放射性核素成像(上下).ppt

1、第五章 放射性核素显像（radio nuclear imaging, RNI）邹凯川北医学院医学影像学系生物医学工程教研室,利用放射性探测仪器（或测量装置）可以探测和记录放射性同位素所放出的射线（或粒子）的种类，数量（强度）和能量（能谱）等； 确定是否存在病变和病变的位置；,第四节 射线探测,一 射线能谱,一般用碘化钠（铊激活）做成单晶体用来接收射线； 射线在闪烁能谱仪中产生的脉冲高度谱称为射线能谱； 能量最大的峰表示核素特征，称为光电峰；,临床医学中测量射线的能谱的意义在于,测定某种放射性同位素的特定能量射线的计数率； 检定反射性同位素或放射性药物；,二 闪烁计数器,射线发出荧光光电倍增管（

2、光电子）倍增电流脉冲输出 脉冲的个数与光子数成正比；,1 闪烁体,NaI中掺杂有铊 原理射线激发电子 电子回到低能状态发出可见光；,2 光学收集系统,3 光电倍增管,每一种放射性元素都有自己特有的辐射能谱，闪烁器产生的电流脉冲幅度和辐射光子能量成正比，如测出脉冲幅度与计数的关系曲线就等于测出辐射能谱；,三 脉冲幅度分析器,单道脉冲幅度甄别器； 多道脉冲幅度甄别器；,一、作用 空间定位：指仅让某一空间单元的 射线进 入探头，其它部分的射线被屏蔽而不能进入探头.,第五节 准直器,准直器类型：平行多孔型 发散型 针孔型 聚焦型 材 料：铅 准直器视野：1）全灵敏区：点源发出的射线能直 接进入的区域，

3、计数均匀。 2）半影区：计数率急剧下降。,二、准直器的特性参数 1准直器的灵敏度：射线通过准直器的效率.,2. 空间分辨力 装置的空间分辨力 装置的空间分辨力指显像装置能分辨 两个线源或点源的最小距离的倒数. 影响因素: 1）准直器的孔径d0 2）准直器的厚度 F 3）准直器的焦点距离 L,评价方法: 1) 分辨距离 R 2) 半峰宽度 FWHM 3) 调制传递函数 MTF,分辨距离、半峰宽度与孔径 、 准直器到焦点的距离F、准直器的厚度L之间的关系,调制传递函数：客观量 （modulation transfer function,MTF) 线 对：准直器上的一条铅条和一个空隙 称一个线对（或

4、空间周期）. 空间频率：单位长度上的空间周期个数或线对数.,平行孔准直器 ,MTF是空间频率的函数 MTF取值范围 1 0 当空间频率较低时 随空间频率增大,3深度响应 深度F：指放射源到准直器距离. 对一给定准直器，do 、L为定值，R 或 FWHM随 F 而变化，这一变化称深度响应。,意义：在不同深度层面上所形成图像 清晰度不一样。 最佳分辨距离：准直器焦距深度上的分辨距离。 焦 点 近 限：靠近准直器轴线上，分辨距离为 最佳分辨距离二倍的点。 焦 点 远 限：远离准直器轴线上，分辨距离为 最佳分辨距离二倍的点。 焦 点 长 度：焦点近限与远限之间的距离.,一、 照相机原理,第六节 照相机

5、,一、 照相机的组成 探头 电子学线路 显示装置 准直器 闪烁晶体 光导 光电培增管 电阻矩阵电路组成,三、 照相机工作原理 1.准直器 作用：空间定位 2.闪烁晶体 结构：一般用园盘型 NaI掺入铊构成 作用：将射线转变为荧光 3.光导 结构：一般用有机玻璃制成 作用：是使光电倍增管与闪烁晶体作良好的光耦合. （光导与闪烁晶体、光电倍增管之间必须填充 硅油或光耦合剂，以减少光投过两种介质面 时的反射损失）,3.光电倍增管阵列 结构：数十只光电倍增管像蜂窝状一样呈 六角形排列. 作用：将来自闪烁晶体的光信号转变为放大 的电流脉冲信号，并检测被闪烁晶体 吸收的每个光子的位置. 4.电阻矩阵电路

6、结构：矩阵由阻值不同的电阻构成 作用：1）对闪烁光点进行空间编码 2）使闪烁光点复现示波器荧光屏上,第10号管的坐标位置,第19号管的坐标位置 Z信号 （ 控制亮度）,1空间分辨力 指r照相机对放射性核素空间分布差异的分辨能力. 2计数器的死时间 指分开前后两个闪烁光子的最短时间. 3图像线性 指光点定位的准确性.,三、 照相机的性能指标及质量控制,4图像均匀性 指均匀平面源各位置上体素所显示对应像素的灰度 一致性. 影响因素：1）闪烁晶体、光电倍增管的不均匀性 2）定位网络精度不高 5图像的灵敏度 指 照相机有效地探测放射性量微小差别的能力. 影响因素：1）准直器、晶体厚薄 2） 射线能量

7、照相机的质量控制 主要取决于两个指标：1）探测灵敏度 2）图像的线性,四、 照相机的分类 1.移动式 照相机 特点：晶体小而薄，探头轻、体积小， 主要用于核心脏病学， 2.模拟-数字混合式 照相机 特点： 照相机位置信号是模拟信号， 位置信号以后转换为数字信号 3.全身显像 照相机 由探头和床的配合运动，在显示器上得到一幅 缩小的全身放射性分布图象的 照相机.,五. 照相机的临床应用 利用脏器和病变组织对示踪核素摄取的差别来显示和拍摄图象. 脏器和病变组织对示踪核素摄取有两种情况： 1.正常脏器有选择性浓聚示踪核素的能力，病变组织 浓聚能力缺乏或减弱，显像图上病变组织呈现为示 踪核素缺损区，称

8、“冷区”. 2.病变组织有选择性浓聚示踪核素的能力，而正常脏 器摄取能力缺乏或较差.显像图上病变组织呈现为示 踪核素浓聚区，称“热区”. 照相机的显像拍照又分为两种方式 1.静态：形态学观查，主要用于检查器质性病变，特 别是占位性病变. 2.动态：一段时间内连续显像拍摄，主要用于功能性 检查.,5. 放射性核素显像的发展趋势 发展方向:分子核医学 主要反应在以下几方面 1.显示系统进一步提高图像的时间 与空间分辨力. 2.核心脏病学 3.核肿瘤学 4.神经精神核医学 5.新药的研究开发,临床疗效监测等,三、单光子发射型计算机断层原理,发射型计算机断层是通过计算机图像重建来显示进入人体内的放射性

9、核素在断层上的分布，称为ECT 单光子发射型计算机断层（SPECT） 正电子发射型计算机断层（PET）,Siemens的SPECT系统,SPECT的原理,SPECT检测通过放射性原子（称为放射性核，如TC-99m 、TI-201）发射的单射线。放射性核附上的放射性药物可能是一种蛋白质或是有机分子，选择的标准是它们的用途或在人体中的吸收特性。比如，能聚集在心肌的放射性药物就用于心脏SPECT成像。这些能吸收一定量放射性药物的器官会在图像中呈现亮块。如果有异常的吸收状况就会导致异常的偏亮或偏暗，表明可能处于有病的状态。,SPECT的原理,SPECT成像方法,一个探头可以围绕病人某一脏器进行360旋

10、转的相机，在旋转时每隔一定角度（3或6）采集一帧图片 经电子计算机自动处理，将图像叠加，利用滤波反投影（FBP）方法，可以从一系列投影像重建横向断层影像。由横向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成像基本步骤,用短半衰期核素Tc-99m等标记某些特殊化合物经静脉注入人体 探测聚集于人体一定器官、组织内，标记于化合物上的Tc-99m衰变所发出的射线 将射线转化为电信号并输入计算机，经计算机断层重建为反映人体某一器官生理状况的断面或三维图像,衰减校正,目前的SPECT理论把投影数据近似为病人体内的放射性药物分布沿投影线的积分，忽略了人体组织

11、对射线的散射与吸收效应。然而，对于核医学所使用的能量在60511keV的射线来说，人体组织的衰减对投影数据有相当大的影响，因此需要进行衰减校正。 一方面取决于人体衰减系数图( map)的获取，另一方面取决于衰减校正的算法。,SPECT的示踪剂,由放射性同位素标记的放射性药物会产生内部辐射。 这种放射性药物称为示踪剂，可以是注射也可以是吸入。正是示踪剂的衰减放射出射线。 常用能够标记放射性药物的部位有：MIBI（心肌显像）； MDP（全身骨显像）； ECD（脑血流显像）,常用的放射性示踪剂,用放射性Tc-99m标记的各种化合物 短半衰期（6.02小时）放射性同位素,主要放射低能射线,其能量为14

12、1keV 辐射剂量只有一次X摄片的1/101/2 没有副作用，大部分在几个小时内即排出体外，留在体内的放射性也会在短时间内衰变掉 其他常用的放射性核素还有Tl-201、I-131、I-123、Ga-67、In-111等,SPECT系统,探头（旋转型照相机） 机架 断层床 计算机和光学照相系统,SPECT的相机,相机收集病人体内发射的射线，使我们重建出发射部位的图像，了解特定器官或系统的功能。,相机结构,相机准直器（Collimator） 闪烁探测器（NaI晶体） 光电倍增管(PMT) 位置电路 数据分析计算机,NaI 晶体,光电倍增管,准直器孔,探头周围铅屏蔽,准直器固定结构,相机准直器,准直

13、器位于晶体之前，是探头中首先和射线相接触的部分。准直器的性能在很大成度上决定了探头的性能。准直器能够限制散射光子,允许特定方向光子和晶体发生作用。,成像的本质和方法 在体外测量发自体内的射线来确定体内的放射性核素的活度。进行单光子的分布的测量，类似与X-CT；,照相机型SPECT在临床上使用较多，2-3个探头； 层厚的确定是数据采集和处理后来选定的；,二 数据的衰减校正 射线转变成脉冲需要经过各自的放大器和单道脉冲幅值分析器来进行处理，数据必须经过衰减才开始用于成像； SPECT是研究放射性元素在体内的分布，射线在层厚重的衰减是影响成像效果的； 相应的校正算法；,SPECT在空间分辨力、定位的

14、精确度、计算病变部位的大小和体积等方面远优于照相； 断层图像受脏器大小、厚度影响大为降低，对深层组织探测能力也显著提高；,四、单光子发射型计算机断层的技术优势,物理方面的一般检查； 像素绝对大小的测定； 旋转中心偏离的检查； 断层均匀性的检查； 断层分辨中心的测试； 总体性能的评价；,质量保证的一些方面内容：,五、单光子发射型计算机断层性能指标和质量控制,2001年 GE DISCOVERY-LS PET,第七节 正电子发射型计算机断层,一、正电子发射型计算机断层原理,PET的物理基础,正电子放射性核素通常为富质子的核素,它们衰变时会发射正电子。原子核中的质子释放正电子和中微子并衰变为中子：

15、正电子的质量与电子相等，电量与电子的电量相同，只是符号相反。通常正电子（）衰变都发生于人工放射性核素。,正电子湮灭,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） 动量 同时产生互成180度的511 keV的伽玛光子。,PET影像的设备,正电子核素设备 正电子示踪计设备 PET影像获取,回旋加速器,放化标记设备,PET影像系统,正电子药物,由于C、N、O是人体组成的基本元素，而F的生理行为类似于H，故应用11C、13N、15O、18F等正电子核素标记人体的生理物质如糖、氨基酸和脂肪，可在不影响内环境平衡的生理条件下，获得某一正常组织或病灶的放射性分布(形态显

16、示)、放射性标记药物浓集速率、局部葡萄糖氨基酸和脂肪代谢、血流灌注、受体的亲和常数、氧利用率以及其他许多活体生理参数等，藉此显示的形态和功能参数，以研究和诊断人体内的病理生理异常与疾病，它较之传统的解剖结构现象更深入更全面，可更早期地发现病变。,正电子药物,PET影像分辨率的极限,PET（人体）影像分辨率的极限约为：2mm,PET的结构,PET的数据采集,正电子湮灭作用产生的湮灭光子同时击中探测器环上对称位置上的两个探测器。 每个探测器接收到光子后产生一个定时脉冲，这些定时脉冲分别输入符合线路进行符合甄别，挑选真符合事件 符合线路设置了一个时间常数很小的时间窗（通常15ns），同时落入时间窗的

17、定时脉冲被认为是同一个正电子湮灭事件中产生的光子对，从而被符合电路记录。时间窗排除了很多散射光子的进入。,符合探测原理,符合探测技术能在符合电路的时间分辨范围内，检测同时发生的放射性事件。 利用符合探测技术可以进行正电子放射性核素示踪成像。 使用符合探测技术，起到电子准直作用，大大减少随机符合事件和本底的同时提高了探测灵敏度。,PET的电子准直,PET的电子准直,湮灭光子对只有在两个互成180的探测器的FOV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电子准直的特点,电子准直是PET的一大特点，它省去了沉重的铅制准直器，改进了

18、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。就2D采集模式而言，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。,PET的探测环,X-Y平面为PET的横断面，与探测环平面平行。 Z轴是PET的长轴，与探测环平面垂直。,PET的探测环,PET的探头是由若干探测器环排列组成，探测器环的多少决定了PET轴向视野的大小和断层面的多少。 轴向断层数（环数2）1 PET的轴向视野是指，与探测器环平面垂直的PET长轴范围内可探测真符合事件的最大长度。 探测器环越多的探头的轴向视野越大，一次扫描可获得的断层面也越多。 探测器由晶体、光电倍增管和相关电子线路组成，许多探测器紧密排列在探测器环周上。,探测器要求,探测器必须有高探测效率。 探测器