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2009年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2009 11 24 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 singlephotonemissioncomputedtomography 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 scintillatingcrystal 闪烁成像 scintillatingimaging 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30cm 30cm 50cm 60cm 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 pulseheightanalyzer 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126 154kev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 projectionimage 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 spectspect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 attenuationcorrection 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 xrayforattenuation 散射校正 scatteringcorrection 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 usefulfieldofview ufov 探头尺寸的95 中心视野 centralfieldofview 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 spatialresolution 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 fullwidthathalfmaximum fwhm 十分之一高宽 fullwidthattenthmaximum fwtm 空间分辨率 spatialresolution 固有分辨率 intrinsicspatialresolution 晶体 光电倍增管的性能及能窗等采集条件系统分辨率 systemspatialresolution 固有分辨率及准直器的分辨率决定 空间线性 spatiallinearity 描述图像的位置畸变程度绝对线性 absolutelinearity x及y方向的线扩展函数峰值偏离距离微分线性 differentiallinearity 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 intrinsicenergyresolution 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 5fovdailyqc 均匀性 uniformity 描述 相机探头对一均匀泛源的响应积分均匀性 integraluniformity ui 探头视野内的均匀性微分均匀性 differentialuniformity 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 multiplewindowspatialregistration 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 93kev300kev184kev 计数率特征 countrateperformance 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 min mbq counts s mbq 或counts min ci 探头屏蔽性能 shieldleakage 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qualitycontrol qc 对设备进行的一些专门的测试特定的标准nema nationalelectricalmanufacturersassociation iec internationalelectrotechnicalcommission iaea internationalatomicenergyagency 国家标准厂家提供的标准 质量控制内容 常规质控routinetests routineqc验收质控acceptancetests acceptanceqc参考质控referencetests referenceqc 常规测试 日常定期对设备进行的性能测试日质控 dailyqc 周质控 weeklyqc 月质控 monthlyqc 年质控 yearlyqc 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nemaiec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 positronemissiontomography 与spect不同 采用正电子核素 例如 18f 15o 13n 11c 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 coincidenceevent 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 crystalblock 8 86 86 6小晶块4mm 6 5mm晶体环孔径80cm轴向几个block32环24环 pet晶体 pet符合探测原理 三种符合情况 真符合 truecoincidence 随机符合 randomcoincidence 散射符合 scattercoincidence pet采集 扫描方式2d 3d2d 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 filteredback projection fbp 迭代有序子集最大期望值法 orderedsubsetsexpectationmaximization 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 energyresolution 与能窗 energywindow 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 pointspreadfunction 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2d3d 散射分数 scatterfraction 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