第六章 放射性核素成像

1、伽玛照相机伽玛照相机内容梗概内容梗概n放射性核素显像的特点n原子核反应的基本概念n放射性衰变规律n射线探测放射性核素显像核外电子与原子核核外电子与原子核 原子的结构是由位于原子中心的原子的结构是由位于原子中心的原子核及按一定轨道围绕原子核运原子核及按一定轨道围绕原子核运行核外电子组成。行核外电子组成。 原子核是由质子和中子组成，质原子核是由质子和中子组成，质子和中子统称核子。中子不带电，子和中子统称核子。中子不带电，质子带电，其电量与电子电量相等质子带电，其电量与电子电量相等. .几个基本概念核素核素 凡是具有一定原子序数、一定质量数和凡是具有一定原子序数、一定质量数和一定能量状态的各种原子，

2、统称为核素。一定能量状态的各种原子，统称为核素。 同位素同位素 具有相同原子序数，但质量数不同的核具有相同原子序数，但质量数不同的核素称为同位素。素称为同位素。 同质异能素同质异能素 凡具有相同的原子序数和质量数，处于凡具有相同的原子序数和质量数，处于不同能量状态的一类核素，彼此称为同质不同能量状态的一类核素，彼此称为同质异能素。异能素。 稳定性核素（又称非放射性核素）： 原子核能够稳定的存在于自然界中，原子核能够稳定的存在于自然界中，不会自发地产生变化，这种核素通常称为不会自发地产生变化，这种核素通常称为非放射性核素（稳定性核素）。非放射性核素（稳定性核素）。 放射性核素（不稳定性核素） （

3、 Radioactive Nuclide ） 原子核即使没有任何外来因素作用下原子核即使没有任何外来因素作用下，也会自发地放出射线而转变为另一种核，也会自发地放出射线而转变为另一种核素，这类核素称为放射性核素。素，这类核素称为放射性核素。 核衰变 放射性核素特点 特定的半衰期 物理半衰期（ physical half life ） 符号T1/2 , 在单一的放射性核素衰变过程中，放射性活度降至原有值一半时所需要的时间，称为物理半衰期，简称半衰期（ T1/2 ）。 生物半衰期 (biological half life) 符号 Tb, 生物半衰期是指进入生物机体内的放射性核素，由于生物代谢过程从

4、体内排出到原来放射性活度的一半时所需要的时间。 有效半衰期（有效半衰期（ effective half life effective half life ） 符号 Te，进入生物机体内的放射性核素由于放射性衰变及生物代谢的共同作用，该放射性核素的活度减少到一半所需的时间称为有效半衰期。 即放射性核素被引入生物机体内时，放射性活度一方面按衰变规律减少，另一方面还会通过生物代谢排出。 衰变衰变 衰变衰变 衰变衰变 放射性核素及其衰减规律放射性核素及其衰减规律MeVHeRnRa88. 4422228622688MeVSP71. 132163215MeVCN19. 1136137 TcTcm9999核

5、衰变规律核衰变规律核衰变规律公式核衰变规律公式 半衰期半衰期T1/2：放射性原子核数目衰变到一半所需要的时间放射性原子核数目衰变到一半所需要的时间teNN0其中： N为t时刻衰变核的剩余数目 N0为t=0时刻的衰变核数目 为衰变常数2/1002TeNNN693. 02ln2/1T半衰期半衰期T T1/21/2的含义的含义半衰期半衰期T T1/21/2与与 的关系的关系例如：例如： RaRa的半衰期为的半衰期为15901590年，年， 磷磷-32-32的半衰期为的半衰期为14.314.3天，天， 铯铯-135-135的半衰期为的半衰期为2.82.81010-10-10S S。放射性活度（又称放射

6、性强度） 是一定量的放射性核素在一个很短的时间间隔内发生的核衰变数除以该时间间隔。也就是单位时间内发生的衰变的原子核数。 放射性活度的单位放射性活度的单位1 、贝克勒尔（ Becquerel ）: 简称贝克（ Bq ） 1Bq=1 次核衰变 / 秒（ 1S -1 ） 2 、居里（ Curie, 符号 Ci ） 1 居里表示：放射性核素在 1 秒内发生 3.7 1010 次核衰变。核医学始于 20 世纪 50 年代。 1950 年，建立了晶体井型计数仪，用于体外的放射性测量。 1951 年， cassen 用晶体加准直器研制成功闪烁扫描仪，获得了人体第一张甲状腺扫描图。 1957 年， Hal

7、Anger 研制了照相机。 1964 年，世界上便有了商品照相机供应，开创了核医学显像的新纪元。 1979 年，Kuhl 等人在长期研究基础上制成了世界上第一台发射型计算机断层 (ECT) 。 核医学仪器的类型核医学仪器的类型 （一）测量用核医学仪器： 主要在医学研究和临床检验中，用于对被检测样品如血、尿、粪便、组织中的放射性测量。 常用的仪器有闪烁计数器、液体闪烁计数器。 核医学仪器的类型核医学仪器的类型（二）诊断用核医学仪器： 主要在临床核医学工作中，用来进行脏器功能测定和脏器显像。 脏器功能测定仪（肾功能测定仪、甲状腺功能测定仪、 心脏功能测定仪、多探头脏器功能测定仪等 ）。 脏器显像仪

8、器（ 照相机、发射型计算机断层摄影仪（ ECT ）。 核医学仪器的类型核医学仪器的类型防护用核医学仪器： 为了保障核医学工作的顺利进行，用于对工作环境、器皿物件以及工作人员体表可能受到的污染进行监测的仪器。如个人剂量监测仪、 、或辐射表面污染测量仪等。 核医学仪器分类核医学仪器分类用于放射性药物的活度测量的活度计用于放射性药物的活度测量的活度计 活度计又称强度计、同位素刻度活度计又称强度计、同位素刻度计、居里计。计、居里计。 用于个人剂量监测和防护监测的仪器用于个人剂量监测和防护监测的仪器 个人剂量计、热释光剂量计、表个人剂量计、热释光剂量计、表面沾染仪、环境监测仪等。面沾染仪、环境监测仪等。

9、 核医学仪器分类核医学仪器分类n用于体外样品分析的样品测量装置用于体外样品分析的样品测量装置 n放射免疫计数器、液体闪烁计数器。放射免疫计数器、液体闪烁计数器。 n用于脏器功能测定的仪器用于脏器功能测定的仪器 n甲状腺功能仪、肾功能仪、心功能仪、甲状腺功能仪、肾功能仪、心功能仪、肺密度仪、骨密度仪等。肺密度仪、骨密度仪等。 n用于脏器显像的装置用于脏器显像的装置 n闪烁扫描仪、伽玛照相机、闪烁扫描仪、伽玛照相机、SPECTSPECT、PETPET。一些仪器一些仪器活度计活度计功能仪功能仪一些仪器一些仪器闪烁扫描仪闪烁扫描仪伽玛照相机伽玛照相机SPECTSPECTPETPET全身骨成像全身骨成像

10、 射线探测射线探测 利用放射性探测仪器（或测量装置）可以探测和记录放射性同位素所放出射线（或粒子）的种类、数量（强度）和能量（能谱）等。射线探测临床应用价值 临床医学上常通过探测放射性的方法来观察放射性同位素在人体脏器内的分布，以诊断脏器是否存在病变和确定病变所在的位置等。闪烁计数器闪烁计数器 闪烁计数器是射线探测的基本仪器，它由闪烁体、光学收集系统和光电倍增管组成。闪烁计数器测量原理闪烁计数器测量原理 1. 射线在晶体内产生荧光，利用光导和反射器组成的光收集器将光子投射到光电倍增管的光阴极上，击出光电子； 2. 光电子在光电倍增管内被倍增、加速，在阳极上形成电流脉冲输出； 3. 电流脉冲的高

11、度与射线的能量成正比，电流脉冲的个数与辐射源入射晶体的光子数目成正比，即与辐射源的活度成正比。闪烁计数器的优势闪烁计数器的优势 1. 既可以测量光子也可以探测带电粒子，特别是对射线有很高的探测效率； 2. 经光电倍增管给出的电流脉冲有较强抗干扰能力，适用于较复杂环境的工作。脉冲幅度分析器脉冲幅度分析器脉冲幅度甄别器 闪烁计数器所产生的电流脉冲的幅度和辐射光子的能量成正比，如测出脉冲幅度与计数的关系曲线就等于测出了幅射能谱。单道脉冲幅度分析器 能直接测出幅度在之间脉冲计数的仪器叫单道脉冲幅度分析器，它由两个甄别器组成。 上限甄别器有较高的甄别阈值，下限甄别器阈值为V，其差值叫道宽。核医学成像设备

12、原理简介核医学成像设备原理简介 同位素扫描仪同位素扫描仪(Radionuclide Scanner)(Radionuclide Scanner) 扫描图：甲状腺癌的转移扫描图：甲状腺癌的转移照相机和单光子发射型计算机断层照相机和单光子发射型计算机断层照相机照相机作用 照相机是将人体内放射性核素分布快速、一次性显像的设备。 它不仅可以提供静态图像也可以进行动态观测，既可提供局部组织脏器的图像，也可以提供人体人身的照片。 图像中功能信息丰富，是诊断肿瘤是诊断肿瘤及循环系统疾病的重要装置及循环系统疾病的重要装置。 伽玛照相机的组成伽玛照相机的组成探头探头探头支架探头支架病床病床操作控制台操作控制台

13、及及 数据处理装置数据处理装置伽玛照相机电路结构伽玛照相机电路结构伽伽玛玛照照相相机机的的探探头头结结构构准直器准直器NaI(TlNaI(Tl) )晶体晶体光电倍增管光电倍增管(PMT)(PMT)定位电路定位电路显示显示PMT的排列方式的排列方式每一个边排列每一个边排列3 3个，总个，总共共1919个个 ；每一个边排列每一个边排列4 4个，总个，总共共3737个；个； 每一个边排列每一个边排列5 5个，总个，总共共6161个；个； 每一个边排列每一个边排列6 6个，总个，总共共9191个；个； 每一个边排列每一个边排列7 7个，总个，总共共127127个。个。P2P2位置计算电路位置计算电路P

14、1P1P3P3伽玛射线伽玛射线X1X1X2X2X3X30 0NaI(TlNaI(Tl) )P1,P2,P3P1,P2,P3为为PMTPMT的输的输出信号值出信号值，反映了，反映了进入进入PMTPMT的光强。的光强。X1,X2,X3X1,X2,X3为为PMTPMT的的位置值位置值X X发光点的总强度：发光点的总强度： P=P1+P2+P3 P=P1+P2+P3 即即Z Z信号的值信号的值发光点的发光点的X X坐标值：坐标值：X=P1X1+P2X2+P3X3P1X1+P2X2+P3X3P1+P2+P3P1+P2+P3X X伽玛照相机的特点伽玛照相机的特点探头不需要移动，可一次成像探头不需要移动，可

15、一次成像 。 成像效率高，特别是对低能量伽玛成像效率高，特别是对低能量伽玛射线射线 。能做连续动态显像，可以观察脏器能做连续动态显像，可以观察脏器对药物随时间的吸收、代谢情况，对药物随时间的吸收、代谢情况，判断脏器的功能。判断脏器的功能。 伽玛照相机的缺点伽玛照相机的缺点发射型计算机断层扫描仪发射型计算机断层扫描仪 Emission Computed Tomography (ECT) 分类分类 单光子发射型计算机断层扫描仪单光子发射型计算机断层扫描仪 Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT) 正电子发射型计算机断层扫描仪正电子发射型计

16、算机断层扫描仪 Positron Emission Computed Tomography (PECT)，简称简称PET为什么叫为什么叫ECT？相对于相对于TCT (Transmission Computed Tomography)而言，即而言，即射线源在人体的外部，射线源在人体的外部，X线线CT即为即为TCT。 而而ECT的射线源在人体内部，即放的射线源在人体内部，即放射线药物引入人体后，药物释放出伽射线药物引入人体后，药物释放出伽玛射线。玛射线。ECTECT的本质是由在体外测量发自体内的本质是由在体外测量发自体内的的射线技术来确定在体内的放射性射线技术来确定在体内的放射性核素的活度。核素的

17、活度。 SPECT原理原理SPECTSPECT原理原理 SPECTSPECT的放射性制剂都是发生的放射性制剂都是发生 衰变的同位素衰变的同位素，体外进行的是单个光子数量的探测。 SPECT的成像原理的成像原理旋转旋转平面成像平面成像 线投影通过滤波反投影法重建图像线投影通过滤波反投影法重建图像立体成像立体成像 面投影通过滤波反投影法重建图像面投影通过滤波反投影法重建图像SPECTSPECT的成像原理的成像原理 SPECT的成像算法与XCT类似，也是滤波反投影法： 1. 由探测器获得断层的投影函数； 2.用适当的滤波函数进行卷积处理； 3. 将卷积处理后的投影函数进行反投影，重建二维的活度分布。

18、 单光子发射型计算机断层原理单光子发射型计算机断层原理 发射型计算机断层是通过计算机图像重建来显示已进人体内的放射性核素在断ECT分为单光子发射型计算机断层（SPECT）及正电子发射型计算机断层（PET）。SPECT的衰减校正的衰减校正 SPECT是通过射线的体外计数来标定体内放射性活度，不希望穿出人体的射线有衰减，在无衰减情况下，计数大小正比于放射性话度。但是衰减是不可避免的，它的存在严重影响了活度的精度。SPECTSPECT与与CTCT的比较的比较 1. 1. 比比X X线线CTCT图像重建复杂图像重建复杂 必须修正伽玛射线被组织的吸收。必须修正伽玛射线被组织的吸收。必须修正散射线的影响。

19、必须修正散射线的影响。 人体组织小体积元人体组织小体积元探头探头SPECTSPECT与与CTCT的比较的比较 2. X 2. X线线CTCT测定的是人体组织对测定的是人体组织对X X线的线的衰减值，反映的是组织的衰减值，反映的是组织的物理特性物理特性( (组组织密度值织密度值) )； 而而SPECTSPECT测定的是人体组织对放射测定的是人体组织对放射性药物的吸收情况，反映的是人体性药物的吸收情况，反映的是人体组组织的生理、生化信息，以及组织的功织的生理、生化信息，以及组织的功能代谢情况能代谢情况。 PET简介简介PETPET历史历史 19531953年，年，Dr.BrXwnellDr.BrX

20、wnell和和Dr.SweetDr.Sweet就已研制了就已研制了用于脑正电子显像的用于脑正电子显像的PETPET显像仪。显像仪。 6060年代末，出现了第一代商品化年代末，出现了第一代商品化PETPET扫描仪，扫描仪，可进行断层面显像。可进行断层面显像。 19761976年，由年，由Dr.PhelpsDr.Phelps和和DrX.HoffmanDrX.Hoffman设计，设计，由由ORTECORTEC公司组装生产了第一台用于临床的公司组装生产了第一台用于临床的商品化的商品化的PETPET。 PETPET历史历史n2020世纪世纪8080年代，更多公司投入了年代，更多公司投入了PETPET研研

21、制，岛津制，岛津(Shimadzu(Shimadzu，1980)1980)、CTICTI公司公司(1983)(1983)、西门子公司、西门子公司(Siemens(Siemens，1986)1986)、通、通用电气公司用电气公司(GE(GE，1989)1989)、日立公司、日立公司(Hitachi(Hitachi，1989)1989)和和ADACADAC公司公司(1989)(1989)。 nPETPET系统已日趋成熟，许多新技术用于系统已日趋成熟，许多新技术用于PETPET产品。产品。n9090年代中期，在发达国家年代中期，在发达国家PETPET已成为重已成为重要的影像学诊断工具。要的影像学诊断

22、工具。PET的发展的发展20012001年年 GE DISCOVERY -LSGE DISCOVERY -LS19641964年年 环状头部环状头部PETPET正电子发射型计算机断层扫描仪PET的优势PET的特点ReturnReturnPET影像设备影像设备正电子核素制备正电子核素制备回旋加速器回旋加速器 正电子示踪剂制备正电子示踪剂制备 放化标记设备放化标记设备 PETPET影像获取影像获取 PETPET影像系统影像系统 正电子药物正电子药物正电子核素正电子核素半衰期半衰期 产产 物物 Carbon-1120.5 min14N(p,)11C Nitrogen-1310.0 min16O(p,

23、)13N Oxygen-152.1 min14N(d,n)15O Fluorine-18110 min18O(p,n)18F (F-)20Ne(d,)18F (F2) Gallium-6868 minGe-68的子体的子体(271天天) Rubidium-821.27 minSr-82的子体的子体(25天天) C, N, O, F 等成分直接参与人体生化代谢等成分直接参与人体生化代谢正电子成像的物理基础正电子成像的物理基础 正电子放射性核素通常为富质子的核正电子放射性核素通常为富质子的核素素 ，它们衰变时会发射正电子。原子核中，它们衰变时会发射正电子。原子核中的质子的质子 释放正电子和中微子并

24、衰变为中子：释放正电子和中微子并衰变为中子：P P + n + + n + 其中其中 P P为质子，为质子，n n为中子，为中子， 为正电子，为正电子， 为中微子。为中微子。 正电子湮灭正电子湮灭 正电子发射体发射出的正电子（）在极短的时间内与其临近的电子（）碰撞而发生湮灭辐射，即在两者湮灭的同时，产生两个方向相反的能量都为511KeV的光子，此即质量湮灭现象质量湮灭现象。正电子湮灭正电子湮灭正电子湮灭前在人体组织正电子湮灭前在人体组织内行进内行进 1-3mm1-3mm。 湮灭作用产生：湮灭作用产生： 能量能量( (光子是光子是 511KeV)511KeV)。 动量动量 1-3mm511KeV

25、511KeV 同时产生互成同时产生互成180180度的度的511keV511keV的伽玛光子。的伽玛光子。常用正电子放射性核素的物理特性常用正电子放射性核素的物理特性放射性核素放射性核素半衰期半衰期 最大正电子能量最大正电子能量 最大射程最大射程 平均射程平均射程 （min） （MeV） （mm） （mm） 11C 20.30.96 5.0 0.28 13N 10.01.19 5.4 0.60 15O 2.01.70 8.2 1.10 18F 109.8 0.64 2.4 0.22 68Ga 67.81.89 9.1 1.35 82Rb 1.33.35 15.6 2.60符合探测原理符合探测原

26、理符合探测原理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。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。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。合事件和本底的同时提高了探测灵敏度。探测器探测器1探测器探测器2 脉冲脉冲 处理器处理器符合符合脉冲脉冲 处理器处理器PET影像分辨率的极限 正电子湮灭作用过程中粒子的动量变化会导致511 keV光

27、子在探测野中产生约4弧度的不确定性偏离。 对探测环横断面视野直径为70cm的PET，会导致23mm的位置不确定性。 这一微小偏差，以及正电子发射位置与湮灭辐射的发生点之间存在微小间距，使PET的分辨率有一极限值制约。 对大视野（FOV）PET而言，最高分辨率约为34mm。PET影像分辨率的极限影像分辨率的极限正电子湮灭行程正电子湮灭行程( 1-3mm)( 1-3mm)的影的影响：响： - -正电子能量影响湮灭行程的距正电子能量影响湮灭行程的距离离 - - 1818F F 影像影像(E (E maxmax=0.6MeV)=0.6MeV)与与 1515O (O (E Emaxmax=2.1MeV)

28、=2.1MeV)影像相比影像相比, ,分分辨率较高辨率较高点源点源相反运动相反运动 光子非直线的影光子非直线的影响：响： - -探测环直径影响：非探测环直径影响：非180180度夹角每度夹角每50CM50CM探测环探测环直径使分辨率直径使分辨率(FWHM)(FWHM)变坏变坏1mm1mm真符合、随机符合和散射符合真符合、随机符合和散射符合11. 真符合时间真符合时间22. 因灵敏度或死时间丢失的真符合事件因灵敏度或死时间丢失的真符合事件33. 因光子衰减丢失的真符合事件因光子衰减丢失的真符合事件44. 散射符合事件散射符合事件5a5b5 . a,b 随机符合事件随机符合事件R光电倍增管光电倍增

29、管光电倍增管处理处理符合符合探测器探测器环环PETPET的数据处理过程的数据处理过程 处理电路处理电路 处理电路处理电路符符 合合 处理器处理器数据数据 重组重组图像图像 重建重建图像图像PET的电子准直的电子准直PET的探头和探测环的探头和探测环X-Y平面为平面为PET的横断面，与探测环平面平行。的横断面，与探测环平面平行。 Z轴是轴是 PET的长轴，与探测环平面垂直。的长轴，与探测环平面垂直。PETPET选用的晶体选用的晶体PETPET选用的晶体选用的晶体PET选用的晶体选用的晶体NaI(Tl) 晶体能量分辨率较高，价格便宜。晶体能量分辨率较高，价格便宜。 BGO晶体密度大，探测效率高、稳

30、定性好。晶体密度大，探测效率高、稳定性好。 LSO 、GSO等晶体密度大、衰减常数小、光产额高。等晶体密度大、衰减常数小、光产额高。性能指标性能指标NaICeF1BaF2BGOCsI(Tl)LSOYAPGSO 物理密度物理密度 (g/cm3) 3.676.16 4.89 7.13 4.517.355.556.71 辐射长度辐射长度 (cm)2.591.702.101.121.860.882.70 线衰减系数线衰减系数(1/cm) 0.340.640.470.92 0.600.87 0.62 发射波长发射波长 (nm) 410310220480580420380430 衰减常数衰减常数 (ns) 230213001000 403060 光子产额光子产额 (%) 100 3 4 15 45704041 折射指数折射指数1.85 1.62 1.49 2.151.801.82 1.901.85 PETPET的结构组态的结构组态1对对1组合组合块状晶体组合块状晶体组合伽玛相机组伽玛相机组 临床临床PETPET采用多晶体组合结构。采用多晶体组合结构。 用较少的探测器得到较多的环数、较大的轴向视用较少的探测器得到较多的环数、较大的轴向视野和较高的空间分辨率。野和较高的空间分辨率。 PET的结构组态的结