第八章 核医学成像设备

第八章核医学成像设备嘉应学院医学院附属医院陈宗发初级工程师

NuclearMedicalInstrument伽玛照相机人体骨骼的全身γ成像第八章核医学成像本章主要内容概述核医学成像的物理基础核医学成像设备γ照相机单光子发射型计算机体层设备（SPECT）正电子发射型计算机体层设备（PET）第8章核医学成像设备概述核医学，又称原子（核）医学.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.核医学最重要的特点是能提供身体内各组织功能性的变化，而功能性的变化常发生在疾病的早期.核医学显像具有简单、灵敏、特异、无创伤性、安全、易于重复、结果准确等特点.一、概述核医学成像的过程：将放射性药物引入人体形成发射源。用γ射线检测装置可以从体外检测体内放射性核素在衰变过程中放出的γ射线。核医学成像的基本条件：放射性药物（标记化合物）核医学成像设备。核医学成像的特点：以脏器内外或脏器内各部分之间的放射性核素浓度差别为基础，显示静态或动态图像。多种动态成像方式。放射性核素具有向脏器或病变组织的特异性聚集。总之，既可以进行解剖成像，又可以提供有关脏器与病变的功能和分子水平的信息。核医学成像设备分类及特点单光子成像设备，有γ相机，SPECT正电子成像设备，有PET重叠成像，有γ相机计算机断层成像，有SPECT，PET8.1核医学影像设备简介核医学影像设备是指探测并显示放射性核素药物(俗称同位素药物)体内分布图像的设备。核医学影像检查ECT与CT、MRI等相比，能够更早地发现和诊断某些疾病。

核医学显像属于功能性的显像，即放射性核素显像。8.1.1核医学影像设备发展概况核医学仪器伴随着核医学这门学科的飞快的速度向前发展。核医学仪器与核医学本身是共生的,它渗透在整个核医学治疗的过程中,无论是过去单功能的测量仪还是现在综合大型检测仪,以及最新发展起来的各种治疗仪都推动核医学的发展。1.核医学影像设备的发展历史1896年，法国物理学家贝克勒尔在研究铀矿时发现，铀矿能使包在黑纸内的感光胶片感光，这是人类第一次认识到放射现象，也是后来人们建立放射自显影的基础。1898年，马丽·居里与她的丈夫皮埃尔·居里共同发现了镭，此后又发现了钚和钍等许多天然放射性元素。1923年，物理化学家Hevesy应用天然的放射性同位素铅-212研究植物不同部分的铅含量，后来又应用磷-32研究磷在活体的代谢途径等，并首先提出了“示踪技术”的概念。1926年，美国波士顿内科医师布卢姆加特（Blumgart）等首先应用放射性氡研究人体动、静脉血管床之间的循环时间，在人体内第一次应用了示踪技术。1951年，美国加州大学的卡森（Cassen）研制出第一台扫描机，通过逐点打印获得器官的放射性分布图像，促进了显像的发展。1957年，安格（HalO.Anger）研制出第一台γ照相机，称安格照相机，使得核医学的显像由单纯的静态步入动态阶段，并于60年代初应用于临床。1959年，他又研制了双探头的扫描机进行断层扫描，并首先提出了发射式断层的技术，从而为日后发射式计算机断层扫描机—ECT的研制奠定了基础。1972年，库赫博士应用三维显示法和18F-脱氧葡萄糖（18F-FDG）测定了脑局部葡萄糖的利用率，打开了18F-FDG检查的大门。他的发明成为了正电子发射计算机断层显像（PET）和单光子发射计算机断层显像（SPECT）的基础，人们称库赫博士为“发射断层之父”。2.当前核医学影像设备的应用概况目前广泛使用的单光子发射计算机断层（SPECT），已从单探头、双探头和三探头，直至现在发展为带衰减校正的能进行符合线路成像的SPECTPET-CT的出现使医学影像技术进入了一个新的阶段分子生物学技术的迅速发展以及与核医学技术的相互融合，形成核医学又一个新的分支学科—分子核医学（molecularnuclearmedicine）把两种设备的图像融合起来进行分析3.SPECT与PET-CT的区别核医学中把应用计算机辅助断层技术进行显像的设备统称为ECT，它是医学影像技术的重要组成部分。ECT的中文名称为发射型计算机断层显像，是其英文名称缩写而成（EmissionComputedTomography）。ECT实际上又包括两大类设备即SPECT和PET.SPECT并不是一种很新的设备，其由Kuhl等人于1979年研制成功。经过多年不断的改进，SPECT技术已经有了很大的发展，产生了许多不同型号、不同档次的产品，但是其显像的基本原理没有变化，总体上仍属于比较低端的核医学设备。目前国内很多三级以上医院都已经配备SPECT，数量达300台以上，主要用于全身骨骼、心肌血流、脑血流、甲状腺等显像。ECT的另一类设备PET是以发射正电子的放射性核素做为发射体，称为正电子发射型计算机断层显像，其英文名称为positronemissioncomputedtomography，即我们通常所说的PET。PET是核医学领域中最先进的显像设备，被视为核医学史上划时代的里程碑，是最高水平核医学的标志。PET所应用的显像剂如C-11、N-13，O-15等都是人体组织的基本元素，易于标记到各种生命必须的化合物、代谢产物或类似物上而不改变它们的生物活性，且可以参与人体的生理、生化代谢过程，因而能够深入分子水平反映人体的生理、生化过程，从功能、代谢等方面前面评价人体的功能状态，达到早期诊断疾病、指导治疗的目的。定性准确和一次性完成全身显像的特点极大地促进了其在肿瘤、脑神经系统疾病以及心脏病等方面的应用。我国于1995年由山东淄博万杰医院引进国内第一台PET，其后增长较为缓慢。PET的先进性显而易见，但其最大的缺点是解剖结构显示不够清晰。因此人们尝试把擅长功能显像的PET与擅长显示解剖结构的全身CT结合起来，于是在2000年世界上第一台同机一体化PET-CT在美国CTI公司研制成功，被美国《时代》杂志评选为年度最伟大的发明创造。由于PET-CT是目前最先进的PET与最好的多排螺旋CT的完美组合，达到了一加一大于二的效果，一举成为目前最豪华的医学影像诊断设备。PET与CT的同机组合极大地提高了临床医生对PET的认知度，所以一经问世便在世界范围内高速增长。2002年第一台PET-CT在国内安家落户，目前PET-CT在国内已经呈献快速发展的趋势。总体上讲，SPECT与PET相比二者可以说具有本质的区别，数据表明，SPECT的最高探测效率仅为PET的1%-3%左右，图像质量远不能与PET-CT相比，诊断效能上差距较大。二者一种是普及型的低端产品，价格较低；一种是世界上公认的最高档次的医学影像诊断设备，价格昂贵、投资巨大，很难普及和推广。PET-CT和其他检查的区别：单纯X线CT成像的基础是根据人体组织对外源性X线的吸收程度不同来判断人体组织器官的结构改变情况；磁共振检查是将人体置入外加磁场内，然后探测人体内组织成分的磁信号变化情况；而PET检查是探测人体内物质（或药物）代谢功能的动态变化。三者的成像原理有本质的区别。而我们目前使用的PET/CT是PET和CT两种技术的完美结合，相互补充。PET/CT这种技术的组合可以大大提高临床诊断的准确性（如需要对体内单个孤立性小病灶进行良恶性鉴别诊断和手术前定位等），包括精确的定位和定性等，是其他检查不能比拟的。8.1.2核医学影像设备功能1.γ相机γ相机是核医学影像设备中最基本、最实用，而且最重要的一种。γ相机，又称闪烁照相机（ScintillationCamera），是一种能对脏器中的放射性核素分布进行一次成像和连续动态观察的仪器。该仪器主要由四部分组成，即闪烁探头、电子学线路、显示记录装置以及附加设备。γ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，同时因其成像速度快，亦可用于获取反映脏器内放射性分布变化的连续照片，经过数据处理后，可观察脏器的动态功能及其变化，因此γ相机既是显像仪又是功能仪。提高γ相机性能的关键是增加它采集的信息量,特别是断层采集

准直器作用：滤除非规定范围和非规定方向的γ射线。准直器类型：(1)、针孔形(2)、平行孔形(3)、扩散型(4)、会聚型2.ECT发射式计算机断层(ECT）是利用仪器探测人体内同位素动态分布成像，并通过计算机进行数据处理和断层重建，来获得脏器或组织的横断面、矢状面以及冠状面的三维图像的。它可以做功能、代谢方面的影像观察，是由电子计算机断层（CT）与核医学示踪原理相结合的高科技技术。ECT分为两大类，一类是以发射单光子的核素为示踪剂的，即单光子发射计算机断层显像仪（singlephotonemissioncomputedtomography，SPECT）；而另一类是以发射正电子的核素为示踪剂的，即正电子发射计算机断层显像仪（positronemissiontomography，PET）。（1）SPECTSPECT实际上就是一个探头可以围绕病人某一脏器进行360°旋转的γ相机，在旋转时每隔一定角度（通常是5.6°或6°）采集一帧图片，然后经电子计算机自动处理，将图像叠加，并重建为该脏器的横断面、冠状面、矢状面或任何需要的不同方位的断层、切面图像。近年来为提高诊断的灵敏度、分辨率和正确性，同时缩短采集时间，双探头的SPECT也相继应用于临床中。SPECT同时也具有一般γ相机的功能，可以进行脏器的平面和动态（功能）显像。SPECT单光子发射型计算机体层设备(SPECT)利用γ照相机围绕着诊断感兴趣的人体区域，采集各种不同角度上放射出的γ光子并计数，然后利用X-CT中所使用的图像重建方法，得到人体某一体层上的放射性药物浓度的分布，即可得到多层面的各方位的体层图像或三维立体像。与X-CT的区别：图像粗造，空间分辨率低。属发射型体层摄影；SPECT基本结构和工作原理分类：多探头环形（扫描型）：结构与X线CT类似，由数量众多的探头围成环状，同时分别检测各个方向的γ射线。照相机型：探头固定型：探头旋转型：基本成像原理人体发射的γ光子横向断层扫描检测投影数据采集预处理电路吸收校正图像重建和显示旋转机架（2）PETPET是目前在分子水平上进行人体功能显像的最先进的医学影像技术，它的空间分辨率明显优于SPECT。PET的基本原理是利用加速器生产的超短半衰期同位素，如氟-18、氮-13、氧-15、碳-17等作为示踪剂注入人体，参与体内的生理生化代谢过程。这些超短半衰期同位素是组成人体的主要元素，利用它们发射的正电子与体内的负电子结合释放出一对伽玛光子，被探头的晶体所探测，得到高分辨率、高清晰度的活体断层图像，以显示人脑、心脏、全身其它器官以及肿瘤组织的生理和病理的功能及代谢情况。PET在临床医学的应用主要集中于神经系统、心血管系统、肿瘤三大领域。PET正电子发射型计算机体层设备(PET)使用发射正电子的放射性核素；测量湮没辐射产生的γ光子。优点：空间分辨率高，一般4~5mm，最佳3mm。特点：使影像技术从简单的解剖结构、吸收功能成像迈向新的分子显像、代谢显像和基因成像，不仅提供诊断信息，还提供治疗信息。PET临床应用的正电子放射核数：使用回旋加速器生产；常用：，半衰期短。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)。nb+b-~1-3mm511KeV511KeV同时产生互成180度的511keV的γ光子。正电子湮灭正电子成像的基本原理正电子放射性核素是易于标记各种生命必需的化合物及其代谢产物，如：引入人体的放射性核素参与人体代谢，反映了人体组织器官的机能和代谢状态。正电子与人体组织的电子相结合而湮灭，转换成一对方向相反、能量为511Kev的γ光子。从各个角度收集γ光子，进行图像重建。8.1.3核医学影像设备主要指标及性能要求

1.核医学成像安全指标（1）常用辐射量及其单位①放射性活度②照射剂量③吸收剂量④当量剂量

（2）人体辐射的生物学效应当人体受辐射作用时，根据照射剂量、照射方式的不同，人体所产生的生物效应也不同。放射性物质以波或微粒形式发射出的一种能量就叫核辐射，核爆炸和核事故都有核辐射。它有α、β、γ三种辐射形式。α辐射只要用一张纸就能挡住，但吸入体内危害大；β辐射是高速电子，皮肤沾上后烧伤明显；γ辐射和X射线相似，能穿透人体和建筑物，危害距离远。宇宙、自然界能产生放射性的物质不少，但危害都不太大，只有核爆炸或核电站事故泄漏的放射性物质才能大范围地对人员造成伤亡。放射性物质可通过呼吸吸入，皮肤伤口及消化道吸收进入体内，引