核医学影像设备ppt课件

,第七章 现代生物医学影像设备 第四节 核医学影像设备,信息与通信工程学院,姓名：,7.4 核医学影像设备,7.4.1 核医学影像设备概述 7.4.2 闪烁相机 7.4.3 单光子发射计算机断层设备 7.4.4 正电子发射型计算机断层设备,7.4.1 核医学影像设备概述,1、核医学影像设备概念 2、核医学影像设备发展历史 3、核医学影像设备分类 4、射线能谱,核医学概念,（1）核医学：即原子（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。核医学就是利用放射性核素诊断、治疗疾病和进行医学研究的学科。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，能够更早地发现和诊断某些疾病。 核医学显像特点：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。,核医学影像设备概念,（2）核医学影像设备：X射线和超声成像设备都是从外部向人体发射某种形式的能量，根据能量的衰减或反射情况来成像，表征组织情况；核医学影像设备则是向人体内注射放射性示踪剂(俗称同位素药物)，使带有放射性核的示踪原子进入要成像的组织，然后测量放射性核在人体脏器内的分布成像，以诊断脏器是否存在病变和确定病变所在的位置。 核医学影像优势：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。 核医学显像属于功能性的显像，即放射性核素显像。 是五大医学影像之一，是核医学诊断中的重要技术手段。,2、核医学影像设备发展简史,1896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。科学界为了表彰他的杰出贡献，将放射性物质的射线定名为“贝克勒尔射线”。 1898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。,1923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，发现了某些元素受X光照射后会发出独特的射线，为X-线射荧光分析法奠定了基础；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。 1926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，有“临床核医学之父”之称。,赫维西,1934年 Enrico Fermi发明核反应堆，生产第一个碘的放射性同位素。 1936年 John Lawrence 首先用32P磷治疗白血病，这是人工放射性同位素治疗疾病的开始。 1937年Herz首先在兔进行碘128I半衰期（半衰期T1/2 25分）的甲状腺试验，以后被131I（8.4天）替代。,费米Fermi,1942年Joseph Hamilton首先应用131I测定甲状腺功能和治疗甲状腺功能亢进症; 1946年7月14日，美国宣布放射性同位素可以进行临床应用，开创了核医学的新纪元 ; 1951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。,最早的摄碘试验,最早的扫描机,1957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。 1959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。 50年代，钼99Mo-锝99mTc (99Mo-99mTc)发生器的出现。,最早的伽玛相机,钼99Mo-锝99mTc (99Mo-99mTc)发生器,70年代单光子断层仪的应用和80年代后期正电子断层仪进入临床应用，使影像核医学在临床医学中的地位有了显著提高 ； 1972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”。,单光子发射型计算机断层扫描仪,正电子发射计算机断层显像(PET),3、核医学成像设备分类： 按照放射性示踪剂不同，分为两大类： （1）单光子成像设备，有相机，SPECT，这类放射性示踪剂具有稳定的射线放射性，如锝同位素99mTC、碘同位素131I和123I及镓同位素67Ga，寿命长，半衰期约为几个小时至几天； （2）正电子成像设备，有PET，为采用正电子发射能力的示踪剂，如碳同位素11C，氮同位素13N，氧同位素15O，氟同位素18F，寿命很短，只有几十分钟。,4、射线能谱 测出射线能谱可以用来鉴定和分析放射性同位素。 利用闪烁能谱仪可测出射线能谱，其探头内接收射线的闪烁体通常是碘化钠（铊激活）晶体NaI(Tl)。 射线射在NaI(Tl)晶体上可以产生光电子、康普顿散射电子等次级电子，这些电子都会在闪烁能谱仪中形成计数，从而获得脉冲高度分布曲线，就可以确定射线的能谱。,由于同一能量的射线在NaI(Tl)晶体中产生的次级电子，其能量各不相同，因此即使对于单能射线，闪烁能谱仪测得的脉冲高度谱也很复杂，如图所示。其能量最大的峰对应140keV。在射线能谱中能量最大的峰称为光电峰，是表示核素特征的峰。,7.4.2 闪烁相机,1、 相机的基本组成及原理 2、 相机定位网络的设计 3、 相机成像原理 4、 相机的性能指标,7.4.2 闪烁相机,相机是将人体内放射性核素分布快速、一次性显像和连续动态观察的设备，它不仅可以提供静态图像，而且可提供动态图像，了解血液和代谢过程，图像中功能信息丰富，是诊断肿瘤及循环系统疾病的重要设备。,1、相机的基本组成及原理 相机主要由探头、电子线路和显示系统三部分组成：,重点：不知道不行！,1、相机的基本组成及原理 工作原理：受检查者注射放射性同位素标记药物后，放射性核素浓聚在被检脏器内，该脏器就成了一个立体射线源，射线通过准直器射在NaI(Tl)晶体上，立即产生闪烁光点，闪烁光点发出的微弱荧光被光导耦合至光电倍增管，输出电流脉冲信号，经过后续电子线路处理形成一定能量的脉冲在显示屏上显示出一个个闪烁的光点，经过一定时间积累便形成一幅闪烁图像，图像可用照相机拍摄下来，就完成了一次检查。,7.4.2 闪烁相机组成,（a）由19个光电倍增管构成的 闪烁相机探头,（a）由19个光电倍增管构成的闪烁相机探头,（1）探头准直器,（1）探头准直器,（1）探头准直器,（1）探头准直器,（1）探头准直器,准直器,（1）探头准直器,准直器,（1）探头准直器,（1）探头闪烁晶体,（1）探头闪烁晶体,（1）探头光导、耦合剂,（1）探头光电倍增管,（1）探头光电倍增管,（1）探头前置放大和定位网络,（2）电子线路部分,（2）电子线路部分,（2）电子线路部分,单道脉冲幅度高度分析器,（3）显示系统,2、相机定位网络的设计 定位网络是确定光子入射到闪烁晶体中位置的重要电路，定位精度的高低将直接影响被监测脏器中病变的位置，常用定位网络有电阻加权、电容加权和延迟线加权三种，最常用的是电阻加权定位网络。,2、相机定位网络的设计 （1）位置信号X，Y的数学模型,2、相机定位网络的设计,2、相机定位网络的设计,2、相机定位网络的设计,2、相机定位网络的设计,2、相机定位网络的设计 （2）电阻矩阵的确定,3、相机成像原理,I(X,Y,Z)S(X,Y)转换：是将体内放射性三维分布I(X,Y,Z)转换成NaI（TI）晶体中闪烁点的二维分布S(X,Y)； S(X,Y)C(n1，n2，nm)变换：将闪烁图中每一点的X,Y坐标变换成m个光电倍增管的光电子数代码(n1，n2，nm)，或变换成光电倍增管阳极输出代码（G1n1，G2n2，Gmnm），其中Gi代表光电倍增管的倍增系数，ni是代表光阴极产生的光电子数。一般调节光电倍增管，使得G1=G2=Gm=G； C(n1，n2，nm)D1(X-，Y-，X+，Y+)：光电倍增管输出通过电阻加权网络变换成闪烁图中每一点的四个定位参数X-，Y-，X+，Y+；,3、相机成像原理,4、相机的性能指标,（1）图像分辨率：主要受三个方面的影响 反射性核素药物的影响，主要是射线能量的大小（能量越高，相机本征分辨率越高），由于同一用核素99mTc，因此一般情况不考虑此影响； 准直器分辨率Rg的影响，一般情况下为7mm-10mm； 相机本征分辨率（也叫固有分辨率）Ri的影响，一般情况下约为3.5mm； 平行孔准直器的相机总的分辨率：,4、相机的性能指标,（2）灵敏度：准直器是影响灵敏度的首要因素，在满足屏蔽的条件下，准直器孔多而密，则灵敏度高；其次是闪烁晶体的厚度，厚度越厚，则灵敏度越高，但是本征分辨率下降。 （3）均匀性：描述相机对入射事件响应的一致性或把整个视野范围内的信息灵敏度一致性的衡量尺度称为图像的均匀性。 将视野分成许多面积相等的小区域，分别探测其效率。假设探测的最大计数率为Cmax，最小的计数率为Cmin，则图像均匀度 ，一般情况下， 不校正时均匀性在10%，经过校正后可达4%-5%；,4、相机的性能指标,（4）线性度：描述相机对入射事件（在有效视野内）的原有分布进行再显的能力，反映对原有事件分布的位置畸变程度，线性度不好脏器图像将失真。 闪烁晶体中央至闪烁光子作用的距离D，与显示图像屏幕相应亮度折合到闪烁晶体中央的实测距离R之差相对于该距离的比值定义为相机线性度： （5）能量分辨率：表示相机对放射性核素中产生光电效应那部分事件的鉴别能力，通常定义为能谱响应的半宽度与峰值之比： ，一般情况下 与射线能量有关，能量越高，分辨率越好。,4、相机的性能指标,7.4.3 单光子发射计算机断层 （SPECT）,1、 SPECT结构与工作原理 2、 SPECT的优势与特点 3、 SPECT诊断的应用范围,7.4.3 单光子发射计算机断层 （SPECT）,1、SPECT结构与工作原理 SPECT结构：SPECT(Single Photon Emission Computed Tomography)，是单光子发射计算机断层显像 , SPECT系统一般由六部分组成：探头（旋转型照相机）、机架、断层床、控制台、计算机（包括接口）和光学照相系统，在高性能 相机上增加了支架旋转的机械部分、断层床、图像重建软件。,1、SPECT工作原理,2、SPECT的优势与特点,2、SPECT的优势与特点,3SPECT诊断的应用范围：,临床上常用于下列检查： （1）、全身骨显像；（2）、骨三相显像； （3）、局部骨断层显像；（4）、甲状腺显像； （5）、甲状旁腺显像；（6）、异位甲状腺显像； （7）、131I全身显像；（8）、肾功能显像； （9）、肾上腺髓质显像；（10）、脑血流灌注显像 （11）、脑静态显像；（12）、脑肿瘤显像； （13）、肺肿瘤显像；（14）、乳腺肿瘤显像； （15）、甲状腺肿瘤显像；（16）、心功能显像； （17）、心肌血流灌注断层显像；（18）、肺灌注显像；（19）、异位胃粘膜探查；（20）、消化道出血显像等,7.4.4正电子发射型计算机断层显像 PET,1、 PET检查仪的原理 2、 PET检查的优点 3、 PET诊断的应用范围,7.4.4正电子发射型计算机断层显像 PET,正电子发射型计算机断层显像（Positron Emission Computed Tomography），是核医学领域比较先进的临床检查影像技术。其大致方法是，将某种物质，一般是生物生命代谢中必须的物质，如：葡萄糖、蛋白质、核酸、脂肪酸，标记上短寿命的放射性核素（如F18，碳11等），注入人体后，通过对于该物质在代谢中的聚集，来反映生命代谢活动的情况，从而达到诊断的目的。,1、PET工作原理,2、PET的优势,3PET诊断的应用范围：,（1）肿瘤病人:目前PET检查85%是用于肿瘤的检查，因为绝大部分恶性肿瘤葡萄糖代谢高，FDG作为与葡萄糖结构相似的化合物，静脉注射后会在恶性肿瘤细胞内积聚起来，所以PET能够鉴别恶性肿瘤与良性肿瘤及正常组织，同时也可对复发的肿瘤与周围坏死及瘢痕组织加以区分，现多用于肺癌、乳腺癌、大肠癌、卵巢癌、淋巴瘤，黑色素瘤等的检查，其诊断准确率在90%以上。这种检查对于恶性肿瘤病是否发生了转移，以及转移的部位一目了然，这对肿瘤诊断的分期，是否需要手术和手术切除的范围起到重要的指导作用。据国外资料显示，肿瘤病人术前做PET检查后，有近三分之一需要更改原订手术方案。在肿瘤化疗、放疗的早期，PET检查即可发现肿瘤治疗是否已经起效，并为确定下一步治疗方案提供帮助。有资料表明，PET在肿瘤化疗、放疗后最早可在24小时发现肿瘤细胞的代谢变化。,3PET诊断的应用范围：,（2）神经系统疾病和精神病患者:可用于癫痫灶定位、老年性痴呆早期诊断与鉴别、帕金森病病情评价以及脑梗塞后组织受损和存活情况的判断。PET检查在精神病的病理诊断和治疗效果评价方面已经显示出独特的优势，并有望在不久的将来取得突破性进展。在艾滋病性脑病的治疗和戒毒治疗等方面的新药开发中有重要的指导作用。 （3）心血管疾病患者:能检查出冠