SPECT和PET精讲.ppt

,闪烁探测体,（一）操作方法,核辐射探测器通常是指用直接或间接方式给出核辐射时的射线信号或其他指示的一种装置，简称为核探测器。,核辐射探测器,一、X射线和辐射是光子流，它们不能直接产生电离和激发效应，但当它们通过物质时、原子核外电子或原子核存在的电磁相互作用，将产生光电效应、康普顿效应和电子对效应这三种效应，它们均会产生次级电子，在探测器物质内引起电离和激发效应，利用这种间接的办法可测量射线和辐射。,二、在射线的三种效应中，光电效应和电子对效应所发射的次级电子的能量是单一的，因而可测量射线能量，并容易排除干扰。而这两种效应对大原子序数物质作用几率均较大，所以构成射线探测器材料一般均选取原子序数尽可能大的物质，如:NaI(Tl)晶体探测器，Ge半导体探测器，充氙气体探测器等。,三、核探测器探测射线的原理是基于射线与物质的相互作用，通过电离、激发效应得到光，经过转化产生电脉冲信号。设射线在探测器中消耗掉的能量为E，得到的电子电荷的平均数为N，则N/E称为探测器的能量-电荷转换系数。,探测器的指标,FWHM与FWTM是探测器的重要技术指标，决定能量分辨力R。探测效率，它由探测器输出脉冲计数率与被测核辐射强度之比来确定，决定探测器的灵敏度。探测器的线性是指所产生的离子对数平均值和所需消耗的粒子能量E的线性程度，决定测量定量的准确度，其线性因探测器种类不同而异。探测器的稳定性则是指能量-电荷转换系数在环境温度和电源电压变化时的比值。,闪烁探测器,闪烁探测器是目前核医学中最常用和常见的探测器.主要有闪烁探测器和液体闪烁探测器两类。,它们均由闪烁体、光电倍增管和前置放大器组成。,闪烁探测器,一种铊激活碘化钠NaI(Tl)探测晶体普遍用于相机中。在核医学中，这种晶体对于放射性核发射的射线能量有最佳的探测效率。探测晶体一般为圆形或矩形。由于光电效应和与晶体内碘化物的离子的康普顿散射，光子与探测器互相作用。这种相互作用导致电子释放而继续与晶体的网格相互作用产生光。这种过程称为闪烁。,闪烁探测器特点,闪烁探测器与其它探测器相比有一些显著的特点：适用范围广，可探测各种类型辐射，亦可在各种复杂的场合环境中使用;作为探测介质的闪烁体一般密度大，比较结实，可做得很大，且可制作成任何形状，对射线(特别是射线)有较高的探测效率;,使用的光电倍增管可给出较大的脉冲电流，负载能力强，有较强的抗干扰能力，对后续的电路要求不苛刻;当使用快闪烁体时，有更快的时间响应，在较高计数率场合下也能工作。,NaI闪烁体,碘化钠晶体(NaI)属于无机闪烁体，是核探测器中应用最广泛的一种，也是核医学中最常用的一种。无机闪烁体主要是指含有少量混合物(激活剂)的盐晶体。虽然纯无机晶体也可作为闪烁体，但添加了激活剂的则大大提高它的发光效率。,CsI和硫化锌,1、CsI(Tl)有比NaI更高的原子序数，适于探测射线，而且碘化铯不易碎裂，也不潮解，使用更加方便可靠，但价格较贵，其能量转换效率远低于碘化钠。极少采用。,CsI,2、硫化锌有很高的发光效率，它通常用银做激活剂，但因它只能制成多晶粉未，呈半透明状，所以一般涂一薄层探测重带电粒子。在核医学中也极少采用.,锗酸铋闪烁体BGO,BGO是一种较新的闪烁体。它的阻止本领高，闪烁衰减时间短，余辉小，化学性能稳定，机械强度好，因而获得了越来越广泛的应用。BGO的闪烁衰减时间为0.3s，最强发射波长为480mm，与NaI(TL)相仿，因而BGO的应用对光电倍增管和电子学线路没有特殊要求。BGO含有高Z元素（Z-83），密度大(7.13/cm3)，因此对r射线的吸收系数是NaI（TL）的2.5倍。,BGO的多环多晶体结构的优点,目前应用于临床的PET都是采用BGO的多环多晶体结构。1.优点:（1）使用少量的探测器可以得到较多的环数，较大断层厚度和较高的空间分辨力，同时也降低了制造成本。（2）是一种新型的无机闪烁体，含有高的原子序数元素Bi，晶体密度高，对射线有很高的光电效应界面，能有效的阻止和转换高能的光子,（3）它的转换比较快，能够入射的光子被很快处理，从而大大提高了探测效率。（4）节省了大量的光电倍增管，而且还改善了光的收集效率，灵敏度和空间分辨力也有所提高。（5）这种晶体不易受潮解，透明度好，余辉小，机械加工性能良好。,碘化钠晶体的优点,碘化钠晶体的优点：1、是它的密度大(含有原子序数高的元素碘)，对三种次级效应作用的截面积较大，对或x射线的阻止能力强，所以吸收率高，发光效率高，使其探测效率达到20%-30%。2、另外，晶体荧光衰减时间短0.23一0.25us)，故它的时间分辨力率很高，用于高计数率工作，且晶体产生荧光光子的数量与入射射线能量之间线性范围较宽亦能满足要求。3、另外一个优点就是晶体的制备较为方便，大小形状容易满足临床应用要求。目前临床使用的NaI(Tl)晶体直径己有超过400mm.,碘化钠晶体主要缺点,碘化钠晶体主要缺点：1、在于易潮解，颜色变黄，使晶体透明度减低，灵敏度降低，性能变坏，故使用时必须对探头进行密闭封装，保持四周的干燥，若长期不用则应存放在干燥器皿或防潮箱中以防受潮。2、对大直径或大尺寸的碘化钠晶体，其环境的温度必须保持恒定，因较大的温差变化容易因热胀冷缩不均匀产生破裂。3、此外，碘化钠晶体的能量分辨力较差。,一般而言，入射的射线的能量越大，考虑晶体对射线的探测效率多一些，必须适当加厚晶体的厚度以提高探测效率;若需要较高的灵敏度则必须增大晶体的直径。然而，晶体直径过大，探测到的焦点外组织的放射线越多，康普顿散射效应的影响越大，导致分辨力变差;随着对应的准直器孔直径增大，光子的立体角增大将导致深度效应变差;另外必须考虑的是与晶体对应配合的准直器、屏蔽装置等加工难度，造价的提高等。,增加晶体的厚度有利于提高发光效率，但随之也使晶体本身的吸收效率增加，这对低能的射线测量尤其不利。,闪烁体的选择,高的光产额，能量分辨率越好短的衰减时间高密度短辐射长度发射光谱与探测器光谱相匹配高的辐射硬度价格低廉,SPECT图像的质量,影响图像质量的物理因素为了得到最佳的ECT图像，应考虑下列八个物理因素：1.探测器的信号应该正比各像素单元的放射性总和。因存在组织的吸收问题，应进行校正或补偿；并尽量排除散射线的影响，探测器应有较好的线性响应和一定的动态范围。,2.探测器的响应随深度的变化要均匀。3.探测器有较高的探测效率，以得到较好的统计精确性。系统本身的各种参数，如探测器系统空间分辨率、能量分辨率、灵敏度的均匀性等指标直接决定了图像的质量。,4.要得到足够的统计精确性，除了探测器要有较高探测效率以外，尽可能提高人体组织内的放射性浓度，以便在短期内得到较高的计数率。5.直线取样的角度应与探测器的分辨率、图像信/噪比、图像分辨率对应。,6.扫描期间患者体内的放射性活度要相对稳定，即要求机器的扫描时间比所用示踪核素的半衰期短的多；扫描时，患者的体位要保持精确固定，不能运动，以免引起运动杂影。7.要有精确的直线和旋转运动的机械结构8.重建技术。图像的质量直接与重建过程中所采用的数学模型有关。采用不同的数学模型，就得到不同质量的图像。,一对比度,优于照相机图像质量的一个特点就是它有较高的对比度，这就有可能使得低对比度的结构和物体得到分辨，这是临床要求和断层技术的必然在断层扫描重构后的图像，是直接显示每个像素的核素分布特征，而不发生像素重叠的情况，使感兴趣的区域不受干扰提高了对比度另外，采用窗口技术也有助于提高成像的对比度，它通过选用一段计数值加以放大显示类似如图：,窗口技术控制对比度,图象的对比度与设置的窗口上，下限的差值有关显然小窗口可以使图象产生高的对比度,对比度,二统计噪声在图像中，噪声量对于决定图像中的有效对比度是一个主要因素成像中的计数个数与噪声有直接的关系，的断层对噪声特别敏感,三、空间分辨力现代探头的固有分辨力已经接近最佳理论分辨力。系统的空间分辨力主要由准直器决定，尤其受准直器分辨力随深度加大而变差的影响。三维成像中，SPECT有两个方向的空间分辨力指标，一个是断层平面内的，一个是垂直于断层的。,断层平面内的空间分辨力取决于：探头的内在分辨力准直器的分辨力投影采样密度重建所用低通滤波函数统计涨落图像显示矩阵,轴向上的空间分辨力取决于断层厚度，主要受探头分辨力的制约，通常和断层平面内的空间分辨力基本一致。,空间分辨力,四、伪像,旋转式相机式SPECT使用同一个探头作圆或椭圆形投影扫描，所以它的不均匀在反投影重建过程中将会形成一个圈，产生环状伪像。另外探头中光电倍增管的增益受外界磁场等影响。,图像均匀性,改善图像质量的技术,一人体衰减由于核医学所使用的核素能量在80-500Kev，人体组织对此范围的射线来说有一定的衰减，其结果对投影值有相当大的影响，直接影响到断层的图像质量比如：肥胖病人。,人体衰减成为影响图像质量的最主要因素，而衰减校正又是一个难题因此采用增加一个放射源，在同一台SPECT机上同时获取透射和发射两种图像进行人体衰减校正的方法,衰减校正,目前的SPECT理论把投影数据近似为病人体内的放射性药物分布沿投影线的积分，忽略了人体组织对射线的散射与吸收效应。然而，对于核医学所使用的能量在80500keV的射线来说，人体组织的衰减对投影数据有相当大的影响，因此需要进行衰减校正。一方面取决于人体衰减系数图(map)的获取，另一方面取决于衰减校正的算法。,二康普顿散射能量在80-500kev范围内的射线，与人体的作用主要是康普顿散射使得投影线以外放射源所产生的光子经过散射后进入探测器造成混淆和假计数图像的分辨力下降，同时散射还抬高本底计数，降低了图像对比度和病灶的阳性率,三、运动干扰目前旋转式照相机式SPECT完成断层扫描至少需要20分钟以上，所以病人在这长时间的数据采集过程中，难免有一些自主的、非自主的和无法控制的身体活动运动，致使图像模糊。虽然缩短采集时间是一个方法，它也可以提高时间分辨力，但是受到计数的统计涨落限制。对于周期性运动的器官的成像显示，可以采用门控采集方法获得运动图像，但是采集过程中不正常心周期的叠加同样会使得图像模糊。,四、图像重建滤波器的优化在图像重建过程中，数据一般都是通过数学滤波器的算法进行传递，它直接决定图像结果。滤波器在减少伪迹、使图像平滑化而减小噪声以及使图像边缘变清晰等，效果明显，但不恰当的选择则可造成假阳性。,五、多探头SPECT系统,达到高质量的临床SPECT的图像需要有每帧1M以上的计数。要在较短的时间内获取这样多的计数，以目前的探测系统的效率还有困难，同时使用几个探头则是一个行之有效的方法。利用多个探头同时采集几个投影面，客观上在保证采集的视野数的同时，可增加每层面的采集时间，增加计数的个数，从而克服计数的统计涨落限制，获得高质量的临床断层图。,双探头,三探头,SPECT的临床应用,原发肝癌肝实质影像,TcDTPA肾动态显像3秒1帧，116帧正常肾血流灌注影像,TcDTPA肾动态显像，60秒1帧，116帧，双侧肾盏及肾盂内有明显核素潴留双肾积水,TcDTPA肾动态显像，60秒1帧，116帧，左髂前上棘可见移植肾核素明显分布，移植肾成活,TcDTPA肾动态显像，60秒1帧，116帧，右髂窝处移植肾可见血流灌注，无明显核素摄取和排泄过程，移植肾功严重受损,热区,肺癌多发性骨转移图,前列腺癌多发性骨转移,HL病人,化疗前,化疗后,患者，男性，53岁，食管癌术后1年，病理食道中段鳞癌，高中分化，淋巴结未见转移。术后行化疗。近期怀疑双侧锁骨上淋巴结转移。胃镜发现吻合口复发。PET/CT左侧咽部局限性放射性浓聚，SUVmax8.0。,正电子发射计算机断层扫描PET,PET-CT图示,PET,PET-CT图示,PET,PET,PET和常规的SPECT有密切的联系，同属于ECT。不同点：1.放射性核素不同2.成像的基本原理不同3.仪器结构组成不同4.采用了最新技术，用电子准直器代替了平面准直器，提高了灵敏度和分辨力,全套PET系统组成：PET主机（成像部分）回旋加速器或发生器（示踪剂生产部分）药物自动合成装置,PET/CT的特点,CT与PET硬件、软件同机融合解剖图像与功能图像同机融合同一幅图象既有精细的解剖结构又有丰富生理、生化分子功能信息可用于肿瘤诊断、治疗及预后随诊全过程高灵敏度、高特异性、高准确性PET、CT单独能实现的，PET/CT一定能实现；PET/CT能实现的，PET或CT单独不一定能实现,PET的物理基础,正电子放射性核素通常为富质子的核素,它们衰变时会发射正电子。原子核中的质子释放正电子和中微子并衰变为中子：正电子的质量与电子相等，电量与电子的电量相同，只是符号相反。通常正电子（）衰变都发生于人工放射性核素。,正电子湮灭,正电子湮灭前在人体组织内行进1-3mm湮灭作用产生:能量（光子是511KeV）动量同时产生互成180度的511keV的伽玛光子。,PET的电子准直,PET的电子准直,湮灭光子对只有在两个互成180的探测器的FOV立体角内才能被探测。利用湮灭辐射的特点和两个相对探测器的符合来确定闪烁事件位置和时间的方法称电子准直。,PET电子准直的特点,1、电子准直是PET的一大特点，它省去了沉重的铅制准直器，改进了点响应函数的灵敏度和均匀性。2、不再因准直器的使用损失了很大部分探测效率。3、避免了准直器对分辨率和均匀性不利的影响。4、利用了一部分被准直器挡住的光子，极大地提高了探测灵敏度。就2D采集模式而言，PET的灵敏度比SPECT高10倍以上。5、使用铅准直器的SPECT系统分辨率为816mm，而电子准直的PET系统分辨率为38mm。,正电子湮没辐射的符合探测,正电子湮没辐射的符合探测,PET和SPECT的探测都是以射线为基础的，但它们所探测的射线的发射方式不一样。1.SPECT探测特点：其探测表面是一个几何平面。它是通过平面准直器定位限束，从一个平面逐次或平面静止进行扫描，所得图像是二维的，所谓三维图像是原始数据采集后利用计算机专用程序进行重叠后所得。,2.PET探测特点采用正电子湮没辐射双射线符合探测。其探测器是多晶体多环设计，无需准直器，它是采用栅状准直和电子准直，环状采集后所得图像既可二维又可三维。PET能非常精确的判定正电子衰变的位置，将符合信号进行特定处理，故无需复杂的位置线路，其扫描机成像原理如图：,PET的结构,符合测量湮没辐射的优点,1.湮没光子同时由相隔180的角度发射出，可用于电子学准直。探测到者仅限于位于探头相对的视野内，这就不要笨重的铅准直器。2.分辨率佳，对比度好。3.均匀性好，适合于数学重建的要求。4.灵敏度和分辨率与深度无关,5.探测效率高，符合测量的效率与探头数目的平方成正比。而单光子探测系统的探测效率与探头的数目成正比。6.正电子核素半衰期短，又符合生理示踪的要求，特别适宜作人体生理和功能方面的研究。,符合探测原理,符合探测技术能在符合电路的时间分辨范围内，检测同时发生的放射性事件。利用符合探测技术可以进行正电子放射性核素示踪成像。使用符合探测技术，起到电子准直作用，大大减少随机符合事件和本底的同时提高了探测灵敏度。,PET的探测环,PET的探测环,X-Y平面为PET的横断面，与探测环平面平行。Z轴是PET的长轴，与探测环平面垂直。,符合探测,符合探测是指符合线路接受前置电路传送的个体事件，并确定它是属于符合状态，实际上就是在符合线路的控制下，利用探测器测180的二条511kev的射线，来反向寻找正电子湮没的位置。一个符合事件具有一条反应线，代表了两个探测事件。,在众多的正电子湮没辐射时，一对光子基本上同时被对应的探测器所接收，其时间差极小，探测到的光子的两个晶体之间连线上必有一点是衰变的发生处，通过符合线路，选择记录该处同一时间的两个事件信号，其连线称为符合线。多条符合