第七 讲 核医学与核成像技术

1、1核成像与核医学核成像与核医学2实例 01动力装置检验的故事动力装置检验的故事 目前已在医学诊断、工业无损检测、社会安全检目前已在医学诊断、工业无损检测、社会安全检查等方面，发挥着越来越重要的作用。查等方面，发挥着越来越重要的作用。3一一 核成像概述核成像概述 核成像：核成像：研究核信息的空间分布，从二维或三维角度研究核信息的空间分布，从二维或三维角度出发研究物体的形态或属性，比如性质、结构、密度、出发研究物体的形态或属性，比如性质、结构、密度、厚度、缺陷等。厚度、缺陷等。 1895年德国物理学家伦琴发现年德国物理学家伦琴发现x射线后经过三个阶段射线后经过三个阶段的发展：的发展：5050年代以

2、前：研究常规射线检测的基本技术和设备年代以前：研究常规射线检测的基本技术和设备50705070年代：完善基本理论，改进设备，实践尝试年代：完善基本理论，改进设备，实践尝试 7070年代以后：重点是新技术如年代以后：重点是新技术如CTCT、背散射成像、背散射成像、DRDR等。等。4二二 核成像原理与系统组成核成像原理与系统组成1 原理原理:射线与物质的相互作用是辐射成像的物理射线与物质的相互作用是辐射成像的物理基础。以透射成像为例基础。以透射成像为例2 组成组成射线源射线源探测器探测器信号处理采集信号处理采集图像处理图像处理机械与控制机械与控制mmxeII0 xxm 图象处理 探测器 信号处理采

3、集电路 射线源 /m5三三 成像方式成像方式分类：分类：有多种分类方法，有多种分类方法，如胶片与数字、探测器类型如胶片与数字、探测器类型、成像方式等。、成像方式等。 透射成像（透射投影）透射成像（透射投影） 散射成像散射成像 层析成像（断层扫描）层析成像（断层扫描）DR: Digital Radiography CR: Computed RadiographyCT: Computed Tomography6探测介质探测介质 胶片照相胶片照相：最古老而：最古老而目前仍得到广泛应用；目前仍得到广泛应用；胶片既作为探测介质，胶片既作为探测介质，又是记录载体；空间又是记录载体；空间分辨率高。分辨率高。

4、7荧光屏荧光屏：与胶片照相类与胶片照相类似，用荧光屏代替胶片，似，用荧光屏代替胶片，将将x x射线转换为可见光；射线转换为可见光；CCDCCD技术技术 + + 电视（图像电视（图像增强器，亮度可提高增强器，亮度可提高1000010000倍）；可远距离倍）；可远距离检测，可实时成像，也检测，可实时成像，也可数字化。成本低；可数字化。成本低；空空间分辨率、对比灵敏度间分辨率、对比灵敏度较差；对中高能射线探较差；对中高能射线探测效率低。测效率低。探测介质探测介质8 潜影成像板潜影成像板：日本富士公司：日本富士公司开发的技术，用成像板代替开发的技术，用成像板代替了胶片与暗盒，由成像板、了胶片与暗盒，由

5、成像板、读出器和信息处理设备三部读出器和信息处理设备三部分组成，特点：分组成，特点： 空间分辨率高，可与胶片比空间分辨率高，可与胶片比拟；辐射剂量显著降低；成拟；辐射剂量显著降低；成像板可重复使用像板可重复使用20003000次以上，但价格昂贵；具有次以上，但价格昂贵；具有多种图像后处理功能。多种图像后处理功能。探测介质探测介质9 TFT TFT成像技术成像技术：美国美国Sterling公司开发；公司开发；探测器由二维薄膜晶体管探测器由二维薄膜晶体管(TFT)阵列和涂覆在阵列和涂覆在其上的光电导材料无定形硒其上的光电导材料无定形硒(a-Se)构成；构成；a-Se吸收吸收x射线，产生电子射线，产

6、生电子-空穴对，被收集到各个空穴对，被收集到各个与像素相对应的存储电容上，形成电信号；这与像素相对应的存储电容上，形成电信号；这些电信号被采集、模数转换，形成数字图像。些电信号被采集、模数转换，形成数字图像。 特点：特点：直接把直接把x射线转换成电信号，没有经过射线转换成电信号，没有经过从从x射线到可见光的转换过程，减少了信息损射线到可见光的转换过程，减少了信息损失并降低了噪声；分辨率：失并降低了噪声；分辨率： 139m139m；动态范围大，可实时成像。但价格昂贵！（总动态范围大，可实时成像。但价格昂贵！（总投资投资1亿亿US$）探测介质探测介质10成像方式（一）成像方式（一）透射成像特点透射

7、成像特点：建立在射线对建立在射线对物体透射的基础上，对物体物体透射的基础上，对物体的厚度和密度比较灵敏，但的厚度和密度比较灵敏，但对物质的种类或物质的原子对物质的种类或物质的原子量不太敏感。量不太敏感。 投影图像投影图像 与质量厚度、质量衰减与质量厚度、质量衰减系数成指数关系系数成指数关系 前后重叠，不符合视觉前后重叠，不符合视觉习惯习惯xxeIeIImm0011 散射成像：散射成像：物理基础是康普顿散射，对物理基础是康普顿散射，对于含于含H H物质，对射线的吸收系数小于重物物质，对射线的吸收系数小于重物质，所以对有机物有自动质，所以对有机物有自动“加亮加亮”功能；功能； 射线照射到工件，由于

8、检测器前设有准直射线照射到工件，由于检测器前设有准直器，来自工件不同深度层产生的散射线，器，来自工件不同深度层产生的散射线，将入射到不同位置的检测器。将入射到不同位置的检测器。 在物体某一层中，若在不同点存在有性质在物体某一层中，若在不同点存在有性质的差异，则所产生的散射线强度也不同。的差异，则所产生的散射线强度也不同。 从检测器给出的数据分布，可以对该层的从检测器给出的数据分布，可以对该层的物质性质作出分析。物质性质作出分析。成像方式（二）成像方式（二）其主要特点是：单侧几何布置；图象的对比度在理其主要特点是：单侧几何布置；图象的对比度在理论上可达论上可达100%100%；具有层析功能，并且

9、一次可得到多；具有层析功能，并且一次可得到多个截面的图象。个截面的图象。12 康普顿散射成像检测系统测试的是康普顿的散射射线，它对物质的原子量很敏感对物质的原子量很敏感。 原子的康普顿散射截面c与物质的原子序数Z以及光子能量之间的关系为c czzhvhv（当hvmc2时）. 因此，康普顿散射成像检测系统，可以检测物质的成分。 康普顿散射成像检测系统康普顿散射成像检测系统13由于康普顿散射成像技术采用散射线成像，故：由于康普顿散射成像技术采用散射线成像，故：主要适用于低原子序数物质主要适用于低原子序数物质近表面区较小厚度范围内缺陷的检验近表面区较小厚度范围内缺陷的检验通常它适宜检验物体表面层厚度

10、区是：钢为通常它适宜检验物体表面层厚度区是：钢为3-5mm3-5mm，铝约为，铝约为25mm25mm，塑料和复合材料约为塑料和复合材料约为50mm50mm。其次，在应用时必须考虑基体材料和缺陷对射线的散射差别，也必须其次，在应用时必须考虑基体材料和缺陷对射线的散射差别，也必须考虑所要求的分辨率和成像时间。考虑所要求的分辨率和成像时间。康普顿散射成像检测技术已应用于一些问题的检验和研究，例如飞机康普顿散射成像检测技术已应用于一些问题的检验和研究，例如飞机蒙皮的黏结和腐蚀检验。蒙皮的黏结和腐蚀检验。在固体火箭发动机结构分层检验中，已可检出在固体火箭发动机结构分层检验中，已可检出0.15mm0.15

11、mm的分层间歇。的分层间歇。测量密度为测量密度为6.7g/cm6.7g/cm3 3左右的密度时，测量的不确定度，可达左右的密度时，测量的不确定度，可达1%1%，实，实验证明可用于密度为验证明可用于密度为1.7g/cm1.7g/cm3 3左右的复合材料密度测量。左右的复合材料密度测量。 局限性及应用局限性及应用14散射成像扫描方式散射成像扫描方式散射成像方式散射成像方式 逐点扫描逐点扫描 逐线扫描逐线扫描 逐面扫描逐面扫描入射线被检客体探测器准直器透射线散射线入射线被检客体阵列探测器准直器散射线透射线入射线束被检客体面探测器阵列逐点逐点逐面逐面逐线逐线15 当散射角当散射角=180时，时，称背散

12、射，相应的成像称背散射，相应的成像方式称为方式称为背散射成像背散射成像。成像特点：成像特点： 源与探测器在同一侧源与探测器在同一侧 表层信息、对低原子序表层信息、对低原子序数敏感数敏感 一次只能获取一侧图像一次只能获取一侧图像 层析功能，直接三维层析功能，直接三维背散射成像背散射成像16 在在X X射线成像技术中，存在射线成像技术中，存在2 2个根本的问题：个根本的问题： （1 1）常规的）常规的X X射线成像是利用透射原理完成的，射线成像是利用透射原理完成的，它使物体的三维结构通过投影后显示在一个二它使物体的三维结构通过投影后显示在一个二维的平面上，使图象前后重叠，读片困难。维的平面上，使图

13、象前后重叠，读片困难。 （2 2）无论是荧光屏还是）无论是荧光屏还是X X射线胶片，它们固有的射线胶片，它们固有的分辨率都比较差。分辨率都比较差。 X X射线断层成像从根本上克服了上述困难。射线断层成像从根本上克服了上述困难。 X X射线断层成像（射线断层成像（X-CTX-CT）技术是根据物体横断面）技术是根据物体横断面的一组投影数据，经过计算处理后，得到物体的一组投影数据，经过计算处理后，得到物体横断面的图象，是一种由数据到图象的重建技横断面的图象，是一种由数据到图象的重建技术。术。三、计算机断层成像（三、计算机断层成像（CTCT）17 设有一幅只含设有一幅只含4 4个像素的图象，每个像素的

14、衰减系数值是未知的。个像素的图象，每个像素的衰减系数值是未知的。根据投影根据投影X X射线成像原理，当入射强度为射线成像原理，当入射强度为I I 0 0的的X X射线通过物体后，检测射线通过物体后，检测器接受到的射线强度为：器接受到的射线强度为：I = I I = I 0 0 e e-d-d, ,式中，式中，d d为物体的厚度，为物体的厚度，为为物体的线性衰减系数。物体的线性衰减系数。对于一个对于一个值不均匀截面而言，可以假设不同的位置有不同的值不均匀截面而言，可以假设不同的位置有不同的值值（见图），并建立一系列的衰减方程。对于这个只含（见图），并建立一系列的衰减方程。对于这个只含4 4个像素

15、的图象个像素的图象来说，在水平方向上可以建立以下来说，在水平方向上可以建立以下2 2个方程：个方程：I I 1 1 = I = I 0 0 e e- -（1+41+4）d dI I 2 2 = I = I 0 0 e e- -（2+32+3）d d基本原理基本原理 同理，还可以在垂直方向或对角线方向上列出类似的方程。同理，还可以在垂直方向或对角线方向上列出类似的方程。4 4个独立的方程联合起来求解，就能得出个独立的方程联合起来求解，就能得出1 12 23 34 4 的值的值，所形成的这幅关于衰减系数的图象就是我们所要得到的所形成的这幅关于衰减系数的图象就是我们所要得到的X-X-CTCT图象，它

16、表示物体的内部结构。图象，它表示物体的内部结构。 18 优势：优势：（1 1） 它能鉴别出，较小的衰减系数差，从而提高它能鉴别出，较小的衰减系数差，从而提高了检测灵敏度。了检测灵敏度。（2 2）对物体的前后、左右、上下）对物体的前后、左右、上下进行进行3 3维全方位断维全方位断面扫描面扫描，将数据重新整合，就能得到物体结构的，将数据重新整合，就能得到物体结构的3 3维立体图象。维立体图象。 X-CTX-CT自问世以来，在不长的自问世以来，在不长的2020多年中得到了飞速多年中得到了飞速的发展，产品经过了几代更新，各项性能指标有了明的发展，产品经过了几代更新，各项性能指标有了明显的提高。显的提高

17、。 计算机断层成像优势计算机断层成像优势19 用一个用一个X X射线源射线源 一个探测器一个探测器 同步作平移运动同步作平移运动 并旋转扫描以获取投影并旋转扫描以获取投影数据。数据。 第一代的主要缺点是采第一代的主要缺点是采集数据的时间比较长，集数据的时间比较长，大约需要几分钟。大约需要几分钟。 第一代：第一代：X-CTX-CT20 也采用平移加旋转的扫描方式，不同的也采用平移加旋转的扫描方式，不同的是用一个小角度扇形的射线束和多个检是用一个小角度扇形的射线束和多个检测器来代替原来的单一检测器。测器来代替原来的单一检测器。 使在每一个发射位置上可以同时检测到使在每一个发射位置上可以同时检测到多

18、个投影数据。多个投影数据。 假如有假如有1010个检测器，相邻之间相差个检测器，相邻之间相差1 1o o，那么在一次发射后可同时采集到那么在一次发射后可同时采集到1010个投个投影数据。于是在下一步作旋转运动时，影数据。于是在下一步作旋转运动时，整个扫描系统就可以一步旋转整个扫描系统就可以一步旋转1010o o而不而不是是1 1o o（假设单一检测器时每次转（假设单一检测器时每次转1 1o o），），使整个数据采集时间缩短了使整个数据采集时间缩短了1010倍。倍。第二代：第二代：X-CTX-CT21 只包含扇形束的旋转扫描，只包含扇形束的旋转扫描，不包括不包括X X射线射线源与检测器的平移运动

19、，因为第三代扫描源与检测器的平移运动，因为第三代扫描仪的扇形束，已扩展至能容纳下整个工件仪的扇形束，已扩展至能容纳下整个工件的截面。的截面。 检测器阵列通常有几百个或上千个检测器检测器阵列通常有几百个或上千个检测器单元，依次排列而成，工件围绕着一个公单元，依次排列而成，工件围绕着一个公共轴心旋转，共轴心旋转，X X射线源与检测器同时作上射线源与检测器同时作上下平移运动。下平移运动。“环形伪影环形伪影” 这一代扫描仪的明显优点是机械结构简化这一代扫描仪的明显优点是机械结构简化了，可以保证机械扫描精度，并使扫描速了，可以保证机械扫描精度，并使扫描速度有了明显的提高（通常为几秒钟）。度有了明显的提高

20、（通常为几秒钟）。 这是这是当前当前X-CTX-CT的主要结构形式。的主要结构形式。 第三代：第三代：X-CTX-CT22 采用在采用在360360o o圆周上固定安装好的圆周上固定安装好的检测器；检测器； 数据的采集只是靠旋转数据的采集只是靠旋转X X射线源；射线源； 整个探测器阵列是不动的；整个探测器阵列是不动的； 它的缺点是对某一特定的检测单它的缺点是对某一特定的检测单元来说，在不同的扫描位置上，元来说，在不同的扫描位置上，X X射线以不同的角度轰击探测器，射线以不同的角度轰击探测器，这将对重建图象的质量发生影响。这将对重建图象的质量发生影响。 同时制造成本也高。同时制造成本也高。 第四

21、代：第四代：X-CTX-CT23第五代第五代CT 第五代第五代CT 多层多层CT 螺旋螺旋CT 发射发射CT SPECT PETPETSPECT24 核心技术是核心技术是从投影重建图象从投影重建图象。 一种逆问题求解的方法，研究一种逆问题求解的方法，研究从投影重建图象的理论有普遍从投影重建图象的理论有普遍的适用性。的适用性。 断层扫描作为一种技术，它既断层扫描作为一种技术，它既有坚实的数学理论为依托，又有坚实的数学理论为依托，又有现代电子技术及计算机技术有现代电子技术及计算机技术相支持，相支持， X-CTX-CT已在工业，农业，地球物已在工业，农业，地球物理等领域中得到广泛的应用。理等领域中得

22、到广泛的应用。 中科院高能物理研究所，建成中科院高能物理研究所，建成并投入使用的加速器工业并投入使用的加速器工业X-CTX-CT系统系统断层扫描技术断层扫描技术25 检测平台检测平台可以左右移动并可围绕中心轴转动的平台上，可以左右移动并可围绕中心轴转动的平台上，断层截面的切取，通过工件台的上升或下降实现。断层截面的切取，通过工件台的上升或下降实现。 线阵探测器选用线阵探测器选用：钨酸镉钨酸镉 0.35mm(0.35mm(宽宽) )6mm(6mm(高高) )5mm(5mm(深深) )1 平台 2 探测器支架 3 34 探测器 4 滑台 5 55 转台支架 升降台 6 转台 7 1 2 3 4 5

23、7 6 检测平台和线阵探测器检测平台和线阵探测器- -能量响应范围宽能量响应范围宽50keV9MeV50keV9MeV- -探头间隔探头间隔0.4mm0.4mm，它决定了位置，它决定了位置分辨的精度；分辨的精度；- -动态范围，动态范围，7500/1 7500/1 （定义为（定义为饱和信号与电子噪声本底标准偏饱和信号与电子噪声本底标准偏差的比值）；差的比值）；26 1 1）辐射源：）辐射源：常用的有：常用的有：X X光机，加速器，光机，加速器，射线源。射线源。理想的射线源：应具有足够高的强度，单一的能量，理想的射线源：应具有足够高的强度，单一的能量，较小的焦点尺寸。较小的焦点尺寸。射线源的能量

24、应根据检测物体的特点选定。射线源的能量应根据检测物体的特点选定。 2 2）探测器：）探测器：它是数据采集系统的核心器件，它接收射它是数据采集系统的核心器件，它接收射 线信号，形成线信号，形成X-CTX-CT系统的原始数据，其性能直接影响系统的原始数据，其性能直接影响系统的图象质量。系统的图象质量。探测器的主要性能包括：单元尺寸，单元数目（通探测器的主要性能包括：单元尺寸，单元数目（通道数），能量转换效率，响应时间，动态范围，稳道数），能量转换效率，响应时间，动态范围，稳定性，一致性等。定性，一致性等。常 用 的 固 体 探 测 器 有 ：常 用 的 固 体 探 测 器 有 ： C d W OC

25、 d W O4 4， C a W OC a W O4 4，Nal(Tl),BGONal(Tl),BGO或塑料闪烁体等，后接光电倍增管；或塑料闪烁体等，后接光电倍增管；射线源与探测器前均有相应的准直装置。射线源与探测器前均有相应的准直装置。工业工业CT组成组成27 3 3）机械扫描系统：）机械扫描系统：用于工件的旋转，升降和平移，调整用于工件的旋转，升降和平移，调整射线源射线源- -工件工件- -探测器的距离和相对位置。探测器的距离和相对位置。主要性能要求是：扫描方式，移位特性（移动自由度，主要性能要求是：扫描方式，移位特性（移动自由度，速度，范围等），控制方法和精度等。速度，范围等），控制方法

26、和精度等。 4 4）电子学系统：）电子学系统：包括信号放大、甄别、计数等一系列部包括信号放大、甄别、计数等一系列部件，以及使探测系统与计算机系统相联系的接口等。件，以及使探测系统与计算机系统相联系的接口等。 5 5）计算机系统：）计算机系统：硬件有主机、阵列处理器、数据存储、硬件有主机、阵列处理器、数据存储、图象显示与文字输出等；软件有各种作滤波反投影信息处图象显示与文字输出等；软件有各种作滤波反投影信息处理的程序和一定的图象重建的程序。理的程序和一定的图象重建的程序。工业工业CT组成组成28 影响影响CTCT图象质量的因素很多，但通常用下列几种参图象质量的因素很多，但通常用下列几种参数作为主

27、要评价标志。数作为主要评价标志。 1 1）扫描时间：扫描时间：即完成一个层面数据采集所需的时间。即完成一个层面数据采集所需的时间。它与图象矩阵的大小，探测器阵列所含探测器的多少它与图象矩阵的大小，探测器阵列所含探测器的多少及射线源的辐射强度等直接相关。及射线源的辐射强度等直接相关。 2 2）重建时间：重建时间：即计算机系统完成一个层面数据处理，即计算机系统完成一个层面数据处理，给出数字图象所需要的时间。它与图象矩阵的大小，给出数字图象所需要的时间。它与图象矩阵的大小，重建算法的性能密切相关。重建算法的性能密切相关。 3 3）空间分辨率：空间分辨率：指断层面上的几何分辨率，即显示最指断层面上的几

28、何分辨率，即显示最小物体的能力小物体的能力 4 4）断层厚度：断层厚度：即为切片厚度，要得到很高的空间分辨即为切片厚度，要得到很高的空间分辨率，必须取很薄的扫描断层厚度。率，必须取很薄的扫描断层厚度。评价评价CTCT性能的主要参数性能的主要参数29 5 5）密度分辨率：密度分辨率：又称对比度分辨率，它表示能够又称对比度分辨率，它表示能够区分开的密度差别程度，以区分开的密度差别程度，以% %表示。表示。 6 6）伪影：伪影：又称假像，它是指图象中与被检物体的又称假像，它是指图象中与被检物体的物理参数分布没有对应关系的部分。它可能来自物理参数分布没有对应关系的部分。它可能来自被检物和被检物和CTC

29、T装置两个方面。装置两个方面。 7 7）均匀度：均匀度：指断面不同位置上同类缺陷成像时，指断面不同位置上同类缺陷成像时，是否具有同一个平均是否具有同一个平均CTCT值。值。 8 8）重复性：重复性：指在一定的误差范围内，同一物体在指在一定的误差范围内，同一物体在同样的测量参数下始终能获得同样的图象。同样的测量参数下始终能获得同样的图象。9 9）CTCT系统可以检测工件的系统可以检测工件的尺寸，厚度，重量等尺寸，厚度，重量等。评价评价CT性能的主要参数性能的主要参数30 工业工业CTCT的应用已越来越广泛。的应用已越来越广泛。 航空航天工业中，航空航天工业中，CTCT技术用来检测精密铸件，烧结和

30、复技术用来检测精密铸件，烧结和复合材料的结构等；合材料的结构等； 核工业核工业CTCT技术用来检测反应堆燃料元件的密度和缺陷，技术用来检测反应堆燃料元件的密度和缺陷，确定包壳管内芯体位置，核动力装置零部件及组件等；确定包壳管内芯体位置，核动力装置零部件及组件等； 钢铁工业钢铁工业CTCT技术用来检测钢材的质量，如管子的外径，技术用来检测钢材的质量，如管子的外径，内径，壁厚，偏心率和椭圆度；内径，壁厚，偏心率和椭圆度； 机械工业中可检测铸件和焊缝中的微小气孔，夹杂和裂机械工业中可检测铸件和焊缝中的微小气孔，夹杂和裂纹等缺陷。纹等缺陷。 此外，在陶瓷，建筑，食品，矿业，石油等等，领域都此外，在陶瓷

31、，建筑，食品，矿业，石油等等，领域都有很多的应用。有很多的应用。 工业工业CTCT的应用的应用31 工业工业X-CTX-CT应用深入到生产过程在线实时测试和自动控制应用深入到生产过程在线实时测试和自动控制 19841984年，美国钢铁协会设立一专门小组，探讨解决钢铁年，美国钢铁协会设立一专门小组，探讨解决钢铁生产发展所面临的紧迫任务的有效途径。他们认为，热生产发展所面临的紧迫任务的有效途径。他们认为，热轧无缝钢管的在线测试是其首要任务之一，即在热轧的轧无缝钢管的在线测试是其首要任务之一，即在热轧的同时测定钢管的壁厚、同心度、单位长度重量以及检查同时测定钢管的壁厚、同心度、单位长度重量以及检查出

32、钢管中的气孔、划痕、裂缝、分层等各种缺陷。出钢管中的气孔、划痕、裂缝、分层等各种缺陷。 之前，摩根教授等人曾就之前，摩根教授等人曾就CTCT在热轧无缝钢管测试中的应在热轧无缝钢管测试中的应用可行性，作过探索和实验。投资用可行性，作过探索和实验。投资240240万美元，研制称之万美元，研制称之为为“钢管全长检测系统钢管全长检测系统(IPIS)”(IPIS)”的工业的工业CTCT。 经过四年的努力，经过四年的努力，IPISIPIS的样机已于的样机已于19881988年年底问世。其年年底问世。其间，摩根在间，摩根在19871987年创立了专门从事年创立了专门从事INsINs研制生产的国际数研制生产的

33、国际数字模式公司字模式公司(EDM(EDM公司公司) )。在线实时测试和自动控制在线实时测试和自动控制32 最近的工业应用，更与计算机辅助设计、制造最近的工业应用，更与计算机辅助设计、制造(CAD(CADCAM)CAM)结合起来，使各种发动机和其他机械结合起来，使各种发动机和其他机械设计制造的工作效率与性能指标，均有很大提高。设计制造的工作效率与性能指标，均有很大提高。 例如例如弹药的装药密度测定弹药的装药密度测定使制造商们大伤脑筋。使制造商们大伤脑筋。用常规的检查方法，除非把炮弹锯开否则都碍用常规的检查方法，除非把炮弹锯开否则都碍于弹壳的不均匀性而影响其测定精确度。于弹壳的不均匀性而影响其测

34、定精确度。 美国美国IRTIRT公司曾经设计制造了一台康普顿散射公司曾经设计制造了一台康普顿散射CTCT扫描仪，检测扫描仪，检测l 55mml 55mm火箭炮弹头。装药的火箭炮弹头。装药的极为局极为局部的密度变化均被正确测定部的密度变化均被正确测定，弹壳厚度的变化对，弹壳厚度的变化对这一测量没有任何影响。这一测量没有任何影响。国防工业的应用国防工业的应用33国防工业的应用 除美国外，其他工业发达国家如英国、联邦德除美国外，其他工业发达国家如英国、联邦德国、日本、法国、俄罗斯等也都在工业国、日本、法国、俄罗斯等也都在工业CTCT的发展的发展方面，取得了引入注目的成就。方面，取得了引入注目的成就。

35、 最为集中的应用领域可说是国防工业，如直径为最为集中的应用领域可说是国防工业，如直径为2m2m火箭的整体测试火箭的整体测试，以及各种枪炮和弹药的无损，以及各种枪炮和弹药的无损检测等。检测等。 工业工业CTCT还被应用于飞机螺旋桨、发动机，汽轮机还被应用于飞机螺旋桨、发动机，汽轮机叶片，汽缸等精密铸件的无损检测。叶片，汽缸等精密铸件的无损检测。 苏联曾用苏联曾用XCTXCT测定反应堆燃料元件的密度分布测定反应堆燃料元件的密度分布。以。以前的这种检查，需把燃料元件分解开后用化学方前的这种检查，需把燃料元件分解开后用化学方法测定，耗时费钱。使用法测定，耗时费钱。使用CTCT技术一次可测定技术一次可测

36、定3232个个燃料元件，每次测定仅花燃料元件，每次测定仅花35min35min。34 美国肯尼迪空间中心美国肯尼迪空间中心SMS-201-CTSMS-201-CT扫描仪，在一次测定扫描仪，在一次测定中节约中节约l0l0万美元。当时，万美元。当时，航天飞机引擎航天飞机引擎装配好后在装配好后在其燃料管的波纹管减振器的肘节处其燃料管的波纹管减振器的肘节处(2.3mm(2.3mm不锈钢制成不锈钢制成) )，发现发现处约为一枚硬币大小的凹痕。痕迹虽不深，但处约为一枚硬币大小的凹痕。痕迹虽不深，但明显可见。明显可见。 制造商洛克希德公司用了好几种方法对此痕迹作了检制造商洛克希德公司用了好几种方法对此痕迹作

37、了检查，以确定痕迹处的管壁是否薄于规定指标，但均未查，以确定痕迹处的管壁是否薄于规定指标，但均未奏效。按常规方法似乎只有拆开燃料管换上一根奏效。按常规方法似乎只有拆开燃料管换上一根新的波纹管了。但这根结构复杂的部件价值新的波纹管了。但这根结构复杂的部件价值1010万美元。万美元。于是采用于是采用SMS-201-CTSMS-201-CT对该肘节处作了对该肘节处作了621621次剖面扫描，次剖面扫描，花了花了4h4h，结果证明肘节处的尺寸还是在加工公差范围，结果证明肘节处的尺寸还是在加工公差范围之内，部件可以放心地被使用。之内，部件可以放心地被使用。 民用工业产品的测试名目繁多，民用工业产品的测试

38、名目繁多，如木材扫描如木材扫描( (提高其利提高其利用率用率) )，轮胎生产流水线，以及各种管道和桩柱的定期，轮胎生产流水线，以及各种管道和桩柱的定期检查等等。检查等等。航天及民用航天及民用35图例层析成像层析成像 透射透射CT断层图像断层图像36图例uThe CT images of a vessel and an exhaust manifold The CT images of a vessel and an exhaust manifold provided by the ARACOR Company, CA., U.S.A.provided by the ARACOR Company

39、, CA., U.S.A.37其他核成像技术其他核成像技术 核磁共振成像核磁共振成像 正电子发射断层成像正电子发射断层成像 襁褓中的巨人襁褓中的巨人穆穆斯堡尔成像斯堡尔成像38发展趋势：发展趋势： 在基本理论日臻完善的情况下，核成像技术的在基本理论日臻完善的情况下，核成像技术的发展更多地体现在多学科的交叉融合上。材料科学发展更多地体现在多学科的交叉融合上。材料科学的发展的发展( (如新型材料的诞生如新型材料的诞生) )、信息科学的发展、信息科学的发展( (如如计算机、微电子技术计算机、微电子技术) )，为核成像技术注入了巨大，为核成像技术注入了巨大的活力。其未来的发展，仍将首先依赖于以信息科的

40、活力。其未来的发展，仍将首先依赖于以信息科学为主导的高新技术的进步。学为主导的高新技术的进步。 数字化数字化 大规模、高能大规模、高能 多视图多视图 图像智能化图像智能化 39核医学包含两部分核医学包含两部分 核医学诊断核医学诊断和和核医学治疗核医学治疗（放射治疗）（放射治疗） x射线图像增强器射线图像增强器 造影术：钡餐造影术：钡餐 数字化：高对比度数字化：高对比度 CT：任意断层图像的获得：任意断层图像的获得 放射性同位素诊断：放射性同位素诊断：PECT与与PET40放射治疗利用放射治疗利用电离辐射电离辐射对生物组织的对生物组织的破坏破坏效应效应进行疾病治疗，一般简称为放疗。进行疾病治疗，

41、一般简称为放疗。70%70%以上的恶性肿瘤病人需要进行放疗。以上的恶性肿瘤病人需要进行放疗。射线的直接效应射线的直接效应射线直接作用细胞的遗射线直接作用细胞的遗传物质传物质DNADNA分子上，使它们发生电离，分子分子上，使它们发生电离，分子断裂，使得细胞不能再繁殖，并最终导致死断裂，使得细胞不能再繁殖，并最终导致死亡。亡。射线的间接效应射线的间接效应射线引起水分子电离和射线引起水分子电离和分解，产生大量活泼的离子和自由基，它们分解，产生大量活泼的离子和自由基，它们再与细胞的再与细胞的DNADNA分子发生作用，导致细胞无分子发生作用，导致细胞无法再分裂或增生，并最终死亡。法再分裂或增生，并最终死

42、亡。41放射治疗使用的射线有放射治疗使用的射线有X X、e e、p p、n n、- -介子及重离介子及重离子，电子和重离子利用其直接电离效应，子，电子和重离子利用其直接电离效应，X X、光子和中子光子和中子利用其间接电离效应。其中最常用的是利用其间接电离效应。其中最常用的是X X、及及e e。6060CoCo是重要的是重要的射线辐射源，它经射线辐射源，它经- -衰变产生能量为衰变产生能量为1.173MeV1.173MeV和和1.333MeV1.333MeV的的射线，半衰期射线，半衰期5.275.27年。年。 电子加速器电子加速器能产生用于治疗的电子束流和能产生用于治疗的电子束流和X X射线。射

43、线。医用电子加速器有三种类型：电子感应加速器医用电子加速器有三种类型：电子感应加速器（BetatronBetatron）、回旋加速器（）、回旋加速器（CyclotronCyclotron） 和直线加速器和直线加速器（Linear AcceleratorLinear Accelerator，LINACLINAC）。）。LINACLINAC又又可分为行波与驻可分为行波与驻波两类波两类。42医用电子直线医用电子直线加速器能为放射加速器能为放射治疗提供两种治疗提供两种MeVMeV级电离辐射：级电离辐射： 供深部肿瘤治供深部肿瘤治疗用的疗用的X X辐射，辐射， 供表浅治疗用供表浅治疗用的电子辐射的电子辐

44、射。43放射治疗 The total number of medical electron linear Accelerators (linacs) is 7,0008,000 Varian Associates clinac machine44 对人体表浅组织（通常深度小于对人体表浅组织（通常深度小于1cm1cm）进行的）进行的表浅放射治疗表浅放射治疗 靶区位于人体深部（深度超过靶区位于人体深部（深度超过1cm1cm）的）的深部放射治疗深部放射治疗 将辐射束或放射源通过自然的或人造的开口引入人体腔内的将辐射束或放射源通过自然的或人造的开口引入人体腔内的腔内放射治疗腔内放射治疗 对人体全身进行

45、的对人体全身进行的全身放射治疗全身放射治疗 在手术中，直视下进行大剂量照射，以杀灭残留肿瘤细胞的在手术中，直视下进行大剂量照射，以杀灭残留肿瘤细胞的术中放射治疗术中放射治疗。 45对于眼部和皮肤等的各种浅表疾病，如皮肤癌、对于眼部和皮肤等的各种浅表疾病，如皮肤癌、血管瘤等，可以利用血管瘤等，可以利用敷贴器敷贴器将成膏药状将成膏药状9090SrSr（锶）（锶）或或3232P P（磷）等放射性核素贴在病变位置上进行（磷）等放射性核素贴在病变位置上进行表表浅放射治疗浅放射治疗。后装机后装机是一种是一种腔内近距离放射治疗腔内近距离放射治疗设备。所谓设备。所谓后装，即先将治疗头放入欲治体腔内，固定位置后

46、装，即先将治疗头放入欲治体腔内，固定位置后，再将小球状放射源装入治疗头内，让射线在后，再将小球状放射源装入治疗头内，让射线在很短距离内杀伤癌细胞。后装机所用的放射性核很短距离内杀伤癌细胞。后装机所用的放射性核素有素有6060CoCo（钴）、（钴）、192192lrlr（铱）、（铱）、125125I I（碘）。（碘）。46后装机由放射源、储源罐、施源器、驱动系统、后装机由放射源、储源罐、施源器、驱动系统、控制系统与治疗计划系统组成，放射源的运动与控制系统与治疗计划系统组成，放射源的运动与驻留时间全都由计算机操作自动进行。驻留时间全都由计算机操作自动进行。 由于有立体定向由于有立体定向仪和三维检查

47、与治仪和三维检查与治疗系统，使肿瘤的疗系统，使肿瘤的大小、形态、质地、大小、形态、质地、体积及在颅内空间体积及在颅内空间的位置得以精确的的位置得以精确的判定，需向瘤内插判定，需向瘤内插置源管的部位、数置源管的部位、数目及剂量与时间得目及剂量与时间得以准确的计算与优以准确的计算与优化。化。 47 后装机可用于咽喉癌、结肠癌、膀胱癌及皮肤癌等后装机可用于咽喉癌、结肠癌、膀胱癌及皮肤癌等 的治疗。近年来开始用于脑瘤间质内近距离治疗的治疗。近年来开始用于脑瘤间质内近距离治疗 和冠心病介入治疗后的预防血栓形成。和冠心病介入治疗后的预防血栓形成。 48肿瘤靶区肿瘤靶区常规照射以常规照射以强强度均匀度均匀、

48、形状规形状规则则的辐射野为基的辐射野为基础，每次从础，每次从2 23 3个不同角度照射，个不同角度照射，使肿瘤靶区得到使肿瘤靶区得到比周围组织高的比周围组织高的照射剂量。照射剂量。第一辐射野第二辐射野491.直线加速器（直线加速器（Linear Accelerator，LINAC）一系列分立的加速电极一系列分立的加速电极排成一线，电极上加交排成一线，电极上加交变电场，其频率保证当变电场，其频率保证当电子经过每对电极间隙电子经过每对电极间隙的时候都被电场加速。的时候都被电场加速。50医用加速器的结构医用加速器的结构电子照射时用散射器获得均匀分布的辐射，用限束器获得所需的矩形或圆形辐射野。第一准直

49、器匀整器监测电离室第二准直器补偿器附加挡块X X辐射用电子打靶产生，辐射用电子打靶产生，均整器均整器使之分布均匀，由两对使之分布均匀，由两对准直器准直器产生矩形的辐射野，用低熔点合金制成的产生矩形的辐射野，用低熔点合金制成的附加挡块附加挡块保护要害器官，在保护要害器官，在散射器散射器和和限束器限束器之间放置之间放置监测电离室监测电离室。512.60Co治疗机（又称钴炮）治疗机（又称钴炮）射线从钴头前射线从钴头前方的准直孔射出。方的准直孔射出。钴头装在机架上，钴头装在机架上，可绕一轴线旋转。可绕一轴线旋转。移动治疗床，使移动治疗床，使钴头前端贴近病人钴头前端贴近病人的体表。的体表。可采用固定束、

50、可采用固定束、旋转、摆动和跳跃旋转、摆动和跳跃治疗方法。治疗方法。52Leksell C型伽玛刀型伽玛刀伽玛刀是一种专用伽玛刀是一种专用作脑定向放射的外科作脑定向放射的外科治疗装置。治疗装置。伽玛刀治疗系统利伽玛刀治疗系统利用立体定位的方法，用立体定位的方法，预先测定病灶点的位预先测定病灶点的位置。然后将置。然后将201束束射线精确地聚焦在病射线精确地聚焦在病灶点上，灶点上，形成锐利如形成锐利如刀锋的高剂量区刀锋的高剂量区。对对周边的正常组织所造周边的正常组织所造成的放射剂量比肿瘤成的放射剂量比肿瘤所接收的小所接收的小5 51010倍倍. .53直线电子加速器前安装筒型准直器，形成狭窄直线电子

51、加速器前安装筒型准直器，形成狭窄的辐射野。将此的辐射野。将此X X射线束从不同的方向投送至病灶射线束从不同的方向投送至病灶点，让病灶点承受高剂量辐射，而靶区周围点，让病灶点承受高剂量辐射，而靶区周围X X线的线的放射剂量呈锐减性分布，故称为放射剂量呈锐减性分布，故称为X X刀。刀。 54使不同照射角度的使不同照射角度的辐射野截面形状与病灶在射束方向的投辐射野截面形状与病灶在射束方向的投影轮廓相一致影轮廓相一致，辐射野的剂量分布仍以，辐射野的剂量分布仍以均匀分布均匀分布为基础。为基础。55辐射野成形准直器辐射野成形准直器 准直器准直器一般用铅、钨或合金制造，用来阻挡和吸收辐射线，一般用铅、钨或合

52、金制造，用来阻挡和吸收辐射线，以形成一定形状的辐射野。以形成一定形状的辐射野。多叶准直器多叶准直器（MultiLeaf CollimatorMultiLeaf Collimator，MLCMLC）由一组叶片迭合成，）由一组叶片迭合成，叶片开合形成辐射野形状。早期的叶片开合形成辐射野形状。早期的MLCMLC是手动的，叶片较厚，只有是手动的，叶片较厚，只有8 81212对。目前的对。目前的MLCMLC叶片能在计算机的控制下快速运动，辐射野的叶片能在计算机的控制下快速运动，辐射野的大小、形状和位置可随时间动态改变。叶片越薄，片数越多，越能大小、形状和位置可随时间动态改变。叶片越薄，片数越多，越能获得

53、与肿瘤轮廓接近的辐射野，但是驱动与控制系统也越复杂。目获得与肿瘤轮廓接近的辐射野，但是驱动与控制系统也越复杂。目前最多已发展到前最多已发展到6060对。对。56Brahme和Cormack 在1988年进行剂量分布优化计算时独立地提出了采用非均匀调强辐射准确地实现靶区剂量分布的问题。IMRT用于治疗那些形状复杂、附近有要害器官的肿瘤 。例如治疗主动脉旁的淋巴结瘤 。 为使组织不均匀、轮廓不规则的靶区（甚至是凹型或包嵌形）获得为使组织不均匀、轮廓不规则的靶区（甚至是凹型或包嵌形）获得预期的剂量分布，降低正常组织吸收，除了要求每个辐射野截面形状预期的剂量分布，降低正常组织吸收，除了要求每个辐射野截

54、面形状与靶区外围轮廓形状一致外，而且要求每个辐射野内剂量强度分布与与靶区外围轮廓形状一致外，而且要求每个辐射野内剂量强度分布与组织不均匀的肿瘤相符合。组织不均匀的肿瘤相符合。 57IMRT实例：实例：前列腺治疗前列腺治疗58放射治疗要从多个角度进行照射，放射治疗要从多个角度进行照射，每个照射角度的辐射野都有各自的截面每个照射角度的辐射野都有各自的截面形状和强度分布要求。形状和强度分布要求。当前放射治疗日益当前放射治疗日益精细化，实施照精细化，实施照射之前必须对射之前必须对病灶病灶精确定位，设计出治精确定位，设计出治疗方案疗方案，照射时要，照射时要准确地实现预定的计准确地实现预定的计划划，这些都

55、须借助复杂的技术手段来实，这些都须借助复杂的技术手段来实现现。59临床实践中，放疗事故主要因肿瘤靶区定位失准而引临床实践中，放疗事故主要因肿瘤靶区定位失准而引起起 。为了确保治疗质量和病人安全，放射治疗前必须。为了确保治疗质量和病人安全，放射治疗前必须模拟照射的几何条件模拟照射的几何条件,准确定位肿瘤准确定位肿瘤, 对辐射野进行设计对辐射野进行设计和检查。其过程包含固定和标记病人，确定靶区以及和检查。其过程包含固定和标记病人，确定靶区以及设计照射野的大小、方向和档块，复核治疗计划等。设计照射野的大小、方向和档块，复核治疗计划等。早期直接在治疗机上行模拟，通过早期直接在治疗机上行模拟，通过X光胶

56、片来确定照光胶片来确定照射野。这种方法图像质量很差，定位不准确，模拟定射野。这种方法图像质量很差，定位不准确，模拟定位通常需要较长的时间，效率很低。位通常需要较长的时间，效率很低。X射线模拟定位系统的出现解决了上述问题，对常规射线模拟定位系统的出现解决了上述问题，对常规放疗是革命性的。放疗是革命性的。60模拟定位机模拟定位机模拟定位机是一台与放疗设备在治疗时的条件完全一致的低能X射线机，根据它产生的二维图像（透视图像或X光胶片）进行肿瘤定位，确定照射野的形状、方向，制作档块，标记体表，检查治疗方案等。用诊断X射线取代高能X射线，图像质量大为改进，靶区定位更准确，对病人的伤害减小，并可实时透视病

57、人内部器官的运动，及时调整射野边界。将模拟和治疗分开进行，病人处理效率大大提高。61实施适形、调强和立体定向等精确放射治疗之前，要实施适形、调强和立体定向等精确放射治疗之前，要做出精确、详细的治疗计划。其过程为：做出精确、详细的治疗计划。其过程为：从成像设备取得病人的解剖结构信息，判断肿瘤的从成像设备取得病人的解剖结构信息，判断肿瘤的位置、形状和性质；位置、形状和性质；根据肿瘤和周围组织的构造、承受辐射的能力确定根据肿瘤和周围组织的构造、承受辐射的能力确定靶区和相邻组织的照射剂量；靶区和相邻组织的照射剂量；根据预设的靶区剂量分布求出所需辐射野数目、照根据预设的靶区剂量分布求出所需辐射野数目、照

58、射角度及各个辐射野的形状和剂量分布；射角度及各个辐射野的形状和剂量分布；根据治疗计划反算靶区和相邻组织的剂量，进行检根据治疗计划反算靶区和相邻组织的剂量，进行检验，并修正照射方案。验，并修正照射方案。62治疗计划系统是一台通过网络与成像系统、治疗治疗计划系统是一台通过网络与成像系统、治疗机连接的图像工作站机连接的图像工作站 。它从成像设备取得肿瘤所在。它从成像设备取得肿瘤所在体段的图像，在医生的参与下做出治疗计划，得到体段的图像，在医生的参与下做出治疗计划，得到的各种治疗参数输入加速器控制计算机中。的各种治疗参数输入加速器控制计算机中。63立体适形和调强放射立体适形和调强放射治疗需要精确地确定

59、治疗需要精确地确定靶区的三维形状和位靶区的三维形状和位置。将放疗专用螺旋置。将放疗专用螺旋CT、激光定位系统和、激光定位系统和三维治疗计划系统通三维治疗计划系统通过网络相连接，就形过网络相连接，就形成了集影像诊断、肿成了集影像诊断、肿瘤定位、剂量计算和瘤定位、剂量计算和治疗计划为一体化的治疗计划为一体化的三维三维CT模拟定位计划模拟定位计划系统。系统。64病人在靶区空间坐标参考体系下进行病人在靶区空间坐标参考体系下进行CT扫描，经靶区影像三扫描，经靶区影像三维数字重建，确定靶区和周围要害器官的形状与空间位置关系。维数字重建，确定靶区和周围要害器官的形状与空间位置关系。65为了确保病灶在模拟定位

60、机和加速器治疗机上所处的位为了确保病灶在模拟定位机和加速器治疗机上所处的位置完全一致，需要有空间坐标参考系统，它包含两部分：置完全一致，需要有空间坐标参考系统，它包含两部分：体架或头架体架或头架病人由真空垫病人由真空垫吸附并固定于体吸附并固定于体架中，头架则固架中，头架则固定在病人头骨上。定在病人头骨上。通过在体外设置通过在体外设置标记点的方法建标记点的方法建立参考坐标系统，立参考坐标系统，给出病灶的空间给出病灶的空间位置。位置。66激光定位器。屋顶、两侧墙面的三束激光互相垂直并共交于一点，激光定位器。屋顶、两侧墙面的三束激光互相垂直并共交于一点，此点就是模拟定位机和加速器的等中心点。激光束在