位网络电路（或称模拟计算电路 ）等 相机构成相机构成 探测原理 l射线入射到晶体上，使晶体原子激发。 l退激回到基态，发射荧光。 l l 一个一个光子产生多个荧光光子。 l光电倍增管接受这些荧光，并将之转换为 电信号。 l经过定位电路确定出入射光子的位置 l放大、甄别后，记录一个计数。 l闪烁晶体多采用厚1.27cm、直径为29.2cm或40.6cm的NaI(TI)晶 l体，密封在具有玻璃窗口和氧化镁反射层的金属壳内以防潮解。 l由于温度剧变可致晶体破裂，因此要求使用环境温度保持在 l1035之间，温度变化不应超过3/h。在晶体上方装有按六角 l形排列的光电倍增管19个或37个。光电倍增管的数目可多达91 l个。闪烁晶体与光电倍增管之间用有机玻璃板作为光导，光导与 l闪烁晶体及光电倍增管之间涂有硅油作为光耦合，以减少光透过 l两种光介质面时的损失。每个光电倍增管的输出各经一个前置放 l大器加到和光电倍增管的排列位置相对应的定位网络电路上。定 l位网络电路现多采用电阻矩阵电路。 l园盘状的探测器置于被测部位体外。当受检者服用放射性同位 l素标记药物，吸收放射性药物的器官辐射出粒子，被置于体外的 l探测器中的闪烁晶体检测器接收，产生出可见光光子，光子经光 l导耦合射到由光电倍增管构成的六角晶体状排列的阵列，各个光 l电倍增管输出的电脉冲信号经电子线路的处理和位置计算，形成 lX-Y位置上的光点信号，在荧光屏的相应位置上产生闪烁光点。径 l过一定时间积累，便可获得一幅二维的闪烁图像。 准直器、闪烁晶体、光电倍增管 的作用 闪烁照相机 （1）探头 探头是相机的核心部件，它包括准直器、闪烁晶 体、光电倍增管、前置放大电路、光导和定位网络电路等 。图 (a)是由19个光电倍增管构成的闪烁相机探头。 闪烁照相机 （2）电子线路部份 l如图所示，相机的电子线路部份主要由能 量信号通道和位置信号通道两部份组成。位 置信号通道对X+，X-，Y+和Y-进行处理得到 X=（X+-X-）/Z和Y=（Y+-Y-）/Z的位置信号 ，这是闪烁光点的位置。 （3）显示系统 l显示系统由示波器和照相机组成，照相机可 以对准显示荧光屏进行摄影。目前相机的 显示系统都由微型计算机的显示器实现。 闪烁照相机 3相机成像原理 l相机把人体脏器内的放射性核素的三 维分布变成一张二维分布的图像或照 片. 闪烁照相机 脉冲幅度分析器 pulse height analyzer(PHA) l经放大的电脉冲幅度入射射线能量 l只选择一定能量范围，剔除散射、噪声 甄别 例如，99mTc, 能窗135 145keV l单道脉冲分析器-单能窗 l多道脉冲分析器-多能窗 SPECT- single photo emission computed tomography l相机-发射，平面图像（透射X平片） lSPECT-发射，断层图像（透射CT） 相机探头绕人体旋转 l获得各个方向的投影（平面）像 图像重建-滤波反投影、迭代 l获得断层图像 图像重建算法-使图像更接近真实 l一直是核医学中的一个重点研究方向。 SPECT PET-positron emission tomography l正电子核素18F、 15O 、13N、11C，人体基本元 素，更能反映体内代谢 l发射出正电子，与一个负电子发生湮灭辐射 e+e-2（511keV，E=mc2) l探测正电子湮灭辐射发出的双光子 l不加准直器 l符合探测，探测环 l灵敏度、分辨率 l正电子发射型CT l正电子发射型CT(PET)主要由探测器、机架、控制台、计算机及其外 围设备组成。 l基本原理: l引入体内的示踪元素放射出正电子，这一正电子迅速在衰变地点和 电子复合产生两个方向相反的511keV的射线对，这一对粒子和 被一对探测器捕获，并由符合电路判定其直线位置。因为探测器的 空间位置固定，经计算便可直接按其空间位置将这一对粒子的信 息以直线形式反投影入假想空间。逐条反投影线累积叠加，便可产 生出体层图像。应该注意，正电子同位素的寿命很短，故在数据采 集过程中应加以衰变修正。 电电 子子 对对 湮湮 灭灭 PET设备 PET 探 测 原 理 PETPET PETPET探测器晶体环探测器