第一篇 基础篇 第二章 核医学仪器一

,作者:安锐,单位:华中科技大学同济医学院附属协和医院,第二章,核医学仪器（一）,第一节放射性探测仪器的基本原理,第二节相机,第三节SPECT与SPECT/CT,第四节PET与PET/CT、PET/MR,第五节脏器功能测定仪器,第六节放射性计数测量仪器,第七节放射性药物合成、分装仪,重点难点,1.放射性探测仪器的基本构成和工作原理2.相机的显像原理与动态显像3.SPECT工作原理与显像特点4.PET的显像原理5.PET/CT和PET/MR的显像特点,1.多模态生物医学成像系统及动物显像设备,1.放射性探测的基本原理2.常用的脏器功能测定仪器和放射性计数测量仪器3.正电子放射性药物合成系统和分装仪,核医学仪器的定义,核医学仪器是在医学中用于探测和记录放射性核素发出射线的种类、能量、活度，以及随时间变化规律和空间分布的各种仪器的统称，是实现核医学工作必不可少的基本工具。,核医学仪器,核医学仪器的分类,根据使用目的不同，核医学仪器可分为显像仪器（包括相机、SPECT、PET等）、脏器功能测量仪器、放射性计数测量仪器，以及放射性药物合成与分装仪器等。,核医学（第9版）,放射性探测仪器的基本原理,第一节,核医学（第9版）,一、放射性探测的基本原理,放射性探测是用探测仪器把射线能量转换成可记录和定量的光能、电能等，通过一定的电子学线路分析计算，表示为放射性核素的活度、能量、分布的过程，其基本原理是建立在射线与物质相互作用的基础上。在核医学领域，一般利用以下三种现象作为放射性探测的基础：电离各种射线均可引起物质电离，产生相应的电荷数或电离电流。根据此原理制成的探测器称为电离探测器，如电离室、盖革计数器等。激发带电粒子能直接激发闪烁物质发出荧光，射线则是通过与物质相互作用产生的次级电子激发闪烁物质发出荧光。根据该原理制成的探测器称为闪烁探测器，目前最常用的核医学仪器都是采用该类探测器。感光核射线与普通光线一样，可使X光胶片和核乳胶感光。依据这一原理，放射自显影技术得以建立并发展。,核医学（第9版）,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。放射性探测器通常被称为探头，其作用是使射线在其中发生电离或激发，再将产生的离子或荧光光子收集并转变为可以记录的电信号，因此实质上它是一个将射线能量转变为电能的换能器。后续电子学单元是由一系列电子学线路和外部显示装置构成，可以将放射性探测器输入的电信号进行放大、运算、分析、选择等处理，并加以记录和显示，从而完成对射线的探测、分析过程。下面以实验核医学和临床核医学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。,核医学（第9版）,二、放射性探测仪器的基本构成和工作原理,固体闪烁计数器主要由以下部件组成：晶体其作用是将射线的辐射能转变为光能，最常用的晶体是碘化钠晶体。光学耦合剂其作用是有效地把光传递给光电倍增管的光阴极，以减少全反射。光电倍增管其作用是将微弱的光信号转换成可测量的电信号，是一种光电转换器件。前置放大器一般紧跟在光电倍增管的输出端，对信号进行跟踪放大。后续电子学线路用于对探测器输出电脉冲信号进一步分析处理，包括主放大器、脉冲高度分析器等单元。显示记录装置主要有定标器、计数率仪、显像仪器等。,核医学（第9版）,二、放射性探测仪器的基本构成和工作原理,晶体、耦合剂、光电倍增管、前置放大器等部件共同组成探测器的探头，是探测仪器最重要的部分,核医学（第9版）,二、放射性探测仪器的基本构成和工作原理,单道脉冲高度分析器是最基本的电子学分析电路，由上、下两路甄别器和一个反符合电路组成。只有当输入脉冲的高度大于V同时小于V+V时，才能触发反符合线路而输出电脉冲信号，使之进入计算机进行分析和记录。,核医学（第9版）,二、放射性探测仪器的基本构成和工作原理,放射性探测仪器的组成框图,相机,第二节,核医学（第9版）,1957年HalO.Anger研制成功第一台照相机，一次成像可以同时获取视野内所有的射线，实现了连续动态显像，把脏器显像与功能测定结合起来观察，这在放射性核素显像技术上是一个质的飞跃。,肾脏扫描图,肾脏照相图,核医学（第9版）,尽管X射线和射线在本质上都属于光子流，但两者的成像原理却完全不同。X线成像基于射线穿透人体时不同密度和厚度的组织对射线的吸收不同，射线方向是可控的，几乎所有射线均可用于成像；核医学成像则基于组织脏器的功能变化，使摄入的放射性核素分布不同，射线方向是不可控的，仅少量射线可用于成像。因此成像设备结构有很大不同。,核医学（第9版）,探头准直器（collimator）闪烁晶体光电倍增管（PMT）电子学线路定位电路和能量电路显示记录装置显像床,一、相机的基本结构,核医学（第9版）,1.准直器（collimator）准直器是安置于晶体前方、由铅或铅钨合金制成的一种特殊装置，有若干个小孔贯穿其中，称为准直孔。准直器的作用是只允许与准直孔角度相同的射线到达晶体并被探测，其他方向的射线则被吸收或阻挡。,一、相机的基本结构,核医学（第9版）,1.准直器（collimator）目前使用的准直器主要有两类：平行孔准直器和针孔准直器。准直器按适用的射线的能量分为低能、中能、高能和超高能准直器；按灵敏度和分辨率又可分为三类：高灵敏型、高分辨型和通用型。,一、相机的基本结构,核医学（第9版）,一、相机的基本结构,2.闪烁晶体（scintillationcrystal）相机的晶体基本上都采用大型NaI（Tl）晶体，晶体的直径可以从28.0cm到56.4cm，厚度从6.35mm（1/4in）到15.9mm（5/8in）。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。厚晶体可增加射线被吸收的概率，提高中、高能量放射性核素的探测效率（灵敏度），然而也同时增加多次康普顿散射的概率，导致射线X-Y坐标作用点错位，降低仪器的固有分辨率。目前普遍应用的大视野通用型相机多使用厚度为9.5mm（3/8in）的矩形晶体，尺寸可达到600mm500mm，兼顾99mTc和131I标记药物的显像，既可获得较高的灵敏度，同时又保证低能核素成像的分辨率。,核医学（第9版）,一、相机的基本结构,3.光电倍增管（PMT）根据照相机探头尺寸的不同，由数目不等的光电倍增管组成阵列，均匀地排列在晶体的后面。光电倍增管的数量多少与定位的准确性有关，数量多可增加显像的空间分辨率和定位的准确性。,核医学（第9版）,一、相机的基本结构,4.定位电路和能量电路一个光子在晶体中产生多个闪烁光子，可被多个光电倍增管接收。各个光电倍增管接收的闪烁光子数目和输出的脉冲幅度与其离闪烁中心（光子处）的距离成反比。在晶体中发生一个闪烁事件，会使排列有序的光电倍增管阳极端输出众多幅度不等的电脉冲信号。这些信号经过定位电路和能量电路的权重处理，可以得到这一闪烁事件的位置信号和能量信号。,核医学（第9版）,二、相机的显像原理与动态显像,1.显像原理注入人体的放射性核素发射出的射线首先经过准直器准直，然后打在碘化钠晶体上，晶体产生的若干荧光光子由一组光电倍增管收集并输出众多幅度不等的电脉冲信号，经过定位电路和能量电路的权重处理后，获得这一闪烁事件的位置信号和能量信号。位置信号确定了闪烁事件发生的位置，能量信号经PHA分析确定哪些闪烁事件该启辉，哪些闪烁事件不该启辉。经过上述处理的信号成为一个计数被记录，所有的记录构成一幅人体放射性浓度分布图像，即为一幅相机图像。,核医学（第9版）,二、相机的显像原理与动态显像,2.动态显像动态显像是根据放射性示踪剂在体内的分布规律，把整段图像采集时间分成若干时间间隔，在各个时间间隔内采集一帧静态图像，从而获得一组与时间有关的系列图像。动态显像不仅可显示被测脏器在某一瞬间的形态，而且通过计算机的处理可以得到感兴趣区域内的“时间-放射性计数”曲线，根据曲线特征可计算出各种临床需要的定量指标用以反映脏器的功能信息。,SPECT与SPECT/CT,第三节,核医学（第9版）,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装置和图像重建的计算机软件系统，因此其基本结构主要由探头、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13个。,一、SPECT基本结构,核医学（第9版）,SPECT的探头借助运动机架围绕身体或受检器官旋转360或180，从多角度、多方位采集一系列平面影像，然后利用专用的计算机软件处理，可以获得符合临床要求的各种断层图像。断层显像清除了不同体层放射性的重叠干扰，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。,二、SPECT工作原理与显像特点,脑血流断层显像,核医学（第9版）,三、数据采集和断层图像重建,1.数据采集SPECT的数据采集方式除了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。例如，静态采集和局部采集多使用128128、256256，动态采集和断层采集使用6464。,核医学（第9版）,三、数据采集和断层图像重建,2.衰减校正SPECT成像与CT存在明显的不同之处，CT用于成像的基本信息就是人体对X线的衰减，而在SPECT中，辐射源处在人体内部，希望所获得的影像是体内辐射源未经衰减的强度分布。实际上射线在体内的传播过程中存在明显的组织衰减，这使得系统很难确定体内辐射源强度的绝对值大小。SPECT断层重建算法忽略了组织对射线的衰减作用，使图像定量不准，出现伪影，因此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，这就需要进行衰减校正（attenuationcorrection，AC）。,核医学（第9版）,三、数据采集和断层图像重建,3.断层图像重建SPECT断层图像重建是指，从已知每个角度上的平面投影值（测量值），求出断层平面内各像素的放射性分布值。目前图像重建的方法主要有两种：滤波反投影法（filterback-projection，FBP）和有序子集最大期望值法（orderedsubsetexpectationmaximization，OSEM）。FBP的优点是速度快，适用于临床实时断层重建，但是抗噪声能力差，定量精度较差；OSEM重建的图像质量高，伪影少，但其运算量很大，对计算机的要求高。,核医学（第9版）,四、SPECT/CT与图像融合技术,图像融合是将不同的医学影像或同一类型的医学影像采用不同方法获得的图像进行空间匹配或迭合，使两个或多个图像数据集融合到一幅图像上。SPECT与CT具有高度的互补性。SPECT/CT是将SPECT和CT这两种设备安装在同一个机架上，通过SPECT/CT图像融合技术，可以将SPECT灵敏反映体内组织器官生理、生化和功能的变化与CT提供的精确的解剖结构信息相结合，真正实现了功能、代谢、生化影像与解剖结构影像的实时融合，为临床提供了更加全面、客观、准确的诊断依据。CT提供的图像数据还可用于SPECT的衰减校正，有效提高SPECT的图像质量。,99mTc-MIBI甲状旁腺显像,PET与PET/CT、PET/MR,第四节,核医学（第9版）,一、PET的显像原理和基本结构,1.显像原理PET显像是将发射正电子的核素引入体内，其发射的正电子经湮灭辐射转换成的能量相同、方向相反的两个光子射至体外，由PET的成对符合探测器采集，经过计算机重建而成断层图像，显示正电子核素在体内的分布情况。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。,核医学（第9版）,一、PET的显像原理和基本结构,1.显像原理在正电子湮灭辐射中产生的两个光子几乎同时击中探头中对称位置的两个探测器，每个探测器接收到光子后产生一个电脉冲，电脉冲信号输入到符合线路进行符合甄别，挑选真符合事件。这种利用湮灭辐射的特点和两个相对探测器输出脉冲的符合来确定闪烁事件位置的方法称为电子准直，这种探测方式则称为符合探测（coincidencedetection）。,核医学（第9版）,一、PET的显像原理和基本结构,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。经典的探测器结构为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。一组探测器组合叫组块，几个组块可组成探测器组，若干组探测器组又组成探测器环，PET的探头便是由若干探测器环排列组成。探测器环数越多，探头的轴向视野越大，一次扫描可获得的断层面也越宽。,464探测器组块,探测器环,核医学（第9版）,一、PET的显像原理和基本结构,3.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