第九章核医学成像设备

1、第九章 核医学成像设备,第九章 核医学成像设备,伽玛照相机,人体骨骼的全身成像,Nuclear Medical Instrument,核医学又称核子医学或原子医学，旧称“同位素”，在我国属于一门独立医学学科。 核素显像是影像医学的一部分。 核医学就是利用放射性核素诊断、治疗疾病和进行医学研究的学科。,核医学成像的原理： 将一定量的放射性核素引入人体，它将参与人体的新城代谢，或者在特定的脏器或组织中产生特异性浓聚，同时不断衰变而产生放射线 在体外测量这些放射性核素活度分布的放射线，以图像形式显示 核医学成像的基本条件： 放射性药物（标记化和物） 核医学成像设备,核医学成像的特点： 以脏器内外或脏

2、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,相机 ECT：SPECT、PET,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/MR

3、I,核医学成像的物理基础,稳定性核素和不稳定性核素： 若原子核在不受外力的作用时，核内的成分及能级不发生变化，为稳定性核素 若原子核需要通过核内结构或能级调整才能趋于稳定，这种核素被称为不稳定核素,核衰变(nuclear decay)和放射性： 核内能级和结构的调整过程称为核衰变。 核衰变的同时，将释放出一种或一种以上的射线，这种性质叫做放射性,核素的物理半衰期： 任何放射性原子核数衰减到原来的一半所需要的时间，称为该核素的物理半衰期 核素的生物半衰期： 当核素进入人体后，放射性药物由于排泄、分泌使其在体内的含量减少到原来的一半所用的时间，称为生物半衰期。,放射性核素与放射性药物,核素基本要求

4、 产生中等能量的射线，不产生或少产生其他射线，100-400KeV(千电子伏特) 合适的物理半衰期，数10分钟-数天 适合的化学价态和较强的化学活性 对人体应无毒无害,放射性药物,通过一些物理的、化学的活生物学的方法，将放射性核素的原子“引入”特定的化合物的分子结构中，称为标记，放射性核素标记化合物称为放射性药物,放射性药物制备到应用过程,一步法,预先将标记过程中所需要的除反射性核素以外的其他所有物质 通过简单的混合或使其产生预反应，制成放射性药物的半成品药盒 需要标记时，只需要将放射性核素加入，即可一步标记成功,需阴性显像时，要求放射性药物在病变组织应不浓聚或很少浓聚，即为放射性稀疏或缺损

5、需阳性显像时，要求放射性药物在病变组织的浓聚量多于或明显多于正常组织，即为放射性浓聚,放射性药物的分类（按用途）,锝（Tc）有21个同位素,质量数从90110，99mTc是比较理想的显像用放射性核素 纯发射核素；射线能量141Kev；物理半衰期6.02h；能标记多种化合物，比较稳定 并且可以很方便地从“钼-锝核素发生器”中获得,99Mo-99mTc发生器 99Mo（T1/2=2.7d） 99mTc (T1/2=6h) 99Tc 母体核素 子体核素,99mTc是显像检查中最常用的放射性核素，99mTc络合物是目前临床应用最广泛的放射性药物，占SPEC显影剂的90%以上 广泛用于心、脑、肾、骨、肺

6、、甲状腺等多种脏器疾患的检查，并且大多已有配套药盒供应,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,照相机优点,照相机也称为闪烁照相机，是诊断肿瘤及循环系统疾病的重要设备 可进行动态研究 检查时间短，适合儿童和危重病患 显像迅速，便于多体位，多部位观察 对图像处理，获得有助于诊断的数据和参数,一、基本结构、工作原理,组织吸 射线，准直器准直，到达闪烁晶体上，产生的闪烁荧光，经光导纤维耦合给光电倍增管 PMT将荧光转换成电流，经前置放大器和定位电路后形成四路电脉冲

7、信号，经位置信号通道和能量信号通道处理，输出X、Y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,二、探测器的构成,准直器 定向准直 闪烁晶体 波长转换器 光电倍增管 光电转换器,准直器（collimator）,位于探头的最前端 由铅或铅钨合金铸成的机械装置 把人体内四面八方分散的射线定向准直到闪烁晶体的一定部位上。 这种采用准直器的方法称作机械准直，以区别于电子准直。,准直器的性能参数,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

8、度和适用能量范围等性能参数,空间分辨率与灵敏度是一个矛盾关系 准直孔越小，准直器越厚，探头距病人距离越近分辨率越高，获得的图像质量越好 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 准直器设计是选择两者最佳的折中匹配,适用能量范围： 与孔间壁厚度有关 高能准直器孔更长，孔间壁也更厚 能量范围：低能（ 350Kev）。,准直器(collimator)的分类,单针孔型 多针孔型 多孔聚焦型 多孔发散型 平行孔型 平行斜孔型,平行孔型,空间分辨力随距离增加而变差 灵敏度随距离增加变化不太 图像大小与靶器官和准直器之间的距离无关 分为低能通用型、低能高分辨率、低能高灵敏度,单针孔型,与小

9、孔成像原理一样，像与实物的方向相反 成像大小与距离成反比，距离越近，成像越大,多孔发散型,扩大了有效视野10%-20% 灵敏度和分辨率较平行孔差，随放射源与准直器距离的增加而变坏 易产生图像畸变,多孔聚焦型,提高灵敏度和分辨率 易出现图像畸变 适用于总计数时间受限的动态研究,闪烁晶体,紧靠准直器，将射线转化为荧光 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)。,晶体的形状可以是方形、矩形和圆

10、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)。,光导,位于闪烁晶体和光电倍增管阵列之间的薄层邮寄玻璃片或光学玻璃片 把光电倍增管通过光耦合计与闪烁晶体耦合 把闪烁晶体受射线照射后产生的闪烁光有效地传送至光电倍增管得光电阴极上,光电倍增管(PMT),呈蜂窝状排列成阵列状 圆形探测器PMT数量为37-91个，方形或矩形探测器PMT一般为55-96个。 PMT有圆形和六角形，六角形优点：去除光导，直接与晶体紧密相贴，消除探测间隙，提高灵敏度和空间分辨力,三、主要电路,照相机电路：位置

11、信号通道和能量信号通道 能量信号通道：脉冲总和电路、脉冲高度分析器、自动曝光电路，生理标记电路等,（一）位置计算,由定位电路和位置信号通道完成 定位电路作用：将光电倍增输出的电脉冲信号转换成为确定晶体闪烁点位置的X、Y信号和确定入射射线强度的信号 两种类型 一加权电阻矩阵网络型（Anger型） 延迟线时间转换型,（二）放大器,通过前置放大器和主线性放大器把电信号整形和放大 前置放大器：对探测器信号进行预放大 主线性放大器：将前置放大器输出的电脉冲信号成比例地进行放大并滤波整形,（三）脉冲幅度分析器,有选择性地记录从晶体和光电倍增管输送来的电脉冲信号。 排除本底及其他干扰信号。 单道脉冲高度分析

12、器：选择具有一定能量范围的射线进行测量，测定射线能量分布（能谱） 多道脉冲高度分析器：测定能谱方面，效率和精度比单道要高,最早的扫描机,最早的伽玛相机,第三节 单光子发射型计算机体层设备,单光子发射型计算机断层仪,扫描型SPECT,也称多探测器环形 优点：体层灵敏度高、空间分辨率好、成像时间短、动态显像 缺点：价格高、平面显像和全身显像不能同时兼用 照相机型SPECT 兼具平面显像、体层显像、全身显像,单光子发射型计算机断层仪,由探测器、机架、床、控制台、计算机和外周装置组成,双探头SPECT,探测器围绕身体180或360旋转，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

13、横断面、冠状面、矢状面及其它斜断面的断层影像,SPECT的基本工作原理图,探测器,SPECT探测器与照相机探测器相同,机架和床,旋转机架,计算机及外围装置,计算机：微型机、小型机、单功能多处理器等 外围装置：磁带机、可读写光盘、高精度的黑白或彩色显示器、生理信号检测输出设备 操作人员所做工作 摆好体位，位于视野中心 控制好采集时间，平均30min 选择合适的准直器,SPECT与X-CT比较,相似： 反投影图像重建技术和闪烁探测技术 射线性质相同：穿透、荧光、感光、生物效应,重建图像参数和诊断依据不同 X-CT：X线在体内衰减系数；组织的密度变化 SPECT：核素的浓度变化；组织的代谢功能差异

14、图像构成成分不同 SPECT显示浓聚放射性核素靶器官的三维图形 X-CT 显示某一层面所有器官或组织的二维图像 SPECT扫描层厚优于X-CT SPECT受射线强度和衰减校正的制约，图像空间分辨率较差，图像质量不如X-CT,区别,第四节 正电子发射型计算机体层设备,扫描机架、主机柜、操作控制台和检查床,PET的工作原理,正电子衰变与淹没辐射 符合探测,成像原理,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的光子。 从各个角度收集

15、光子，进行图像重建。,湮灭符合探测装置,符合事件测定区,PET的电子准直,湮灭光子对只有在两个互成180度的探测器的立体角内才能被探测。 利用湮灭辐射的特点和两个相对探测器的符合来确定闪烁事件位置和时间的方法称电子准直。,PET优点,常用的正电子核素为人体基本元素，真正的生理生化断层 多环及模块结构探头 不需要准直器 检测灵敏度高 本底小，分辨率好 易于吸收校正 可正确定量测量,探测器列阵,PET是为探测体内湮没辐射并进行体层显像的设备，核心部分是探测器列阵 由数百个成对分布的小型闪烁探测器组成的环形装置,探测器,目前最先进的PET是探头多环型、模块和3D结构 探头晶体除外经典锗酸铋（BGO）

16、，已推出硅酸镥（LSO）、混合型晶体 在成对探测器视野内的一对光子到达两个探测器的时间可能有差别或无差别，根据t和光速可计算出发生湮没辐射的确切位置，这一技术应用于提高空间分辨力，称为飞行时间技术。,机架,用来固定探测器并使其在机架上以某种方式运动 探测器运动方式：固定型、旋转型、旋转-平移型、摆动-旋转型等 PET采用电子准直，SPECT采用机械准直,PET-CT,通过一个较长的检查床将两个相对独立的、共轴的设备相连，两个设备保持一个合理的距离，避免电磁干扰 CT作用：为PET提供衰减校正、提供解剖位置信息、提供诊断信息 将PET影像叠加在CT图像上，使得PET影像更加直观，解剖定位更加准确

17、。,GE discovery-ST PET/CT,2000年PET/CT 正式问世明显提高PET的空间定位准确性。 诊断性CT子系统可以大大增加诊断信息量，与PET的功能显像互补，提高诊断能力。 提高图像质量同时缩短采集时间。 应用迅速普及，发展前景无限。,PET-CT发展,PET-CT的应用,主要用于肿瘤诊断和疗效分析 PET-CT能同时显示解剖和功能图,图像融合,PET-CT融合示意图,CT图像 何处有病灶？,PET图像 病灶在何处？,PET-CT图像融合 病灶定位,SPECT/CT,同时提供功能血流灌注、代谢影像 和解剖形态结构影像，为临床提供 科学诊断依据,SPECT-CT,解剖图像与功能图像融合 软件融合 硬件同机融合,SPECT探头 X线管球、探测器,Micro PET,SPECT/PET,兼容型ECT既有普通SPECT的功能，又能对正电