核医学影像设备与应用.ppt

第8章核医学影像设备与应用 教学目标 熟悉核医学的成像原理以及其作用与功能 掌握成像的特点与优缺点以及在全身各系统疾病检查和诊断中的应用价值与选择原则 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 核医学 又称原子 核 医学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 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 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 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 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 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 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 1957年 安格 HalO 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 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 2 当前核医学影像设备的应用概况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SPECTPET CT的出现使医学影像技术进入了一个新的阶段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 molecularnuclearmedicine 把两种设备的图像融合起来进行分析 3 SPECT与PET CT的区别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 EmissionComputedTomography ECT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positronemissioncomputedtomography 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 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 ScintillationCamera 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 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 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发射式计算机断层 EmissionComputedtomography 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 ECT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 singlephotonemissioncomputedtomography 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 positronemissiontomography PET 1 SPECTSPECT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5 6 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 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 PETPET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 PET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 PET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 PET CT检查记 8 1 3核医学影像设备主要指标及性能要求 1 核医学成像安全指标 1 常用辐射量及其单位 放射性活度 radioactivity 简称活度 专用单位名称是贝可勒尔 Becquerel 符号为Bq 其中1Bq 1次衰变 秒 照射剂量 exposuredose dq的值是在质量为dm空气中 由光子释放的全部电子 负电子和正电子 在空气中完全被阻止时所产生的离子总电荷的绝对量 X dQ dm 吸收剂量 absorbeddose 定义为d 除以dm所得的商 其中d 是致电离辐射给予质量为dm的受照射物质的平均能量 吸收剂量的单位是焦耳 千克 1 专名是戈 瑞 gray 符号gy 照射量x与吸收剂量d是两个意义完全不同的辐射量 照射量只能作为x或 射线辐射场的量度 描述电离辐射在空气中的电离本领 而吸收剂量则可以用于任何类型的电离辐射 反映被照介质吸收辐射能量的程度 对于同种类 同能量的射线和同一种被照物质来说 吸收剂量是与照射量成正比的 当量剂量相同的吸收剂量未必产生同样程度的生物效应 因为生物效应受到辐射类型 剂量与剂量率大小 照射条件 生物种类和个体生理差异等因素的影响 为了比较不同类型辐射引起的有害效应 在辐射防护中引进了一些系数 当吸收剂量乘上这些修正系数后 就可以用同一尺度来比较不同类型辐射照射所造成的生物效应的严重程度或产生机率 把乘上了适当的修正系数后的吸收剂量称为当量剂量 equivalentdose 用符号h表示 当量剂量只限于防护中应用 2 人体辐射的生物学效应当人体受辐射作用时 根据照射剂量 照射方式的不同 人体所产生的生物效应也不同 放射性物质以波或微粒形式发射出的一种能量就叫核辐射 核爆炸和核事故都有核辐射 它有 三种辐射形式 辐射只要用一张纸就能挡住 但吸入体内危害大 辐射是高速电子 皮肤沾上后烧伤明显 辐射和X射线相似 能穿透人体和建筑物 危害距离远 宇宙 自然界能产生放射性的物质不少 但危害都不太大 只有核爆炸或核电站事故泄漏的放射性物质才能大范围地对人员造成伤亡 放射性物质可通过呼吸吸入 皮肤伤口及消化道吸收进入体内 引起内辐射 y辐射可穿透一定距离被机体吸收 使人员受到外照射伤害 内外照射形成放射病的症状有 疲劳 头昏 失眠 皮肤发红 溃疡 出血 脱发 白血病 呕吐 腹泻等 有时还会增加癌症 畸变 遗传性病变发生率 影响几代人的健康 一般讲 身体接受的辐射能量越多 其放射病症状越严重 致癌 致畸风险越大 3 核医学成像的相关安全指标在核医学诊断中 对受检者的检查项目 使用的放射性活素与每次检查使用的最大放射性活度核医学成像首先要满足其相关安全指标 在此基础上要提高核医学影像设备的医学图像质量 提高诊断率 核辐射对人体的危害取决于受不同辐射的时间以及辐射量 2 核医学图像质量指标 1 照相机的图像质量指标 空间分辨率 空间分辨率表示 照相机探头分辨两个点源或线源最小距离的能力 分为固有分辨率和系统空间分辨率 平面源灵敏度 平面源灵敏度指某一采集平面对平行于该面放置的特定平面源的灵敏度 平面源灵敏度主要用来测试和检验仪器是否正常工作和比较各种准直器的计数效率 灵敏度明显下降反映 照相机有问题 灵敏度增高则是有污染等因素造成 空间线性 空间线性描述 照相机的位置变化 最大计数率 最大计数率反映 照相机对高计数率的响应特性 2 SPECT的图像质量指标SPECT除了包含 照相机的所有图像质量指标外 根据SPECT的断层显像特点 增加了针对断层影像的质控项目 断层均匀性 保证断层图像的均匀性 不仅要把 照相机探头本身的均匀性调节好 还要加大计数 加准直器和散射媒质 旋转中心 SPECT的旋转中心是一个虚设的机械点 它位于旋转轴上 应是机械坐标系统 照相机探头电子坐标和计算机图像重建坐标共同的重合点 任何不重合表现为旋转轴倾斜和旋转中心漂移 断层厚度 SPECT断层厚度指轴向空间分辨率 又称为z轴方向的空间分辨率 断层灵敏度和总灵敏度 断层灵敏度和总灵敏度是指SPECT的计数效率 断层灵敏度定义为被放射性浓度除以断层内总计数值 总灵敏度为所有断层计数和被放射性浓度除以所有断层计数 3 PET的图像质量指标PET的图像质量指标除上述与 照相机和SPECT的指标相同外 还包含能量分辨率 空间分辨率 系统灵敏度等 能量分辨率 是用来衡量PET精确分辨光电事件能力的一个参数 空间分辨 是指PET能分辨出的两个点源或线源间的最小距离 即探测器在X Y Z三个方向能分辨最小物体的能力 包括横向分辨率和轴向分辨率 固有计数率 包括最大计数率和死时间 最大计数率是PET在单位时间内所能探测或记录到 射线的最大值 反映了PET对入射 射线的响应能力 死时间是描述PET对两个 入射事件的分辨能力 即能分辨出两个 事件的最小时间间隔 系统灵敏度 是指单位时间内 单位辐射剂量条件下获得的符合计数 以单位活度的计数率表示 8 2单光子发射断层成像 SPECT 设备与应用 8 2 1SPECT的结构SPECT SinglePhotonEmissionComputedTomography 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 GE公司生产的SPECT设备及结构 8 2单光子发射断层成像 SPECT 设备与应用 8 2 2SPECT设备特点与成像新技术1 SPECT设备的特点SPECT是核医学影像设备的一种 兼具核医学和CT两种影像设备的优势 具备对人体生理 生化 功能 代谢等信息的多维显像方式 可以有效的提高病变的检测率 其主要特点如下 1 使用的示踪剂适应面广 特异性高 放射性小 不干扰人体内环境的稳定 2 时域解像精度不到千分之一秒 3 保留了 照相机全部平面显像的性能 4 分层脏器功能可以观察到脏器功能动态变化 化学物质在脏器内代谢分布 血管量的变化 肿瘤免疫及受体定位等信息 8 2单光子发射断层成像 SPECT 设备与应用 8 2 2SPECT设备特点与成像新技术2 SPECT成像新技术影响SPECT成像质量的因素有很多 如人体组织的衰减 运动对成像造成的影响等 随着新技术的进展 这些问题逐步得以解决 1 衰减校正技术 AttenuationCorrection AC 2 多探头及圆柱形探头的SPECT系统 8 2单光子发射断层成像 SPECT 设备与应用 8 2 3SPECT的临床应用SPECT能显示脏器或病变的血流 功能和代谢的改变 有利于疾病的早期诊断及特异性诊断 在临床当中的应用十分广泛 1 SPECT诊断的应用范围 1 骨骼显像 2 心脏灌注断层显像 3 甲状腺显像 4 局部脑血流断层显像 5 肾动态显像及肾图检查 6 其它SPECT显像的主要临床应用2 SPECT典型病历 8 3正电子发射断层成像 PET 设备与应用 8 3 1PET的结构PET扫描系统主要由扫描仪 显像床 电子柜 操作与分析工作站和影像硬拷贝工作站等组成 1 PET扫描仪PET扫描仪的外形类似CT 为一个柱状的支架 扫描视野位于支架的中央 为一个环状 筒形的空洞 扫描仪由探测器 射线屏蔽装置 棒源 符合事件探测及符合事件处理系统等组成2 电子柜电子柜主要由阵列处理器组成 用于贮存符合事件处理系统传来的光子信号 并在工作站指令指导下通过重建将其转化为图像 3 操作与分析工作站操作与分析工作站通过人机对话控制扫描仪 显像床及电子橱进行图像采集 重建处理等 并对重建后图像重新切层和进行图像显示 图像分析和定量计算等 8 3正电子发射断层成像 PET 设备与应用 8 3 2PET的性能特点1 PET显像的特点 1 灵敏度高 分辨率强 2 示踪剂具有生物活性 3 放射性损伤较小 4 系统复杂 费用昂贵 8 3正电子发射断层成像 PET 设备与应用 8 3 2PET的性能特点2 PET与CT MRI的比较PET主要测量体内化学变化及新陈代谢 而CT或MRI主要用来观察人体组织与结构 因此 在区分癌症与良性组织 以及区分恶性或非恶性组织时 PET比CT或MRI有效 PET也经常和CT及MRI透过 影像融合 的方式更清楚的看到在三维空间里正确的癌组织位置 8 3正电子发射断层成像 PET 设备与应用 8 3 2PET的性能特点3 PET CTPET CT即PET与CT的同机融合 它既具有多层螺旋CT高空间分辨率 显示解剖结构清晰的特点 同时也具有PET的功能代谢成像的优势 因此可以早期发现病变 尤其是恶性肿瘤 PET CT一次检查即可获得全身的代谢和形态