医学成像第四章放射性核素成像

1、生物医学工程医学成像技术 第四章 放射性核素成像系统 核医学 ? 又称原子（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，是核技术 和医学相结合的一门新兴学科，也是人类和 平利用原子能的一个重要方面。 ? 核医学的任务是用核技术诊断、治疗和研究 疾病。 ? 核医学诊断技术包括脏器显像、功能测定和 体外放射免疫分析。 核医学的方法 ? 在进行脏器显像和/或功能测定时，医生根 据检查目的，给病人口服或静脉注射某种放 射性示踪剂，使之进入人体后参与体内特定 器官组织的循环和代谢，并不断地放出射线。 ? 这样我们就可在体外用各种专用探测仪器追 踪探查，以数字、图像、曲线或照片的形式 显示

2、出病人体内脏器的形态和功能。 核医学的特点 ? 核医学显像方法简单、灵敏、特异、无创伤 性、安全（病人所受辐射剂量低于一次X摄 片所受剂量）、易于重复、结果准确、可靠， 并能反映脏器的功能和代谢，因此在临床和 基础研究中的应用日益广泛。 核医学仪器 ? 照相机 ? 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 ? 可观察脏器的动态功能及其变化 ? 既是显像仪又是功能仪 ? ECT ? SPECT ? PET 放射性核素成像 将某种放射性同位素标记在药物 上并引入体内，当它被人体的脏器和组 织吸收后，在体内形成了辐射源。用核 子探测装置可以从体外检测体内同位素 在衰变过程中

3、放出的射线，得到放射 性同位素在体内分布密度的图像。 由于放射性药物保持着对应稳定 核素或被标记药物的化学性质和生物 学行为，能够正常参与机体的物质代 谢，因此放射性同位素图像不仅反映 了脏器和组织的形态，更重要的是提 供了有关脏器功能及相关的生理、生 化信息。 放射性核素成像 20世纪30年代后期，人们借助 131I开始研究甲状腺疾病，这是放射性 同位素在医学领域中最早的应用。50 年代，放射性核素的成像设备开始问世。 先是同位素扫描仪，后是照相机。70 年代中开始研究发射型CT，可获得人 体断面的图像。1978年第一台商品化 的单光子CT问世，正电子CT也在80年 代形成了商品化仪器。 放

4、射性核素成像 放射性核素成像的主要特点是 能同时提供脏器或组织的形态与功能 信息。如将含有131I 的制剂引体内后， 由于甲状腺对碘具有自然的亲合性， 就可以在体外观察甲状腺摄碘的功能。 一般来说，在疾病形成过程中，脏器 或组织功能上的变化要早于其形态上 的变化，因此放射性核素成像在临床 中有特殊重要的意义。 放射性核素成像 ? 1:同位素 指具有相同质子数(原子序数)但具有不同 中子数的核数。一般分为两种，一是同位素 性质比较稳定（没有放射性），一是具有放 射性。 ? 2:衰变 指核素自发的发生结构和能量状态的改变， 放射出、射线并转变成另一种核素的 过程。 1.放射性核素成像的物理基础 射

5、线的产生：原子核衰变产生射线 例如： 衰变 衰变、衰变、核裂变过程中伴随射线的产生 =+ 射线 11 1.放射性核素成像的物理基础 核衰变 ? 核衰变主要由以下几种 ? 衰变 反应式： 射线由粒子构成,粒子实际上是氦原子核 Y为子核,Q表示衰变时从核内放出的能量-衰变能 ?衰变 反应式： 粒子实际上是电子，这种衰变是由于放射性核 素中有一个中子变为质子的结果： 4 2 AA ZZ XYQ? ? ? ? ? 1 AA ZZ XYQ? ? ? ? ? ? 4 2 He nPQ? ? ? （中子） （质子）（中微子） （能量） 核衰变 ?衰变 当原子核中有一个质子转变为中子时，放射出一个正电子 反应

6、式： ? 衰变 原子核由高能态向低能态跃迁时，释放出 光子的现象。 射线的波长和能量根据放射性元素的种类而定。 ?性质： 同XRay一致，但是二者的来源不一样，X线是原子核外 发射出来的射线，而射线是原子核内发射出来的射线。 ? ? 0 1 e ? 1 AA ZZ XYQ? ? ? ? 核衰变的规律 ? 对于给定的处在一定状态的放射性核素，核衰变 进行的速度和核素存在的物理、化学状态无关， 而是自发的按照一定规律进行。 其中：为衰变常数 ? 物理半衰期 放射性核素的原子核数目减少到原来的一半所需 要的时间。 0 * t eNN ? ? 1/ 2 T 1/ 2 ln 2 T ? ? 核衰变的规律

7、 ? 生物半衰期(Tb) 指生物体内的放射性核素由于生物代谢从体内 排出一半所需要的时间。 ? 有效半衰期(T eff) 指放射性核素由于放射性衰变和生物代谢过程 共同作用，减少到原来的一半所需要的时间。 满足关系：eff =b 1/ 2 111 effb TTT ? 1.照相机 早期使用的同位素成像系统是 同位素闪烁扫描机。它由一套机械 传动机构带动核子探测器移动进行 逐行逐点的扫描，并记录下体内各 部位辐射射线的强度，由此形成闪 烁图。它的最大缺点是无法进行动 态观察。 相机 目前临床上取而代之的是照相机，它可 以摄下所感兴趣的区域中放射性药物浓度的分 布图。形成一幅完整的图像大约只需零点

8、几秒。 如果在一定的时间间隔中摄取一系列的药物分 布图，就可以对脏器的功能进行动态分析。 特点： ? 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 ? 可观察脏器的动态功能及其变化 ? 既是显像仪又是功能仪 该系统由准直器、 闪烁晶体、光电倍增管 陈列、位置计算电路、 脉冲高度分析器与装置 组成。准直器的作用是 人体内向外辐射的射击 线能准确地投射到闪烁 晶体的位置上以构成闪 烁图像。 相机结构 ? 相机准直器（Collimator） ? 闪烁探测器（NaI晶体） ? 光电倍增管(PMT) ? 位置电路 ? 数据分析计算机 NaI 晶体晶体 光电倍增管光电倍增管 准直器孔

9、准直器孔 探头周围铅屏蔽探头周围铅屏蔽 准直器固准直器固 定结构定结构 预放器阵列 位置变换电路 X+X-Y+Y- A/DA/D 行地址列地址 计数式 图像帧存 能 量 窗 口 E 读写控制 处理和显示 照相机 相机准直器 ? 准直器位于晶体之前，是探头中首先和射 线相接触的部分。准直器的性能在很大成 度上决定了探头的性能。准直器能够限制 散射光子,允许特定方向光子和晶体发生 作用。 闪烁晶体与准直器具有相同的 直径，并紧贴地安装在准直器的背 后。入射到闪烁晶体上的射线光子 与闪烁晶体相互作用后能产生可见 光，或者说把入射的射线光子转换 成光学图像。 闪烁晶体 ? 一种铊激活碘化钠NaI(Tl

10、)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。典型的是 3/8厚且尺度为30-50 cm。 ? 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。 闪烁晶体 ? 理想的闪烁晶体 要求： （1）：对入射的光子有较高的俘获效率 （2）：与入射光子相互作用后的发光率高， 发光持续时间较短 （3）：材料要有良好的光学性能，对荧光 的传播呈透明而且折射率小等 ? 但这样的光学图像其亮度是很低 的，还不能用于直接照相。闪烁晶体后

11、面的光电倍增管阵列可以有效地将光学 图像转换成电脉冲图像。光电倍增管输 出的电脉冲信号经过电阻矩阵电路后可 以形成一个幅度与入射光子能量相对应 的电信号，同时还可以得到与发生闪烁 的位置相关的信号。 闪烁晶体 光电倍增管(PMT) ? 每7到10个光子入射到光电阴极上，就会产生一个 电子。从阴极来的电子聚焦到倍增管电极上被吸收 后会放出更多的电子（一般是6到10个）。这些电 子再聚焦到下一个倍增管电极上，这个过程在倍增 管电极阵列上不断重复。 光电倍增管阵列 12 3 456 7 89101112 13141516 171819 x y 光电倍增管 闪烁晶体 权电阻网络 ? 权电阻网络紧跟在光

12、电倍增管阵列后面并在 求和矩阵电路(SMC)中接收来自倍增管的电 流脉冲。这使得位置电路能够决定闪烁事件 在探测晶体的何处发生。 ? 位置计算 11 ()() ii i i XX xkxxkU RR ? ? ? ? 11 ()() ii i i YY yk yykU RR ? ? ? ? 权电阻网络 这一位置相关信号经“位置 计算电路”进一步处理后就可以较 准确地给出闪烁点的坐标。最后， 能量信号与位置坐标信号组合起来 在监视器上显示，就形成了完整的 核医学图像。 脉冲高度分析器与显示装置 ? 为了减少折射光子对图象效果的影响，设计 了脉冲高度分析器，通过设定上下限阈值， 将高于上限阈值和下限

13、阈值的光子能量排除 在外。 照相机成像的时间大大缩短，但 所得到的图像仍是放射性药物在三维人 体组织中分布的二维投影，不能获得一 幅准确的断面图像，即放射性药物在某 一截面上的分布，这给临床诊断带来了 一定限制。而发射性计算机断层摄影技 术（简称ECT）克服了上述困难，可得 到放射性药物在体内某一断面的分布图。 2：放射性同位素成像系统的分析 ? 主要指标： ? 1：系统的灵敏度： 系统对每单位放射性所能探测到并用于 成像的光子数，即：灵敏度每秒计数/微 居里 (1):准直器的影响 (2):闪烁晶体厚度的影响 (3):脉冲高度分析器中能量阈值的设定 放射性同位素成像系统的分析 ? 2：系统的模

14、糊度或分辨力 单位：LP/cm 影响因数： （1）：患者的移动或脏器的运动 （2）：准直器的影响 a:准直器小孔的大小 b:准直器小孔的长度 c:照相机与成像物体间的距离 （3）：闪烁晶体的影响 放射性同位素成像系统的分析 ? 3：对比度 不同组织或脏器对特定药物的特殊集聚能 力不同。 ? 4：均匀性 ? 5：系统噪声 3.单光子发射型计算机断层摄影（SPECT） SPECT成像的过程类似于X-CT技术。 它用一台照相机围绕着被探查者作旋转 运动，在不同的角度上检测人体放射出的 射线光子并计数，取得投影数据（放射 性药物沿投影线的浓度分布的线积分）后， 沿用X-CT中使用的图像重建方法，得到

15、人体某一断面上放射性药物浓度的分布。 Siemens的SPECT系统 GE的SPECT系统 SPECT的发展 ? 1959 David Kuhl 和 Roy Edwards取得 了世界上第一台横截面发射断层图 ? 1963 Kuhl 和 Edwards发展出来的放射 断层系统成为SPECT的前身 ? 1976 Keyes发明第一台相机SPECT系统 ? 1983 商业化相机SPECT问世 ? 2003 利用迭代重建算法进行衰减修正的 SPECT SPECT的原理 准直器、闪烁晶体、光电倍增管的作用 SPECT的原理 ? SPECT检测通过放射性原子（称为放射性 核，如TC-99m 、TI-20

16、1）发射的单射 线。放射性核附上的放射性药物可能是一 种蛋白质或是有机分子，选择的标准是它 们的用途或在人体中的吸收特性。比如， 能聚集在心肌的放射性药物就用于心脏 SPECT成像。这些能吸收一定量放射性药 物的器官会在图像中呈现亮块。如果有异 常的吸收状况就会导致异常的偏亮或偏暗， 表明可能处于有病的状态。 SPECT成像方法 ? 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（3 或6）采集一帧图片 ? 经电子计算机自动处理，将图像叠加，利用 滤波反投影（FBP）方法，可以从一系列投 影像重建横向断层影像。由横向断层影像的 三维信息再经影像重新组合可以得到矢状、

17、冠状断层和任意斜位方向的断层影像。 SPECT成像基本步骤 ? 用短半衰期核素Tc-99m等标记某些特殊化 合物经静脉注入人体 ? 探测聚集于人体一定器官、组织内，标记于 化合物上的Tc-99m衰变所发出的射线 ? 将射线转化为电信号并输入计算机，经计 算机断层重建为反映人体某一器官生理状况 的断面或三维图像 SPECT的突出优点是：它在比普 通的照相机没有增加许多成本的情况 下获得了真正的人体断面图像，实际上 它还可以作多层面的三维成像，这对肿 瘤及其他一些疾病的诊断是很有用的。 图像中的背景噪声通常称为统计噪 声。为了减小图像中的统计噪声，可以 对所记录的图像作平滑滤波等处理。它 的固有缺

18、陷是空间分辨率较低，一般要 大于1厘米。另外，这种系统的检测灵 敏度也比较低。但因为它的设备简单而 又能提供断面图像，因此临床中仍然在 使用。 PET-CT图示 4. 正电子发射型断层成像 (PET) PET-CT图示 PET PET-CT图示 PET PET-CT图示 PET PET-CT图示 PET PET PET装置剖面图 PET简介 ? PET是核医学发展的一项新技术，代表了当 代最先进的无创伤性高品质影像诊断的新技 术，是高水平核医学诊断的标志。主要被用 来确定癌症的发生与严重性、神经系统的状 况，及心血管方面的疾病。 ? 使用PET造影，需在病人身上注射放射性药 物，放射性药物在病

19、人体内释出信号，而被 体外的PET扫描仪所接收，继而形成影像， 可显现出器官或组织（如肿瘤）的化学变化， 指出某部位的新陈代谢异于常态的程度。 PET的发展 ? 20世纪20年代物理学家就从理论上推断有带正电 荷的正电子存在。 ? 20世纪30年代开始对放射性核素的物理、化学性 能进行了深入研究，发现了它们在生物学和医学 领域的应用价值。 ? 1953年Dr. Brownell和Dr. Sweet研制了用于脑 正电子显像的PET显像仪 ? 60年代末出现了第一代商品化PET扫描仪，可进 行断层面显像 PET的发展 ? 1976年由Dr. Phelps和Dr. Hoffman设计，由ORTEC

20、公司组装生产了第一台用于临床的商品化的PET ? 20世纪80年代更多公司投入了PET研制，岛津 （Shimadzu,1980）、CTI公司（1983）、西门子公 司（Siemens，1986）、通用电气公司（GE，1989）、 日立公司（Hitachi，1989）和ADAC公司(1989) ? PET系统已日趋成熟，许多新技术用于PET产品，如：采 用了BGO和LSO晶体的探测器、引用了数字化正电子符 合技术、切割晶体的探测器模块等，使PET系统的分辨率 小于4mm。 1964年环状头部PET 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

21、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 511 keV的伽玛光子。 正电子湮灭 正电子湮灭 PET影像的设备 正电子核素设备 正电子示踪计设备 PET影像获取 回旋加速器 放化标记设备 PET影像系统 回旋加速器 ( Cyclotron ) PET的结构 PET的数据采集 ? 正电子湮灭作用产生的湮灭光子同时击中 探测器环上对称位置上的两个

22、探测器。 ? 每个探测器接收到光子后产生一个定时脉 冲，这些定时脉冲分别输入符合线路进行符 合甄别，挑选真符合事件 ? 符合线路设置了一个时间常数很小的时间窗 （通常15ns），同时落入时间窗的定时 脉冲被认为是同一个正电子湮灭事件中产生 的光子对，从而被符合电路记录。时间窗 排除了很多散射光子的进入。 PET的数据采集 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。 符合探测原理 PET的电子准直 PET的电

23、子准直 ?湮灭光子对只有在两个互成 180o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 ? 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。 ? 不再因准直器的使用损失了很大部分探测效率。 ? 避免了准直器对分辨率和均匀性不利的影响。 ? 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。 ? 使用铅准直器的SPECT系统分辨率为8 16mm，而电子准直的PET系统分辨率为3 8mm。 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。 PET的探测环 PET系统流程图 探测器要求 ? 探测器必须有高探测效率。 ? 探测器必须有短符合分辨时间。 ? 探测器应有高空间分辨率。探测器空间 分辨率主要取决晶体材料及尺寸大小， 光电倍增管的多少。 ? 探测器应有高可靠性和稳定性。光电倍 增管的性能会直接影响探测器的可靠性 和稳定性，闪烁晶体是探测器质量的关 键。 CT与PET比较 CT PET 透射断层 TCT 发射断层 ECT X 射线 射线 空间分辨1mm 空间分辨5mm 图像重建 图像重建 解剖 功能