第五章 核医学成像.ppt

1、核医学的定义： 核医学是核技术与医学相结合的学科 核医学的任务是用放射性核素及核技术来诊断、治疗及研究疾病。 核医学涉及的学科： 核物理、核电子、核探测、计算机控制及图像处理、数学、放射化学、医学的各科等,第五章 核 医 学 成 像 NUCLEAR MEDICINE IMAGING,放射性核素显像 Radio nuclear imaging, RNI,将放射性药物通过注射或口服引入体内，吸收后能在某一器官内积聚而成为放射源。 用核素成像仪器探测处理，显示核素浓度分布，反映人体代谢（功能）动态变化（物质的输运、集聚、排泄、物质代谢及其分布）,RNI是四大医学影像之一,功能性显像为主，形态解剖结构

2、显像为辅,概 述 一、放射性核素显像的技术特点,主要技术： 相机； 单光子发射型计算机断层（SPECT）； 正电子发射型计算机断层（PET）； RNI技术特点： 检测灵敏度高； 10-1410-18g，一般化学方法难以测出； 定性、定量、定位； 测量简便：只对放射性核素示踪物进行测量； 准确性高：微量示踪物，不干扰研究对象的正常生理、生化过程； 功能性显像；,二、核素示踪 示踪的基本根据： 同一元素的同位素化学性质相同，在生物体内的化学变化和生物学过程相同，生物体不能区别，可以用放射性核素代替同位素中的稳定性核素； 放射性核素能放射出易被探测到的射线（示踪原子），放射性测量仪器可以对它标记的物

3、质进行定性、定量及定位测量。 放射性核素分布反映了体内脏器的功能和代谢情况。 如：甲状腺有摄取或浓集131I 的功能，131I 的摄取速度和摄取量与甲状腺功能状态有关,核医学检查项目统计情况 检查项目 所占比例(%) 骨显象 25 脑显象 2 心肌血流灌注显象 35 肿瘤定位显象 15 肝胆/肾脏显象 5 呼吸系统显象 12 甲状腺显象 5 其他 1 注: 骨和心肌显象占60%的总检查,三、放射性制剂 放射性药物是能够安全用于诊断的放射性标记化合物,标记物 放射性核素,被标记物 化合物（药物）,在特定组织内选择性积聚 参与生理、生化代谢过程,125I 125I-胰岛素 18F 18F-脱氧葡萄

4、糖（FDG),例如：, 核素要求 1.能量适中：100400KeV，一般临床应用50500KeV 太低易被机体吸收，探测效率低； 太高准值效果差（屏蔽困难），空间分辨率低,2.半衰期适中： T1/2 尽可能短减少辐射剂量； 核素在靶器官有合适的存留时间，保障探测采集足够的数据； 显像后，放射性药物应尽快地从体内清除掉，减少辐射危害。,第一节 核医学成像的物理基础,一、核医学成像用放射性核素,4.稳定性好： 化学结构稳定，不易发生分解、氧化还原等化学反应； 核素与化合物结合稳定，不因体内介质条件或生物活性物质的改变（如酶作用）而发生分解、变性和脱落； 对自身辐射作用耐受能力高。 5.无毒害：核素

5、的衰变产物应该是稳定产物。,3.易标记：合适的化学价态和较强的化学活性。,2. 碘(I )： 98% ; 668KeV(伴有射线)； 能量 (偏高，探测效率低，分辨率差）； T 1/2 8.04h 。 适合于甲状腺、肾、肝、脑、肺、胆显像，功能测量和治疗, 常用于临床的放射性核素 1.锝（Tc)： 90% ; 不伴有辐射； 能量 140KeV(适合探测）； T 1/2 6.02h 适合所有器官显像。,3. 正电子衰变类（用于PET) 11C 20.3min; 13N 10min ; 15O 123 s ; 18F 110 min 优点： 人体的基本元素，易于标记各种生命所必需的化合物及其代谢产

6、物，且易于参与人体生理、生化代谢过程； T 短，检查时可给予较大的剂量，提高对比度和分辨率； 反映人体生理、生化、病理和功能等方面的改变。反映精神情感、思维、行为等人脑的活动。,二、 能谱,光电效应(PE) 全部能量光电峰（全能峰）。表征核素特征 康普顿散射部分能量、散射角脉冲幅度低、范围分布宽,光电峰,意义： 计数率测定时，避免其他能量射线的干扰； 鉴定放射性同位素种类和含量,1956年Anger发明了闪烁相机 同时纪录各脏器核素的射线，成像时间短； 探头灵活，可进行多体位成像，使用方便； Polaroid相机一步显、定影，定时相机连续拍摄， 反映代谢过程的动态变化；,The tumors

7、are the dark areas,5 - 2 相机,探头,位置信号,能量信号,照相 示波器,XY,Z,射线源,一、照相机的基本结构,1、准直器 空间定位,作用：允许特定方向光子进入探测器， 屏蔽与孔角不符的散射光子。,材料：铅或铅合金； 屏蔽效果好； 易加工,（一）探头装置,不同类型准值器临床应用,不同准值器的物理性能,2、闪烁晶体,闪烁体：掺入约0.5%铊 (Tl) 做激活剂的碘化钠 (NaI) 透明晶体。,NaI(Tl)晶体优点： 射线阻滞本领高（探测效率高）； 荧光闪烁时间短（时间分辨力高）； 荧光光子数与射线能量的线性关系好,光学收集系统 提高光电转换传输效率（减少反射） 反射层（

8、氧化镁）和光耦合剂（硅油、甘油等）组成光收集系统,光导：非直接耦合 材料：聚乙烯基甲苯、有机玻璃、光导纤维等,3、光电倍增管,光电转换： 光敏阴极受激产生光电子 光电倍增：（106108） 电信号放大； 光子的数目越多，相应的脉冲数目也越多。,（二）电子学系统位置信号和 Z 信号,位置通道,能量通道,示波器、照相机,Z 辉度,X、y位置,将光电倍增管输出的电脉冲信号转换为确定晶体闪烁点位置的X、Y信号和确定入射 射线的能量信号,脉冲高度分析器,电阻矩阵,（三）显示和记录,基本显示装置示波器 记忆示波器储存图像； 普通示波器照相； 普通示波器图像观察,功能测定装置计数率仪 将计数率转化为直流电信

9、号，绘制放射性活度随时间变化曲线，显示脏器功能状况,二、照相机的性能指标及质量控制,测试标准：美国电器制造商会(NEMA)标准 National Electrical Manufacturers Association,空间分辨力： 两个点（线）源的分辨距离； 半高宽度FWHM； 调制传递函数MTF,图像质量控制： 探测灵敏度和图像的线性, 幅度分析器窗位全能峰探测灵敏度对比度、均匀性等, 准直器、X、Y位置线路图像线性图像与实物比例、对称性,5 - 3 单光子 ECT,ECT类型： ECT利用相机原理，加入计算机信息处理功能，可对某一断层进行成像。据射线源性质的不同，ECT可分为两类。 SP

10、ECT(Single Photon ECT): 探测的示踪核素为放射出 射线（单光子）的核素； PECT(Positron ECT)： 探测的核素为放射出正电子（+）的核素。,1、SPECT成像的本质与方法,探头围绕病人某一脏器进行360旋转的相机，在旋转时每隔一定角度（3或6）采集一帧图片 经计算机处理，将图像叠加，利用滤波反投影方法，从一系列投影像重建横断层影像。由横断层影像的三维信息再经影像重新组合可以得到矢状、冠状断层和任意斜位方向的断层影像。,SPECT断层厚度： 采集全部数据并处理后任意选定,SPECT成像原理：,2、数据的衰减校正,取决于人体衰减系数图( map)的获取和衰减校正

11、的算法。 量化精度 25%50%,平均衰减校正： 设人体等密度，衰减只与光子路经有关； 人体或脏器假定为椭圆； 据指数衰减公式建立断层衰减图； 据图给出的光子通量与路径的关系对断层图像上各像素进行信号强度补偿,SPECT是通过射线的体外技术来标定体内放射性活度，无衰减时计数率正比于放射性活度,断层中射线的衰减与路经和组织成分等因素有关,3、旋转中心偏移检查 断层时加以校正 1.5mm（约0.5像素）,4、断层均匀性测量,圆柱体模型 99mTc溶液 555MBq,计算模型断层图像相对误差,断层,5、断层分辨力的测量 采集三个点源断层数据重建断面图像求 FWHM,6、总体性能评价 3600 采集数

12、据，经均匀度、衰减校正，重建横向断层图像，确定分辨阳模和阴模的极限值,SPECT的临床应用,1、全身骨显像:1）恶性肿瘤骨转移的早期诊断:骨显像可较X线片提前3-6个月发现病变 2）原发性骨骼肿瘤累及范围的判断和疗效观察。3）股骨头无菌性坏死的早期诊断。,SPECT影像仅描绘了体内组织和脏器断层中放射性核素的浓度（生理、生化过程）分布，这种分布不是有关断层的解剖学形态,A whole body bone scan indicating multiple bone metastasis (spread of disease),2、局部脑血流灌注断层显像(rCBF): 1.TIA: 发作后CT和M

13、RI多为阴性,rCBF显像可发现近50%的患者脑内有缺血性改变。2.脑梗死: 诊断阳性率近100%,在发病早期病变区无明显结构变化时即可显示异常。3.神经科疾病病灶的定位诊断: 发作间期显像阳性率约60%,远高于CT(约25%)和MRI检查。4.早老性痴呆(Alzheimer病)和多发性梗塞性痴呆的鉴别诊断,Brain Imaging This figure is a transverse SPECT image of the brain. Note the hot spots present in the right posterior region.,Scan indicating mal

14、function of the left kidney,5-4 正电子发射型计算机断层（PET）, PET采用贫中子的短寿命同位素 11C、13N、15O、18F，是构成人体的主要元素，放射出的 + 射线产生的湮没光子实现断层显像。便于“跟踪”、“探测”人体生理、生化活动，不干扰机体结构和生物变化过程,一、概述,正电子湮灭前在人体组织内行进1-3mm 同时产生互成180的511 keV的光子。,利用符合计数法探测淹没辐射的光子,探头,探头,能量、时间鉴别,能量、时间鉴别,与门,符合检测电路,符合测定,符合探测时间 108 s,1、自准直符合计数方法,位于扫描断层两侧的一对探头同时接收到湮没光子

15、时，符合计数探测要求，才有信号输出（符合事件，否则为无效辐射）。,二、PET成像原理,直线性： 一对互成1800 的探头，探测体内发射出的互成1800 的光子，电子准直探测效率高。符合线路,同时性：15ns 内进入的 2 个 光子视为同时发生的 光子，予以探测 高精度时间控制器,符合探测原理,PET,各种符合事件,同时同地；互成1800；511keV,无时间与空间相互关系,能量小于511MkeV,不成1800,事件,PET的电子准直,1964年环状头部PET,PET电子准直的特点,省去了沉重的铅制准直器，改进了点响应函数的灵敏度和均匀性。 不再因准直器的使用损失了很大部分探测效率。 避免了准直

16、器对分辨率和均匀性不利的影响。 利用了一部分被准直器挡住的光子，极大地提高了探测灵敏度。PET的灵敏度比SPECT高10倍以上。 使用铅准直器的SPECT系统分辨率为816mm，而电子准直的PET系统分辨率为38mm。,a) SPECT detection system; b) PET detection system.,环绕 360排列多组配对探头，探头对间符合线路检验判定每只探头信号，排除其它来源射线的干扰，得到探头对连线上的一维信息； 用滤波反投影方式，将信号按探头对的空间位置向中心点反投射，便可形成与探头组连线轴平行的断层面正电子发射示踪剂分布图像。 探测方式一次只反映一个层面的信息，

17、实用中常用多层排列的探头对，配合层间符合线路，以利探测并重建更多层面的图像。,n 个环 2n 1个断层像： n 个同环符合探测； n 1 个邻环符合探测,Illustration of a brain PET scanner based on 12 camera modules,2、PET图像重建,PET系统工作流程,回旋加速器,产生同位素,热配室 化学合成同位素示踪剂,注射入人体,PET扫描,采集投影数据,重建获得的浓度分布像,临床分析诊断,1、衰减校正,三、投影数据误差校正,a,b,o,符合探测器测得射线强度,均匀衰减量只与符合线穿过组织厚度ab相关,校正：用体外线源（如68Ga棒） 绕成

18、像体旋转，测得 I 空扫测得原始强度 I0,衰减率校正因子：,2、假符合校正,隔片,交叉符合,直接符合, 设置隔片阻挡射线； 采用闪烁时间短的晶体； 增设偶然符合电路等,粒子的动量的变化导致511 keV光子在探测野中产生约4弧度的不确定性偏离。 对探测环横断面视野直径为70cm的PET，导致23mm的位置不确定性。 对大视野PET而言，最高分辨率约为34mm。,校正：图像重建之前，由待测区轮廓和扫描路程精确进行校正,3、电子能量的影响,PET的技术优势 应用人体自身分子的主要元素的放射性核素制备示踪分子。准确地反映机体的代谢情况，可提供独特的生理性示踪研究和活体生化显像。因而被称为“生化断层

19、”或“生命断层”。正电子核素半衰期极短，如11C、13N、15O和18F的半衰期分别为20、10、2和110min。对人体的辐射剂量甚低，需要时可在一次研究中多次重复检查。采用符合线路（Coincidence Circuit），以电子准直取代铅准直探头，故灵敏度高（不受探测深度限制）、对比度好，如PET的灵敏度较常规相机高10100倍，分辨率（FWHM）达4mm，可有效地检出1cm大小的病灶,均匀度好，有利于数学重建图像，可作组织的衰减校正和时间校正，校正后数据准确可靠，便于作定量分析，探测效率高。真正的3D探测技术，显示全身的横断、冠状和矢状断面各方位的断层影像。,PET三维重建图像,四、P

20、ET的优势及其缺点, 的应用评价和发展趋势 主要应用于神经系统（1535）、心血管疾病（1525）、肿瘤学研究（6585）等。 1.在神经系统疾病的应用 PET显像用于脑血管疾病（CVD）、神经科疾病、老年性痴呆、帕金森病（PD）、神经退行性疾病、神经精神药物研究与脑功能研究等很有价值。 2.在心脏病学研究中的应用 PET主要用于隐性、高危和疑难冠心病诊断，心肌存活的检测、介入治疗前后监测、心脏移植、心肌病等的诊断及治疗随访观察等。应用18FFDGPET显像观察心肌代谢是冠心病诊断的金标准，是目前应用最多的项目。 3.在肿瘤诊断与研究中的应用PET在肿瘤学的诊断与研究中主要用于良恶性鉴别，肿瘤分期、分型、复发、转移的早期诊断和鉴别，以及恶变过程的观察与基础研究等。,冠心病心肌缺血,良性脑膜瘤在PET上呈低代谢区,Whole body PET scans showing the distribution of radiolabeled monamine oxidase in one of the nonsmokers and one of the smokers. Red is the highest radiotracer concentr