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核医学大型设备上岗证技师培训 核医学仪器设备,中国医学科学院肿瘤医院核医学科 耿建华,核医学仪器设备按用途分类,计量仪器 活度计 辐射防护 测污仪、环境监测、个人剂量仪 体外样品测定仪器 计数器、液闪仪、放免仪 非显像测定仪器 甲状腺功能测定仪、肾功能仪、探针 显像设备 相机、SPECT、PET 放药生产及质控设备 回旋加速器、药物合成仪、薄层扫描仪、高压液相仪,探测仪器基本构成原理,基本构成由三部分组成 探头 将射线的辐射能转变为电信号 电子线路部分 对探头输出的电信号进行处理（如信号放大、能量甄别，信号定位、时间符合、各种校正等） 各种附加部件 辅助作用，按不同的检测目的而配备（如床、计算机、自动控制系统、显示系统和储存系统等）,SPECT与相机,SPECT（single photon emission computed tomography)由相机旋转构成，核心部件为相机。 获得平面、断层 、全身图像。具有相机的所有功能，其性能高于普通相机。 在很多临床应用中，SPECT只应用了其相机的功能， 相机逐渐被SPECT取代,SPECT与相机系统,硬件系统 探头、电子线路部分、机架、扫描床及计算机 软件系统 采集软件、校正软件、图像处理软件及显示软件等,SPECT与相机探头,准直器 晶体NaI(Tl) 光电倍增管(PMT),准直器,构成: 由单孔或多孔的铅合金制作成 功能：让一定方向入射的射线通过，吸收其它方向入射的射线，按照一定规律把放射性核素的分布投影到照相机探头的晶体上。,准直器的主要性能参数,空间分辨率：区别两个邻近点源的能力，以点源或线源响应曲线的半高宽度（FWHM）表征准直器的空间分辨率 半高宽度越小，表示空间分辨率越好 几何参数决定分辨率,几何参数：孔数、孔径、孔长及孔间壁厚度,灵敏度：准直器对光子的通过率 -几何参数决定分辨率 适用能量范围：由孔长和孔间壁厚度决定 高能准直器孔长，孔间壁厚,准直器分类,从形状分类 平行孔型 发散孔型 针孔型 聚焦型,准直器,平行孔准直器,分辨率: 准直孔越小，准直器越厚(孔长越长），探头距病人距离越近，分辨率越高 灵敏度: 准直孔越大，准直器越薄(孔长越短），孔间壁越小，灵敏度越高。与被显像物与准直器间距无关 分辨率灵敏度,平行孔准直器,晶 体,功能：把高能的光子转换成可见闪烁光 射线入射到晶体上， 射线与晶体原子相互作用 光电效应 康普顿散射 使晶体原子激发。 退激回到基态，发射荧光（闪烁光 ）410nm 一个光子产生多个荧光光子。 闪烁晶体(scintillating crystal)，闪烁成像(scintillating imaging),晶体,NaI 晶体厚度： 厚度分辨率，灵敏度? 厚度分辨率，灵敏度 2/8 (6.35mm ) 低能单光子成像 3/8 (9.525mm ) 低能单光子成像 5/8 (15.875mm) 兼顾低能、高能单光子及符合成像 8/8 (25.4mm ) 兼顾低能、高能单光子及符合成像 NaI 晶体大小 30cm30cm-50cm60cm,光电倍增管,功能：把晶体产生的闪烁光信号转换成电信号并将之放大。 光电倍增管由光阴极、电子聚焦系统、多级倍增极和阳极组成： 荧光光阴极光电子倍增极二次发射电子倍增极倍增级 光电倍增管接收闪烁光的表面形状有圆形、六角形及方形等 光电倍增管数量依据探头尺寸，从十几个到上百个 光电倍增管的数量越多，空间分辨率越高,光电倍增管,光电倍增管的输出分为两路 位置电路：X、Y定位信号 能量电路：能量总和、甄别,SPECT与相机的电路,放大 位置电路 能量电路 各种校正 ,位置电路和能量电路,位置电路 光电倍增管接收光强Ii，根据位置，权重为 Xi和Yi ，输出幅度分别为： XiIi 和YiIi 能量电路 输出信号幅度为全部光电倍增管探测到的光强度之合Ii，Z信号（总和电路），代表了射线的能量，将之输入到PHA，进行能量甄别，在能窗内，记录 闪烁光的位置：,X、Y的数值不受射线能量大小的影响，图像的大小与射线的能量无关,脉冲幅度分析器（pulse height analyzer，PHA）,功能：甄别能量，选择一定能量范围，剔除散射、噪声 总和电路输出幅度为 的脉冲信号，由脉冲幅度分析器（PHA）分析，使满足设定能窗的光子被记录，剔除低能光子（例如，散射光子）及高能光子。 对99mTc发出的140keV，能窗为10%，只记录能量为126154 keV的光子。经放大的电脉冲幅度入射射线能量 单道脉冲分析器-单能窗 多道脉冲分析器-多能窗 ，,SPECT与相机框图,SPECT与相机,SPECT与相机的机架与扫描床 相机的机架：固定支撑探头 SPECT机架：还提供使探头绕扫描床旋转的功能 相机通常没有专用的扫描床 SPECT配有专用的扫描床，扫描时，扫描床可移动，获得全身图像。 计算机 SPECT或相机的工作站 功能：控制SPECT或相机的采集、处理、存储及显示图像 SPECT的断层图像需重建及各种校正软件，并需要更大图像存储空间，因此要求更高配置的计算机,SPECT与相机工作原理概述,将特定放射性药物注入患者体内 一定的时间后,放射性药物在体内达到显像的要求，开始进行相机或SPECT成像 从人体中发射出的光子首先到达准直器，准直器限制入射光子的方向，只允许与准直器孔方向相同的光子透过，以便于光子定位 到达晶体的光子与晶体相互作用，被晶体吸收并产生多个闪烁光子 闪烁光经过光导被各个光电倍增管接收。光电倍增管将闪烁光转变成电脉冲信号 该电脉冲信号经过特殊位置电路定位、能量电路甄别被记录，成为一个计数 成像装置记录大量的闪烁光点，经过处理、校正，形成一幅人体放射性浓度分布图像，即为一幅相机图像或SPECT平面图像。,SPECT断层成像工作原理概述,旋转采集 探头围绕患者旋转 投影图像 根据需要在预定时间内采集360度或180度范围内不同角度处的平面图像，任一角度处的平面图像称为投影图像（projection image）。 重建 利用多幅投影图像，通过数据处理、校正、图像重建获得体内断层图像，即SPECT断层图像。 重建算法 滤波反投影法 迭代法,SPECT与相机,相机探头绕人体旋转SPECT SPECT与照相机相同 SPECT探头与相机探头结构原理相同 SPECT具备相机的功能 SPECT与照相机不同 SPECT性能（均匀性、线性、稳定性）优于相机 SPECT探头绕人体旋转，图像重建SPECT断层图像 SPECT可获得断层图像、全身平面图像及局部平面图像 相机只能获得局部平面图像 SPECT要求高配置工作站 SPECT机架及扫描床比相机复杂,SPECT基本结构,SPECT断层图像校正,衰减校正 散射校正,衰减校正（attenuation correction，AC）,光子在人体内的衰减造成SPECT重建断层图像 “中空”或称“热边”现象，使深部计数减低，图像失真 需要衰减校正,衰减,I=I0e-d,衰减校正,软件校正 用某种算法，在图像重建前或后或重建中，进行校正。 假设成像的组织器官是均匀的，非均匀衰减的校正效果不理想 透射扫描校正法 用放射源或CT投射扫描获得成像组织衰减的分布，即衰减图。利用衰减图在图像重建过程中进行衰建校正。 对于非均匀衰减的情况能校正出较为理想的重建图像 用X-CT获取透射投影，由于X光和光子的能谱不同，人体组织对它们的衰减系数是不一样的，所以X-CT测量出的衰减系数值需要修正后才能用来校正。(Xray for Attenuation),散射校正 (scattering correction),射线在患者体内及晶体内行进的过程中，与体内组织及晶体相互作用发生康普顿散射 散射使光子能量损失，且运动方向发生偏移，使位置信息产生偏差，造成混淆和假计数，使图像变模糊，分辨率下降。本底计数提高，造成不均匀的本底噪声，降低了图像的对比度，可使小病灶淹没在本底中。,散射校正,散射校正基本原理 估计散射光子对成像的贡献 将其从投影数据或重建图像中减掉散射成分,SPECT和相机性能指标,SPECT性能 探头性能（平面图像性能）相机性能指标 反映平面图像的质量 断层性能指标 反映断层图像的质量 全身扫描性能 反映全身扫描图像的质量,SPECT探头和相机性能指标,固有（intrinsic）性能:卸下准直器 与准直器性能无关 系统 （ system ）性能: 安装准直器 与准直器性能有关,SPECT探头和相机性能指标,有效视野（useful field of view，UFOV） 探头尺寸的95% 中心视野（central field of view，CFOV） UFOV的75%,SPECT和相机性能指标,1.空间分辨率 2. 空间线性 3. 能量分辨率 4. 均匀性 5. 多窗空间配准度 6. 计数率特征 7. 灵敏度 8. 探头屏蔽性能,空间分辨率（spatial resolution）,反映能分辨两点间最小距离 用点源、线源扩展函数半高宽、十分之一高宽表示,空间分辨率,半高宽(full width at half maximum, FWHM） 十分之一高宽(full width at tenth maximum,FWTM),空间分辨率（spatial resolution）,固有分辨率（intrinsic spatial resolution） 晶体、光电倍增管的性能及能窗等采集条件 系统分辨率(system spatial resolution ) 固有分辨率及准直器的分辨率决定,空间线性（spatial linearity）,描述图像的位置畸变程度 绝对线性（absolute linearity） X及Y方向的线扩展函数峰值偏离距离 微分线性（differential linearity） X及Y方向的线扩展函数峰值偏离距离的标准差 线性值越小，其线性越好。,固有能量分辨率 （intrinsic energy resolution）,描述探头对射线能量的辨别能力 用光电峰的半高宽与峰值处能量的百分比表示,能量分辨率（%） =（EFWHM /E0）100%,固有能量分辨率测试,点源：5FOV Daily QC,均匀性（uniformity）,描述相机探头对一均匀泛源的响应 积分均匀性（integral uniformity， Ui） 探头视野内的均匀性 微分均匀性(differential uniformity,Ud) X方向及Y方向相邻5个像素间均匀性 探头UFOV视野中的均匀性 探头CFOV视野中的均匀性,多窗空间配准度 （multiple window spatial registration）,描述不同能窗成像时，相机对不同能量光子的定位能力 用不同能窗时一点源的图像在X及Y方向上的最大位移表示。 67Ga源： 93keV 300keV 184keV,计数率特征 （count rate performance）,描述计数率随活度的变化特征 最大观察计数率 20%丢失时观察计数率 观察计数率随活度的变化曲线,灵敏度(sensitivity),描述探头对源的响应能力 系统平面灵敏度 探头对平行于该探头放置的特定平面源的灵敏度 与准直器的类型、晶体厚度、窗宽、源的种类及形状有关 与源距准直器的距离无关 单位活度在单位时间内的计数 单位：counts/(minMBq)、counts/(sMBq)、或counts/(minCi),探头屏蔽性能(shield leakage),描述探头对视野之外源的屏蔽能力 对患者本身FOV之外放射性的屏蔽 用点源（点源与探头平面的垂直距离为20cm）在距探头FOV边缘前后10、20、30cm的最大屏蔽计数与在FOV中心处计数率的百分比表示。 对周围环境放射性的屏蔽 将点源置于距地面1m，距探头两侧及前后2m处。用探头分别朝上、下、左、右时的计数率与FOV中心处计数率的百分比表示 屏蔽泄漏=最大屏蔽计数率/FOV中心计数率100%,SPECT断层性能,断层均匀性 断层空间分辨率 旋转中心 断层对比度 断层灵敏度和总灵敏度,全身扫描性能指标,全身扫描空间分辨率 全身扫描系统均匀性,全身扫描空间分辨率测试,平行于运动方向的分辨率 垂直于运动方向线源的扩展函数的半高宽（FWHM）及十分之一高宽（FWTM）,全身扫描空间分辨率测试,垂直于运动方向的分辨率 平行于运动方向线源的扩展函数的半高宽（FWHM）及十分之一高宽（FWTM）,全身扫描空间分辨率,全身扫描空间分辨率影响因素： 探头性能 系统的机械性能 机械精度 扫描速度 软件,全身扫描系统均匀性,描述全身扫描图像的均匀性 影响因素 探头的均匀性 准直器的均匀性 机械驱动装置 系统校正 ,设备质量控制 quality control, QC,对设备进行的一些专门的测试 特定的标准 NEMA (National Electrical Manufacturers Association) IEC (International Electrotechnical Commission ) IAEA (International Atomic Energy Agency) 国家标准 厂家提供的标准,质量控制内容,常规质控 routine tests, routine QC 验收质控 acceptance tests, acceptance QC 参考质控 reference tests, reference QC,常规测试,日常定期对设备进行的性能测试 日质控（daily QC） 周质控（Weekly QC） 月质控（monthly QC） 年质控（yearly QC）等 （厂家提供专用测试程序） 目的： 确保设备工作在最佳状态 及时发现设备性能降低程度,验收测试,设备安装后对设备进行的全面性能测试 目的：确保设备达到厂家标定的技术及操作性能。 必须严格按照标准 NEMA IEC 国家标准,参考测试,对设备性能进行全面测试，提供全面性能指标的参考数据，评估设备性能 验收测试结果可作为一段时间内的参考测试 何时进行： 设备出现较大故障及大修或调试后 当机器搬迁到新址时 测试标准：验收测试标准,SPECT/CT,SPECT/CT特点 硬件同机 将CT的X线球管和探测器安装在SPECT系统的旋转机架上，使病人可同机进行CT和SPECT检查。 同机图像融合 一次摆位获得CT图像和SPECT图像，实现同机CT图像与SPECT图像的融合。同机融合对位准确，可获得精确的融合图像。 在不同的时间、不同的空间进行SPECT和CT扫描,SPECT/CT,SPECT/CT中CT的作用 提供SPECT 图像的衰减校正 与SPECT图像的融合定位 供诊断信息 增加患者所受辐射剂量,PET（positron emission tomography）,与SPECT不同： 采用正电子核素(例如，18F15O13N11C)标记的放射性药物 不使用准直器，而采用符合探测（电子准直），可以使分辨率及灵敏度同时得到大幅度提高。,PET符合探测原理,正电子湮灭 两个光子沿着直线反方向飞行 几乎同时到达在这条直线上的两个探测器 符合探测 探测由电子对湮灭所产生的光子对来反映正电子湮灭时的位置 符合事件(coincidence event)：一个计数 在符合窗时间内探测到的两个光子,PET设备组成,PET探头 晶体环：将511kev射线转成荧光 光电倍增管：将荧光转换成电信号并将之放大 ,PET探头,探测器组（block),晶体组块(crystal block) 8 8 6 8 6 6 小晶块 4mm6.5 mm 晶体环孔径 80cm 轴向几个block 32环 24环 ,PET 晶体,PET符合探测原理,三种符合情况,真符合(true coincidence) 随机符合（random coincidence） 散射符合（scatter coincidence）,PET采集,扫描方式2D、3D 2D：灵敏度低，分辨率高 3D：灵敏度高，分辨率低 选择采集程序 静态、动态和门控采集,PET图像重建,2D：将各方向的所有平行的符合线从左到右排列，产生正弦图，进行重建 3D： 数据重组成2D 直接3D重建 重建层数：2环数-1,PET图像重建方法,滤波反投影法（filtered back-projection，FBP） 迭代 有序子集最大期望值法（ordered subsets expectation maximization，OSEM） 3D重组迭代 3D迭代 ,PET性能,能量分辨率与能窗 空间分辨率 灵敏度 散射分数 计数率特征 校正精度 图像质量等,能量分辨率(energy resolution)与能窗(energy window),能量分辨率定义为脉冲能谱分布的半高宽与入射光子能量之比 该值越小，能量分辨率越高。它表明了PET系统对散射符合计数的鉴别能力 能量分辨率主要取决于晶体性能，与探测系统的设计有关 能窗 散射符合计数随脉冲能窗下限的提高而减少 能窗下限的提高受到能量分辨率的制约 能窗下限过高将导致真符合计数的大量丢失,PET空间分辨率,点扩展函数（point spread function，PSF）的半高宽（FWHM） FWHM越大，分辨率越低 径向 切向 轴向,PET空间分辨率的限制,正电子的飞行距离：核素衰变发射出的正电子在发生湮灭前飞行的距离。 正电子的能量从零到最大（衰变能）连续分布, 半高宽FWHMpositron因核素及介质而异 正电子的能量 FWHMpositron 18F：FWHMpositron=0.22mm， 11C：FWHMpositron=0.28mm,PET空间分辨率的限制,电子的运动：正负电子湮灭时，正负电子偶的总的动量并非为0，两个湮灭光子的运动方向不成180o角，要偏向电子偶的运动方向。 造成的点源扩展与符合探测的两个探测器之间的距离有关 对探测环孔径为80cm的全身PET，中心分辨率的损失为： FWHMangulation=(800/2)xtg0.3=2.1mm 。,对18F，FWHMtheory 2.1mm。,PET空间分辨率的限制,探测技术的限制：小晶体块 对视野中心处，分辨率损失为小晶体块大小的一半，而对探头附近，FWHMdetector为小晶体块大小 小晶体块越小，分辨率越高,对4mm的小晶块，视野中心处 ：FWHMtotal 2.5mm 探头附近处 ：FWHMtotal 2.9mm,灵敏度(sensitivity),定义：PET系统在单位时间内单位活度或放射性浓度条件下所获得的符合计数 影响因素： 探测器环轴向视野 晶体块长度 探测器效率 数据的采集方式 2D 3D ,散射分数（scatter fraction, SF）,定义：散射符合计数在总符合计数中所占的百分比 描述PET系统对散射计数的敏感程度,计数率特征,总符合计数率 真实符合计数率Rtrues 随机符合计数率Rrandoms 散射符合计数率Rscatter 噪声等效计数率RNEC:真符合计数率与总计数的比值与真符合计数率之积 计数率随活度的变化,计数丢失及随机符合校正精度,描述PET系统对随机符合及由死时间引起的计数丢失的校正精度 用校正后的剩余相对误差 R表示校正精度。,衰减和散射校正的精度,描述PET系统对散射符合事件的剔除能力和对射线在介质中衰减的校正能力。,图像质量,在模拟临床采集的条件下，用标准的成像方法来比较不同成像系统的图像质量 用不同大小热灶、冷灶的对比度恢复系数及背景的变异系数描述图像质量,PET图像的校正,随机