核医学仪器(影像班)

1、核医学仪器,中国医科大学附属盛京医院核医学科,于树鹏,核医学显像仪器的发展历程,扫描机 1951年美国加州大学Cassen 照相机 1958年H.Anger SPECT 1979年 Kuhl等 PET 2001年时代周刊21世纪最具有 创意且已商业化的三大发明之一 SPECT/PET SPECT/CT; PET/CT Micro PET、Micro SPECT、Micro PET/CT PET/MRI,闪烁探测器 （ scintillation detector ）,闪烁探测器实际上是一种能量转换器，其作用是将探测到的射线能量转换成可以记录的电脉冲信号。主要部件由晶体（crystal ） 碘化

2、钠（铊），NaI（Tl） 、光电倍增管（photomultiplier tube，PMT）和前置放大器组成 。,Scintillation； Scintigraphy,扫描机 Scanner,照相机（ camera）,照相机是核医学最基本的显像仪器，它由探头及支架、电子线路、计算机操作和显示系统组成 。,探头是照相机的核心，其性能的好坏决定了整台机器性能机图像性能的好坏。,探头的构成,准直器 定向准直 晶体 波长转换器 光电倍增管 光电转换器,准直器（collimator）,准直器位于探头的最前端它是由铅或铅钨合金铸成的机械装置，它的作用是把人体内四面八方分散的伽玛射线定向准直到闪烁晶体的一定

3、部位上。这种采用准直器的方法称作机械准直，以确别于电子准直。,为什么要用准直器？准直器有什么缺点？,准直器的功能参数,几何参数： 孔数、孔径、孔长及孔间壁厚度 决定了准直器的空间分辨率、灵敏度和适用能量范围等性能参数 准直器的空间分辨率与灵敏度是一个矛盾关系,准直器的空间分辨率,定义：描述区别两个邻近点源的能力，通常以点源或线源扩展函数的半高宽（full width at half maximum, FWHM）表示，半高宽度越小，表示空间分辨率越好。 平行孔准直器，FWHM由下式估算：,（D为准直孔的直径，L为准直器厚度， z0为准直器表面至源的距离） 准直孔越小，准直器越厚，探头距病人距离越

4、近分辨率越高，获得的图像质量越好。,准直器的灵敏度与探测的射线能量,准直器的灵敏度： 反映能通过准直器的光子占入射到准直器的光子的比率。准直孔越大，准直器越薄，灵敏度越高，孔间壁越厚，灵敏度越低。 适用能量范围： 由孔长和孔间壁厚度决定。高能准直器孔更长，孔间壁也更厚。,准直器(collimator)的分类,孔的形状： 针孔型、平行孔型、发散型、会聚型及斜孔型。 能量范围：低能（ 350Kev）。 灵敏度和空间分辨：高灵敏、高分辨及通用型。,紧靠准直器部分是晶体。晶体是探头核心部件。 晶体为碘化钠晶体NaI(T1)。 晶体在探头中起波长转换器的作用。 普通放射性核素产生的伽玛射线为高能量，短波

5、长的光子，它不能直接被晶体后面的光电倍增管(PMT)接受，必须把它转换成波长与可见光一样的光子才能被PMT接受（10-19nm 400nm左右)。 晶体就是起这种波长转换作用。显然，晶体的转换效率是首先应考虑的因素。,晶体,NaI晶体的特点,优点： 密度大(p=3.67g/cm3)，对射线的阻止本领高，即吸收率高；荧光转换效率高；荧光衰减时间短 (0.25s)，得到高的时间分辨率，约为10-6s；制备较为方便，大小和形状可满足临床要求；价格低廉。 缺点：易于潮解,使其透明度降低，性能变坏；薄晶体制造困难；易潮、易碎，使用时应特别小心，不用时一定要加准直器保护。 目前SPECT晶体多为边长为40

6、cm左右大晶体。,晶体的形状可以是方形、矩形和圆形， 圆形用得最多。 晶体的主要规格是它的大小和厚度。 矩形和方形晶体则以边长表示。 目前大面积的晶体面积可达600400mm2。晶体厚度用毫米表示(传统用英寸)。,目前相机和SPECT探头的晶体一般在6.4mm(1/4英寸)25.4mm（1英寸）范围内 对Tc-99m（140keV 射线）等低能核素，大部分相互作用发生在晶体前端25mm内，应该使用薄晶体 如果将晶体从12.5mm降到6.5mm，空间分辨率可提高70%，而相应的灵敏度仅损失15% SPECT探头通常使用9.525mm（3/8英寸） 带符合探测的多功能SPECT（SPECT/PET

7、），为兼顾高能射线（511keV射线）的探测，通常使用15.875mm(5/8英寸)25.4mm（1英寸）的厚晶体。,晶体厚度选择考虑的因素,光电倍增管(PMT),晶体的后面是光电倍增管。光电倍增管成各种阵列排列，依晶体的形状而定。光电倍增管的个数随视野大小和PMT的大小而变。 相应的探头PMT的总数最少为19，最多可达91或更多。增加PMT的个数可改善空间分辨，但影响探头的均匀性。 常用的PMT为圆形，光阴极直径7.5mm或50mm，近来采用六角形或方形PMT的机器也不少。 晶体与PMT间有光导。,电子学线路,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 位置和能量电路

8、是核心，以确定光子产生的位置和成像核素发射射线的能量,光子事件位置的确定,一个光子在晶体中产生多个闪烁光子，被多个光电倍增管接收； 各个光电倍增管接收的闪烁光子的数目随其离闪烁中心（光子处）的距离增加而减少； 由位置电路和能量电路根据不同位置的光电倍增管接收到的闪烁光的强度来确定光子的位置。,光子能量甄别脉冲幅度高度分析器PHA,光子能量甄别脉冲幅度高度分析器PHA,PHA用来选择放射性核素的能量和能谱范围。 单道分析器主要由上阈、下阈道宽和构成。改变道宽的大小可选择能谱的范围。 伽玛照相机的道宽经常选在20%， 包括了放射性核素光电峰的位置，可用来选择伽玛照相机所用的放射性核素。 选择设定核

9、素能量窗的光子被记录，剔除低能光子（例如，散射光子）及高能光子 。,单道脉冲幅度高度分析器,其他辅助电路 1、 放大电路 2、 取样保持线路 3、 均匀性校正电路,伽玛照相机的工作原理,注入人体的放射性核素发射出的伽玛射线首先经过准直器准直，然后打在碘化钠晶体上，碘化钠晶体产生的闪光由一组光电倍增管收集。任何一次闪烁均将在各个光电倍增管上产生不同的响应。 响应的强弱与光电倍增管距闪烁点的位置有关，距闪烁点愈近，产生的响应愈强，将所有光电倍增管的响应加起来可以产生位置信号和能量信号。 位置信号确定了闪烁事件发生的位置，能量信号确定那些闪烁事件该启辉，那些闪烁事件不该启辉。 经过上述处理的信号成为

10、一个计数被记录，形成一幅人体放射性浓度分布图像，即为一幅相机图像,single photo emission computed tomography (SPECT) 单光子发射型计算机断层仪,SPECT成像原理,是一台高性能的照相机的基础上增加了支架旋转的机械部分、断层床和图像重建（reconstruction）软件，使探头能围绕躯体旋转360o或180o，从多角度、多方位采集一系列平面投影像。通过图像重建和处理，可获得横断面（transverse section）、冠状面（coronal section）和矢状面（sagittal section）及其它斜断面的断层影像。,由已知不同方向的投

11、影值来求物体内各点的分布称图像重建。SPECT成像原理即将通过探头的旋转得到的各角度投影图像利用图像重建的方法重建出各方向的断层图像。 目前常用的图像重建方法为滤波反投影法（FBP filtered backprojection）。对于一些不完全角度投影可以采用迭代法（OSEM）重建图像。,在数字图像中，图像单元的大小，是用二进制单位比特(Bit)表示的数字量。图像可划分成许多小的方块或单元，称矩阵单元。 常用图像矩阵有 6464、128128、256256等。 在SPECT中，我们事先并不知道各个矩阵单元的值， 我们仅从测量中知道沿某一方向上各矩阵单元的和，称射线和或投影。 从不同方向投影中

12、可以求出矩阵单元的值， 这就是图像重建的任务。 显然，如果知道了图像矩阵单元值，一幅图像性质也就知道了。,图象重建的预备知识,SPECT断层图像校正,衰减校正及散射校正 衰减校正：补偿组织对光子的衰减，以提高图象质量和准确 软件校正：假想组织对光子的衰减是均匀的，对非均匀衰减的校正效果均不理想 透射扫描校正法：用放射源或CT投射扫描获得成像组织衰减的分布，即衰减图。利用衰减图在图像重建过程中，进行衰建校正。这种校正是针对具体的衰减分布进行的, 所以对于非均匀衰减的情况能校正出较为理想的重建图像。,SPECT断层性能指标,断层均匀性 空间分辨率 旋转中心 断层对比度 断层灵敏度和总灵敏度,照相机

13、和SPECT的质量控制,主要性能指标：线性、均匀性、空间分辨率,SPECT/CT,SPECT/CT,nuclear medicineunclear medicine 解剖图像与功能图像融合 nuclear medicine clear medicine 软件融合 硬件同机融合,SPECT探头 X线管球、探测器,SPECT/CT中CT的作用,衰减校正、解剖定位及诊断功能,GE Discovery VH,GE infinia VC,positron emission tomography 正电子发射型计算机断层仪,采用正电子核素标记的放射性药物，真正反映体内分子代谢的影像 不使用准直器，利用淹没辐

14、射后两个伽马光子互成180度而采用符合探测，即电子准直 PET的性能不断提高，装机量也逐年上升 美国及欧洲一些国家政府和保险公司已将多种PET检查列入医疗保险范围 我国从上世纪90年代中期开始引入PET,正电子发射型计算机断层仪,PET的特点,多环及模块结构探头。 经典晶体为锗酸铋（BGO），现发展出硅酸镥（LSO）、硅酸钆（GSO）等新晶体。 仪器探测灵敏度及空间分辨率较SPECT有明显增高。 常用的正电子核素为人体基本元素，真正的生理生化断层。 可进行准确的定量计算。,PET的工作原理,正电子衰变与淹没辐射 符合窗与符合探测,PET成像原理,引入人体内的发射正电子的放射性核素及其标记物发射

15、出的粒子在体内经湮灭辐射产生两个方向相反和能量均为511Kev的光子同时入射至互成180环绕人体的多个探测器通过符合探测(coincidence detection)而被接收，把这些光子对按不同角度分组，就得到放射性核素在不同角度的投影。再通过图像重建即可得到各断面的断层图像。,符合探测(coincidence detection),PET不能区分的三种符合,随机符合和散射符合计数都和噪声一样，会降低图像分辨率和对比度，影响图像质量。 符合计数率增加到一定程度时，随机符合和散射符合计数率以平方级数增加。 PET药物活性度增高到一定程度时，图像质量反而严重下降。,PET的结构,扫描机架、主机柜、

16、操作控制台和检查床 探头是机架、仪器的核心部件,一个晶体组块和与其相连的光电倍增管组成一个探测器组块(detector block)。 每一晶体组块又被分割成多块小晶体6688，其中每一个小晶体块为一个探测器。,PET晶体,晶体性能：包扩 发射光谱、衰减长度、 闪烁衰减时间、 光电效应分支比、发光效率等 晶体的种类 时间分辨好、阻止本领强、光产额高 高档PET使用锗酸铋(Bi4Ge3O12,BGO)、掺铈的氧化正硅酸钆（Gd2SiO5Ce, GSO）、掺铈的氧化正硅酸镥（Lu2SiO5Ce, LSO） 低档PET主要使用碘化钠（NaI(Tl)）晶体。,PET主要性能指标,能量分辨率(energ

17、e resolution)与能窗(energy window) 空间分辨率 由于理论及探测技术上的限制，PET所能达到的空间分辨率是有限的 正电子的飞行距离 探测到的湮灭辐射双光子的位置并非发射正电子的核素的位置。正电子的能量从零到最大（衰变能）连续分布,因此正电子的飞行距离也是从零到最大射程连续分布的。大多数正电子的能量位于1/3 Emax左右，不同的核素Emax不同，其正电子飞行的平均距离也不同。,电子的运动 动量守恒定律；两个伽马光子成角与180度稍有偏差。 探测技术限制：PET在运行中的实际空间分辨率与许多因素有关：如采集方式、图像重建、最终图像的信噪比等。 实际系统的分辨率达不到极限

18、值，目前最好的专用型PET的分辨率接近4mm(18F),PET主要性能指标,灵敏度 系统灵敏度取决于扫描仪的设计构造及数据的采集方式。如在2D方式时，至多有3%的湮灭辐射事件可被探测；在3D时，灵敏度可增加5倍 示踪剂剂量一定时，灵敏度越高，所需的扫描时间越短，对动态采集有重要意义；在静态采集时，灵敏度高，可有效地缩短采集时间。当扫描时间一定时，灵敏度越高，所需示踪剂剂量越小，降低病人所接受的辐射剂量，有利于辐射防护。,PET主要性能指标,PET图像的采集,采集过程包括空白扫描、透射扫描和发射扫描 发射扫描又可从空间上分为2D和3D方式 时间上分为静态、动态和门控采集 此外还有局部和全身采集方

19、式,PET的2D和3D采集模式,2D采集时探头环与环之间放置栅隔（septa）。 栅隔由铅或钨等重金属屏蔽材料制成，防止错环符合事件发生。 3D采集收进环间栅隔，系统会记录探测器之间任何组合的符合事件。,移取栅隔使随机和散射计数所占比例增大（30%)。,0,200,400,600,800,1000,1200,1400,1600,1800,2000,Septa In,Septa Out,Scatter Events,True Events,屏蔽栅隔的存在减少随机和散射符合计数(10)。,PET的2D和3D采集模式,3D形成的符合线数比2D方式多出812倍。3D方式使系统的灵敏度远远高于2D方式，

20、但数据量过大使图像重建所需时间延长。 散射符合所占的比例由2D时的15%20%增加到3D 的50%70%，以致于必须采取有效的散射校正，才能获得较好的图像质量。,2D采集： 信噪比高，随机符合和散射符合计数较小 图像校正和图像重建简单，定量处理准确 轴向FOV均匀性较好 灵敏度较低，采集时间较长 3D采集： 灵敏度较高，节省采集时间 随机符合和散射符合计数较高 图像校正和图像重建复杂，定量精度很差 轴向FOV均匀性较差,PET的2D和3D采集模式,2D和3D图像比较,探测器归一化 放射性核素的衰败校正 组织衰竭校正 散射校正 随机符合校正 死时间校正,PET原始数据的校正,PET影像的重建,B

21、ackprojected ratios,“True Image”,First Image,Ratio of Data to Estimate,EM迭代重建,10(0.75+1.25+1.00)/3=10,为加快EM迭代收敛，采用OS-EM算法 Ordered subsets expectatinn maximization, 有序子集最大期望值法,PET影像的重建,“True Image”,Iteration 0,Iteration 1,Iteration 5,Iteration 10,Iteration 20,PET的定量分析,（一）像素值（pixel value） 像素计数 一个像素中的真符合事件的数量 放射性浓度 像素的放射性浓度反映该像素组织对示踪剂的摄取程度 标准摄取值(standard uptake value,SUV) 将放射性浓度除以单位体重的用药量，称为“标准摄取值”。,（二）感兴趣区（region of interest，ROI）的