核医学-第二章 核医学仪器2016

第二章 核医学仪器Instruments of Nuclear Medicine,潍坊医学院 刘志翔,内 容 提 要,绪论放射性探测仪器的基本原理 SPECT、SPECT/CT和双探头符合探测PET、PET/CT、PET/MRI及小动物PET脏器功能测定仪器体外样本测量仪器及辐射防护仪器掌握闪烁探测器的结构和工作原理。,概 述,定义： 在医学中用于探测和记录放射性核素放出射线的种类、能量、活度，以及随时间变化规律和空间分布的仪器，统称为核医学仪器。 核医学仪器是实现核医学工作必不可少的基本工具，根据使用目的不同，可分为显像仪器（包括照相机、SPECT、PET等）、脏器功能测量仪器、放射性计数测量仪器、辐射剂量监测仪器以及放射性核素治疗仪器等，其中显像仪器是临床核医学最重要的组成部分。,概 述,发展简史：,第一节 放射性探测仪器的基本原理,放射性探测的基本原理是建立在射线与物质相互作用的基础上，主要包括射线的电离作用、激发作用（荧光现象）以及感光作用。带点粒子可以直接引起物质的电离、激发，而射线则是通过与物质相互作用的光电效应、康普顿效应或电子对生成效应产生次级电子，再由次级电子引起物质产生电离或激发作用。,一、放射性探测的基本原理,二、放射性探测仪器的基本构成和工作原理,用于放射性探测的仪器种类繁多，但其基本构成是一致的，通常都由两大部分组成：放射性探测器和后续电子学单元。根据射线探测的原理，可将探测仪器分为四大类：闪烁型探测器、电离型探测器、半导体探测器和感光材料探测器。本节以目前最常用的固体闪烁计数器为例，简要介绍放射性探测仪器的基本构成和工作原理。,第一节 放射性探测仪器的基本原理,第一节 放射性探测仪器的基本原理,探头,闪烁型探测器的工作原理,闪烁探测器工作原理,入射光子与晶体作用后，产生的次级电子使晶体分子激发，激发态的分子恢复到基态时产生荧光光子。荧光光子通过光导被光电倍增管的光阴极吸收，通过光电效应产生光电子。再经过十多级的连续成倍放大，形成电脉冲信号。由此一个入射光子在晶体内发生一个闪烁事件，就产生一个脉冲，因此光电倍增管阳极输出的脉冲数就正比于入射的光子数。,后续电子学线路,主放大器（main amplifier）,主放大器由放大、成形等电路组成，其主要功能，一方面是进一步放大前置放大器输出的信号，以达到供信号数字化所需要的电平；另一方面是成形滤波，将前置放大器输出的脉冲信号进行整形或倒相，减小基线涨落，以提高信噪比。,脉冲高度分析器（pulse height analyzer，PHA）,单道脉冲高度分析器工作原理,后续电子学线路,显示记录装置,定标器（scaler）：用来记录脉冲数目的电子仪器，主要用于样品放射性测量和辐射防护领域的放射性污染测量。 计数率仪（count rate meter）：一种能连续显示单位时间内所测脉冲的平均数及其随时间变化的仪器，常用于脏器功能测定和表面放射性沾染测量等。 显像仪器：经过计算机的采集、处理、分析后，放射性核素在组织脏器内的分布情况可以用图像的方式显示出来，例如照相机、SPECT和PET等。,放射性探测仪器的组成框图,闪烁计数器,脏器功能测定仪,三、 照相机,1957年Anger研制出第一台照相机，称之为 Anger照相机,组成：准直器、晶体、光导、光电倍增管矩阵、位置电路、能量电路、显示系统和成像装置等,核医学显像仪器与X线显像仪器的区别,照相机结构,照相机是核医学最基本的显像仪器。它由准直器、NaI晶体、光导、光电倍增管矩阵、位置电路、能量电路、显示系统和成像装置等组成。准直器、晶体和光导、光电倍增管矩阵等构成可单独运动的部分，称为探头，是照相机的核心。,1.准直器,准直器：有铅或钨合金制成能限制散射光子，允许特定方向的光子和晶体发生作用。主要参数：孔数、孔径、孔深、空间壁厚度。空间分辨率：孔径越小、准直器越厚，分辨率越好。 灵敏度：孔径越小、准直器越厚，灵敏度越低。能量范围：低能：350kev，孔间壁厚度2.0mm左右准直器类型：形状：针孔、平行孔、扩散型、汇聚型； 射线能量：低、中、高能；分辨率：高灵敏型、高分辨型、通用型,2. 闪烁晶体（scintillation crystal）,照相机的晶体目前基本上都采用NaI(Tl)晶体，其作用是将入射的射线转换成荧光光子；晶体的直径与探头的有效视野有关，而晶体的厚度则与探测效率和固有分辨率有关；目前普遍应用的大视野通用型照相机多使用厚度为9.5mm(3/8in)的矩形晶体，尺寸可达到600500mm，兼顾99mTc和131I标记药物的显像。,3.光电倍增管,照相机一般有37-107个光电倍增管，55、95个多见。圆形、正方形、多角形。当射线与晶体作用产生的信号，被该部位一个或多个光电倍增管吸收，转变成电压信号输出。由于这些输出信号的综合和加权，最终形成显像图像。其在显像图中的定位取决于每一个光电倍增管感受到的信号的多少和强弱。光电倍增管数量多，则探测效率及定位准确性高，空间分辨率及灵敏性也高。,信号分析和数据处理系统,包括电子学线路和计算机。 电子学线路除脉冲幅度分析器外还有前置放大器、主放大器及均匀性校正电路、位置线路等。,脉冲幅度分析器 有选择性地记录从晶体和光电倍增管输送来的电脉冲信号。 排除本底及其他干扰信号。,4. 定位电路和能量电路,照相机工作原理,准直器通过吸收作用，选择性地允许光子通过，到达晶体。光子与晶体作用后，产生的次级电子使晶体分子激发，激发态的分子恢复到基态时产生荧光光子。荧光光子通过光导被光电倍增管的光阴极吸收，通过光电效应产生光电子。再经过十多级的连续成倍放大，形成电脉冲信号。由此一个入射光子在晶体内发生一个闪烁事件，就产生一个脉冲，因此光电倍增管阳极输出的脉冲数就正比于入射的光子数。位置电路与能量电路的作用，显示系统在光子闪烁光中心的对应位置显示闪烁光点，成像装置记录大量的闪烁光点，构成一幅图像。,第二节 SPECT及双探头符合探测,第二节 SPECT及双探头符合探测,一、SPECT基本结构,SPECT是在相机的基础上发展起来的核医学影像设备，它实际上是在一台高性能相机的基础上增加了探头旋转功能和图像重建计算机软件；其基本机构主要由探头、旋转运动机架、计算机及其辅助设备等三大部分构成；探头是SPECT的核心部件，根据临床需要设计探头数量，通常为1-3个。,二、SPECT工作原理,相机的探头围绕受检对象或部位呈360或180旋转，从多角度、多方位采集一系列平面投影像，经计算机图像处理系统重建获得横断层面、冠状面和矢状面影像。,脑血流断层显像,二、SPECT工作原理,三、SPECT成像特点,SPECT断层显像清除了不同体层放射性的重叠干扰，可以单独观察某一体层内的放射性分布，这不仅有利于发现较小的异常和病变，还使得局部放射性核素定量分析进一步精确；SPECT同时兼有平面显像、动态显像、断层显像和全身显像的功能。,Planar imaging,Tomographic imaging,四、SPECT数据采集和断层图像重建,SPECT的图像采集方式除了普通照相机已有的静态采集、动态采集、门控采集和全身采集之外，还有断层采集和门控断层采集；相对于照相机的二维采集，断层采集条件的选择有其特殊的要求，例如采集矩阵大小、断层采集的方式（步进采集或连续采集）和角度、旋转半径、采集时间控制等；由于人体组织对射线有明显的衰减作用，体内衰减可达到50%80%，因此SPECT在图像重建之前必须设法消除由于射线在到达探测器之前的衰减所引起的误差，这就需要准确地进行衰减校正。,四、SPECT数据采集和断层图像重建,由已知不同方向的物体投影值求该物体内各点的分布称为图像重建，也就是利用物体在多个轴向投影图像重建目标图像的过程；常用重建算法有滤波反投影法（filtered backprojection，FBP)和迭代法两种，后者以有序子集最大期望值法(ordered subset expectation maximization，OSEM)为代表。,五、SPECT/CT图像融合技术,SPECT/CT是SPECT和CT两种成熟技术相结合形成的一种新型核医学显像仪器，实现了SPECT功能代谢显像与CT解剖形态学影像的同机融合SPECT/CT中CT的作用: 衰减校正、解剖定位及诊断功能,第三节 SPECT及双探头符合探测,六、双探头符合线路SPECT,主要由可变角双探头SPECT系统、符合探测技术和衰减校正装置构成；既可以做常规的SPECT，又可以对正电子湮灭辐射产生的两个方向相反的 511 keV 光子进行符合探测成像；,正电子湮没辐射的探测,b+,湮灭辐射时产生的两个相反方向的光子在15ns内分别被两个互相朝向的探头探测，电子学线路把呈相反方向并在5-15ns内发生的两个电脉冲信号送入显像系统，计算机以此闪烁数据为基础，进行符合探测正电子成像。这种利用湮灭辐射和两个相对探头做符合测量对射线进行限束的技术称之电子准直。提高了探测效率。,符合线路SPECT显像原理：,SPECT及双探头符合探测,SPECT/CT同时提供功能血流灌注、代谢影像和解剖形态结构影像，为临床提供科学诊断依据,第三节 PET、PET/CT、 PET/MR及小动物PET,一、PET基本结构及原理,PET主要由机架、扫描床、电子柜、操作工作站、分析工作站及打印设备等组成。,正电子探测与单光子探测的最大区别在于，单光子探测时需要重金属制成的准直器排除不适于成像的光子，而正电子探测采用符合电子准直方式，无须使用准直器。,正电子湮灭辐射探测原理,PET显像是用发射的+粒子核素在体内经湮灭辐射产生两个方向相反和能量为511keV的r光子入射至互成180。环绕人体的多个探测器而被接收，把r光子对按不同的角度分组，得到放射性核素分布在各个角度的投影。通过置换成空间位置和能量信号，经计算机处理可重建出药物在体内的断层影像。一次断层采集可获得多个断层面图像，高精度地显示活体内代谢及生化活动并提供功能代谢影像和各种定量生理参数，有较高的灵敏度，能用于精确的定量分析。常用发射正电子核素主要有：18F、11C、15O、13N等。,正电子湮没辐射的探测,b+,2. PET的探测器,一般是将若干个晶体、光电倍增管（PMT）以及放大和定位电路安装于具有保护和光屏蔽作用的外壳内。常用的探测器结构组合多为464组合，即4个光电倍增管与64个微晶体块组合为一个单元。,2. PET的探测器,一组探测器组合叫组块（block），几个组块可组成探测器组（bank），若干组探测器组又组成探测器环（ring），PET的探头便是由若干探测器环排列组成。,PET采用高原子序数或高密度的晶体材料，如BGO、GSO、LSO和LYSO等。,3. PET的数据校正,由于PET使用短半衰期核素，采用电子符合准直的探测方式，并且出于对影像进行绝对定量或半定量分析的要求，必须通过对采集到的各种数据和影响因素进行更为复杂的校正，以达到提高影像质量和消除图像的伪影的目的。常用的校正方法包括放射性核素衰变校正、探测器归一化、衰减校正、散射校正、随机符合校正、死时间校正以及脏器运动校正等。,二、PET/CT,由PET和CT两部分组成，两者组合在同一个机架内；共用同一个扫描床、图像采集和图像处理工作站；采用X线CT图像对PET图像进行衰减校正。,PET/CT及图像融合技术,女性患者，50yr，非霍奇金病8年。CT (上):左腋下腺病；PET-FDG (中):CT见病变部位呈明显局限性异常FDG摄取增高；PET/CT(下):病变组织的功能代谢状况和定位明确。,PET/CT融合图像,PET图像(功能),CT图像(形态),1+12,三、PET/MRI,第三节 PET、PET/CT、 PET/MR及小动物PET,四、小动物PET,micro-PET,micro-PET/CT,第三节 PET、PET/CT、 PET/MR及小动物PET,四、小动物PET,micro-PET/SPECT/CT,第四节 脏器功能测定仪器,一、甲状腺功能测定仪（甲功仪）,是一台单探头射线计数测量装置，由准直器、闪烁探测器、放大器、单道脉冲高度分析器、定标器或计算机组成；采用张口型单孔准直器，适合浅表脏器的功能测量；主要用于测定甲状腺吸碘率，评价甲状腺吸碘功能。,a：正常志愿者 b：甲亢c：甲亢高峰前移 d：甲低,第四节 脏器功能测定仪器,二、肾功能测定仪,由两套相同的探测器、放大器、甄别器、计数率仪记录装置或计算机组成。两个探头分别固定在可以升降和移动的支架上，分别对准左、右两肾；所得到的时间-放射性曲线就是肾功能曲线，简称肾图。,第四节 脏器功能测定仪器,三、多功能测定仪,由多套探头组成的功能测定仪，可同时测定一个脏器的多个部位或多个脏器的功能。该仪器的设计一般采用床椅合一可调试结构。各个探头既可分别使用也可组合使用，完成多项不同的任务。,第五节 体外样本测量仪器及辐射防护仪器,一、闪烁计数器,测量样品射线计数的典型装置是配备井型探测器的闪烁计数器；可以获得近似4立体角的几何测量条件，大大提高测量的灵敏度。,第五节 体外样本测量仪器及辐射防护仪器,一、闪烁计数器,全自动闪烁计数器是在井型计数器基础上发展起来的新型设备；可以实现自动测量、自动换样、自动记录和分析测量数据、自动打印测量和分