《医学影像信息学》课件-第7章 核医学成像原理

第7章核医学成像原理1学习目标2掌握熟悉了解放射性核素示踪技术的原理、核医学影像的特点、放射性药物的来源、γ照相机与SPECT工作原理、PET工作原理。放射性药物使用原则；SPECT/CT、PET/CT和PET/MR工作原理。核医学成像的类型、放射性药物的分类、SPECT和PET的临床应用。第7章核医学成像原理第1节核医学成像概述3一、核医学影像发展历史1951年，美国物理学家B.卡森（B.Cassen）发明直线扫描仪；1957年，美国物理学家H.O.安格（H.O.Anger）发明了γ照相机；20世纪70年代后期，单光子发射计算机体层仪（SPECT）、正电子发射体层仪（PET）出现；1999年，提出分子影像学的概念，核医学分子影像逐渐成为新兴研究领域；未来，核医学显像将在多模态融合显像、诊疗一体化等领域进一步发展，核医学显像设备将更精细、更灵敏、更准确。4二、放射性核素示踪技术放射性核素示踪技术（radionuclidetracetechnique）是核医学诊断与研究的方法学基础。该技术是以放射性核素或其标记化合物作为示踪剂（tracer），应用射线探测仪器检测示踪剂分子行踪，从而研究示踪剂在生物体系或外界环境中分布状态及变化规律的核技术。5二、放射性核素示踪技术放射性核素示踪技术主要基于两个基本事实：①同一性。同一元素的同位素有相同的化学性质，进入生物体后所发生的化学变化和生物学过程均完全相同，而生物体不能区别同一元素的各个同位素，这就有可能用放射性核素来代替其同位素中的稳定性核素。②可测性。放射性核素在核衰变时自发地放出射线，利用高灵敏度的探测仪器可对示踪剂进行精确定性、定量及定位测量。6三、核医学成像及其技术特点

若将一定量的放射性药物（即显像剂）引入人体，由于其放射性核素与标记化合物的生物学行为同天然元素或其化合物一样，能够参与机体正常或异常的代谢过程或者在特定的脏器或组织中聚集。7核医学成像原理示意图三、核医学成像及其技术特点8核医学影像的技术特点：功能显像1早期诊断2安全无创3四、核医学成像的类型（一）根据影像采集状态分类（二）根据影像获取范围分类（三）根据显像层面分类（四）根据注射显像剂后获得图像的时间分类（五）根据显像剂与病灶的亲和力分类（六）根据靶器官状态分类9第7章核医学成像原理第2节放射性药物10一、放射性药物概念及其特点放射性药物（radiopharmaceuticals）是指用于含有放射性核素，可用于核医学诊断或治疗的一类特殊制剂。

放射性药物可以是放射性核素（如131I）以及用放射性核素标记的化合物（如18F-FDG）等。11一、放射性药物概念及其特点放射性药物与普通药物的不同点主要体现在：12具有放射性1具有特定的物理半衰期和有效期2与普通药物计量单位与使用量不同34脱标及辐射自分解二、放射性药物的分类（一）按使用方法分类（二）按用途分类（三）按物理特性分类（四）按药物来源分类（五）按药物性状或剂型分类13SPECT常用显像剂14PET常用显像剂15三、放射性药物的使用原则1.在决定是否给受检者使用放射性药物进行诊断或治疗时，首先要作出正当性判断，即权衡预期的好处与辐射引起的危害，得出进行这项检查或治疗是否值得的结论。2.医用内照射剂量必须低于国家有关法规的规定。3.若有几种同类放射性药物可供诊断检查用，选择所致辐射吸收剂量最小者；对于治疗用放射性药物，选择病灶辐射吸收剂量最大而全身及要紧器官辐射吸收剂量较小者。16三、放射性药物的使用原则4.诊断检查时尽量采用先进的测量和显像设备，以便获得更多的信息，提高诊断水平，同时尽可能减少使用的放射性药物剂量。5.采用必要的保护（如封闭某些器官）和促排措施，以尽量减少不必要的照射。6.对恶性疾病受检者可以适当放宽限制。7.对小儿、妊娠期妇女、哺乳期妇女、育龄妇女应用放射性药物指征要从严考虑。17第3节γ照相机γ照相机是一种核医学显像设备，可以显示放射性核素在组织内的分布及代谢状况，获取放射性药物在体内特定组织或器官的转运和分布信息。γ照相机由探头、电子学线路、显示记录装置及显像床等组成。18一、γ照相机的基本结构其中γ照相机的关键部件是探头，由准直器、闪烁体、光电倍增管、电阻矩阵等组成。19γ照相机探头结构示意图二、γ照相机的工作原理20γ照相机构造原理图二、γ照相机的工作原理通过准直器的γ射线在闪烁体产生荧光，荧光光子通过光导被紧贴着晶体的光电倍增管光阴极吸收，转换成电子再经过十多级连续成倍地放大，形成电脉冲信号。位置电路根据光电倍增管的位置和输出脉冲幅度确定闪烁中心位置并输出相应的位置信号。其原理为：闪烁体平面任一点产生的闪烁荧光在各光电倍增管产生的光电信号与闪烁点至光电倍增管的距离存在一定的反比关系，即靠闪烁点近的光电倍增管输出光电信号较强，反之则弱。21二、γ照相机的工作原理能量信号还对位置信号进行归一化，使位置信号的幅度即图像的大小与γ光子的能量无关。显示系统在与γ光子闪烁光中心的对应位置显示闪烁光点时，成像装置记录大量的闪烁光点，构成一幅图像。22第4节SPECT及其融合技术发射体层仪（emissioncomputedtomography，ECT）是由在体外测量发自体内的γ射线技术来确定体内的放射性核素的活度，通过计算机影像重建来显示已进入体内的放射性核素在断层上的分布。

ECT分为单光子发射计算机体层仪（SPECT）及正电子发射体层仪（PET）。23一、SPECT的基本结构SPECT由硬件系统及软件系统组成。硬件系统由探头、电子线路部分、机架、扫描床及计算机组成；软件系统由采集软件、校正软件、图像处理软件及显示软件等组成。SPECT的探头由准直器、晶体、光导、光电倍增管组成,有单探头、双探头和多探头等不同类型。SPECT的电子线路部分主要由放大电路、位置电路、能量电路、线性校正、能量校正及均匀性校正电路等组成。24二、SPECT的工作原理特定的放射性药物注入患者体内一定时间后，发出的γ射线首先到达准直器，准直器限制入射γ光子的方向，只允许与准直器孔方向相同的γ光子穿过，以保证γ光子发射点与入射点一一对应。闪烁晶体将高能γ光子转换为低能荧光，光电倍增管将该微弱荧光转换成电信号并将之放大。该电信号经过特殊位置电路定位、能量电路甄别，成为一个计数脉冲。25二、SPECT的工作原理断层成像采集时，探头围绕患者旋转，探头表面总是与旋转轴平行，旋转轴与患者检查床平行。根据需要在预定时间内采集360°或180°范围内不同角度处的平面图像，任一角度处的平面图像称为投影图像。利用在不同角度处获得的多幅投影图像，通过数据处理、校正、图像重建获得三维断层图像，即为SPECT断层图像。26三、SPECT技术优势SPECT影像在疾病的早期诊断方面明显优于X-CT影像、B型超声影像和MR影像;SPECT既能建立任意方位的断层影像，又可以提供建立三维影像的信息，为临床提供更多、更准确的信息;SPECT对一些深部组织的探测能力显著提高;SPECT在空间分辨力、定位的精确度、探查病变部位的大小和体积等方面也具有明显优势。27四、SPECT融合技术影像融合指通过多元信道采集关于同一目标的影像，提取各自信道的信息，经过一定的影像处理，综合而成同一影像以供观察及进一步处理。SPECT/CT就是将SPECT技术和X-CT（以下简称为CT）技术相融合而形成的一种新型核医学显像设备。通过一次显像检查，SPECT/CT即可获得SPECT影像、CT影像和SPECT/CT融合影像，实现了形态与功能相结合的多角度综合影像诊断，提高疾病诊断的准确性。28五、SPECT的临床应用1.骨骼显像2.心脏灌注断层显像3.甲状腺显像4.局部脑血流断层显像5.肾动态显像及肾图检查6.其他显像7.阿尔茨海默病早期诊断2930全身骨显像（ANT：前位；POST：后位）第5节PET及其融合技术正电子发射体层仪（positronemissiontomography，PET）是专门应用正电子类放射性药物、通过符合探测技术进行γ光子对探测并成像的影像设备。PET在脑功能科学研究和恶性肿瘤的诊断与治疗中具有非常巨大的价值。31一、PET的基本结构PET由探测系统、计算机处理系统、图像显示系统和检查床组成。PET探测系统是由许多个探测器阵列排放形成环形结构组成的，是决定PET档次和性能的关键部分。PET探测系统是由许多小晶块组成的晶体环。晶体环后接光电倍增管，每一个小晶体块为一个探测器。闪烁晶体的主要作用是能量转换，将高能γ光子转换为多个可见光子，以利于光电倍增管接收。32二、PET的工作原理（一）正电子衰变与湮灭PET是利用能发生正电子（β+）衰变的放射性核素进行断层成像的.衰变过程中发射出的正电子具有一定能量，在体内移动大约1.5mm后即与电子发生正负电子对湮没，并在毫微秒内发生质能转换，产生一对飞行方向相反、能量均为511keV的γ光子（双光子）。PET通过探测这两个方向相反的光子来表征β+衰变的发生，因而PET又称双光子ECT。33二、PET的工作原理（二）符合探测在β+衰变发生的区域两侧放置两个探测器，当两个探测器同时接收到光子后分别产生一个定时脉冲，定时脉冲输入符合线路进行符合甄别，符合线路会给出一个计数。接收到这两个光子的两个探测器之间的连线称为符合线，代表反方向飞行的光子对所在的直线，湮灭事件的位置必定在这条直线上。用两个探测器间的连线来确定湮灭地点方位的方法（无须准直器）称为电子准直。这种探测方式则称为符合探测。34二、PET的工作原理35符合探测PET探测器所记录的符合事件中，有三种符合情况无法区分。真符合随机符合散射符合三、PET技术优势（1）正电子类放射性核素几乎不改变机体的生理、生化代谢过程。（2）PET采用了半衰期极短的贫中子核素，对人体的放射性剂量很小。（3）PET采用了具有电子准直的符合线路计数方法，探测效率大为提高，放射性药物用量大为减少，成像信号的信噪比大为提高。（4）PET系统采用电子准直，空间分辨力为4～7mm。（5）PET多环检测技术可获得大量容积成像数据，可进行三维影像重建。（6）PET衰减校正的方法更简单、更精确，便于做定量分析。（7）PET影像是构建融合所必备的条件。36四、PET融合技术（一）PET/CTPET/CT是将PET和X-CT有机结合起来的一种先进的分子影像设备，通过一次检查就可得到受检者同一解剖部位的功能和解