核探测仪器的基本原理

1、核仪器,第一节 核探测仪器的基本原理,一、放射性探测的基本原理,二、放射性探测器的种类,（一）闪烁型探测器,光电倍增管工作原理,（二）电离型探测器 电离室（ionization chamber）， 正比计数器（proportional counter） 盖革计数器（Geiger-Muller counter） （三）半导体探测器 碲锌镉（Cadmium-Zinc-Telluride，CZT） （四）感光材料探测器 感光材料,核医学仪器,在医学中用于探测和记录放射性核素放出射线的种类、能量、活度、随时间变化的规律和空间分布的仪器，统称为核医学仪器,常用探测仪器,体外样本测量仪器 闪烁计数器 液体

2、闪烁计数器 活度计 临床诊断仪器 SPECT PET 功能测定仪 防护和剂量仪器 表面污染监测仪 场所剂量监测仪 个人剂量监测仪,闪烁探测器,闪烁探测器 实质上是能量转换器，将射线能转换为电脉冲信号，即放射能 光能 电能 分为固体闪烁探测器和液体闪烁探测器 射线 激发闪烁体分子 受激闪烁体分子回复基态时发出荧光 PMT接受光信号并转换为电信号，电信号的数目与高度分别与射线的活度和能量成正比,电离探测器,原理：在密闭的装满空气的圆柱形管中，射线使空气分子产生电离。在电场作用下，正离子向阴极，电子向阳极。收集所形成的电脉冲的次数和电量强弱信号，就可以反映射线的活度和能量。 分类 电离室 正比计数器

3、 盖革计数器,半导体探测器,探测原理： 射线与CZT晶体作用时，晶体内部产生电子和空穴对，产生的电子和空穴对的数量和入射光子的能量成正比。 带负电的电子和带正点的空穴分别向正负电极移动，形成的电脉冲，其强度与入射光子的能量成正比。 用于心脏专用型SPECT 乳腺SPECT 小动物PET等。,感光材料探测器,探测原理： 射线可使感光材料感光。根据感光材料产生黑影的灰度及位置判断射线的量及部位。主要用于实验核医学的放射自显影。,核探测仪器的基本结构,辐射探测器（radiation detector ） 利用射线和物质相互作用产生的各种效应将射线的辐射能转变为电子线路部分能处理的电信号。 电子学单元

4、 根据不同的测量要求和探测器的特点而设计的分析和记录电信号的电子测量仪器。 数据处理系统 按不同的检测目的和需要而配备的计算机数据处理系统、自动控制系统、显示系统和储存系统等。,核射线测量仪器的组成框图,核医学仪器发展简史,井型晶体闪烁计数器 闪烁扫描机,照相机,PET SPECT,PET/CT SPECT/CT,闪烁扫描机,显像仪器,Scanner 机械移动配合逐点打印方式记录 Camera 一次获得平面静态或动态影像 ECT：Emission computed tomography 发射式计算机断层,放射性核素扫描仪,Scanner,逐行扫描、探测、打印记录放射性信号,甲状腺扫描,肝扫描,

5、肺扫描,脑扫描,部分脏器的扫描 图象,核医学显像仪器与X线显像仪器的区别,第二节 照相机,1957年，由Hal Anger研制成功，因此，也称为Anger型照相机(- Camera),照相机结构,探测器（探头） 准直器：铅或铝钨合金 闪烁晶体：NaI（Tl） 光电倍增管 电子学线路 前置放大器、主放大器、脉冲高度分析器等,电子学线路,显示装置,PHA,PMT,晶体,准直器,计算电路,光导,照相机结构示意图, Camera,准直器,由铅或铅钨合金从中央打孔或者是四周合拢形成的装置，放于病人与晶体之间。 保证照相机的分辨率和定位的准确,晶体,NaI（Tl）掺铊碘化钠。 作用是把经准直器进入的射线能

6、量转换成荧光光子。 Tl元素在这里仍作激活剂用，减少信号失真，增加探测效率。,NaI晶体柱,各种型号的光电倍增管,光电倍增管&脉冲幅度分析器,光电倍增管 为数众多的光电倍增管均匀地排列在晶体的后面，紧贴着晶体。 数量多少与定位的准确性有关。 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。,信号分析和数据处理系统,包括电子学线路和计算机。 电子学线路除脉冲幅度分析器外还有前置放大器、主放大器及均匀性校正电路、位置线路等。,照相机工作原理,探测到光子经电子学线路分析形成脉冲信号，经计算机采集, 处理,最后以不同灰度或色阶显示二维脏器显影或放射性分布。

7、,应用：各种脏器静态显像，快速连续动态显像，附有特殊装置，可进行全身显像。,Gamma Scintillation Camera,The main instrument for nuclear medicine imaging is the large field of gamma camera. First developed in 1956 by Hal Anger this device has become the main imaging tool of nuclear medicine.,脑r照相,肝胆系统r照相,肝脏r照相,肾脏r照相,甲状腺r照相,部分脏 器的照相图片,第三节

8、SPECT及SPECT/CT,一、SPECT,SPECT：Single Photon Emission Computed Tomography 单光子发射型电子计算机断层,照照相机与电子计算机技术相结合发展起来的一种核医学显像 检查仪器，在照相机平面显像的基础上，应用电子计算机技术 增加了断层显像功能 主要提供组织器官的功能和代谢变化信息,组成：探测器（探头）、机架、检查床和图像采集处理工作站 探头是SPECT的核心部件，探头数通常为13个,Imaging equipment：SPECT,照相机成像固有缺点 1、微小的病变、深在的病变或放射性浓度改变较小的病变，常可被其前后的放射性掩盖而难以显

9、示 2、不便于对病变进行三维定位 3、不能对放射性分布进行精确的定量计算,Sigle photon emission computed tomography （ SPECT） Positron emission computed tomography （ PET）,SPECT工作原理,探头围绕受检对象或部位呈180 和/或360旋转，从多角度、多方位采集一系列平面投影像，经计算机图像处理系统重建获得横断层面、冠状面和矢状面影像。,SPECT成像特点,SPECT的图像是反映放射性药物在体内的断层分布图 放射性药物能够选择性聚集在特定脏器、组织或病变部位，使其与邻近组织之间的放射性分布形成一定程度

10、浓度差,SPECT,旋转型 照相机计算机断层技术 从单探头发展到双探头和三探头 符合线路SPECT，用于PET成像,（一） 单探头SPECT,（二） 双探头SPECT,（三）三探头SPECT,（四）双探头符合线路断层显像仪,二、SPECT/CT,（一）SPECT/CT,SPECT和CT两种成熟技术相结合形成的一种新的核医学显像仪器 实现了SPECT功能代谢影像与CT解剖形态学影像的同机融合 一次显像检查可分别获得SPECT图像、CT图像及SPECT/CT融合图像 可以采用X线CT图像对SPECT图像进行衰减校正,（二）SPECT与CT结合的两种方式,SPECT和CT位于同一机架： 在SPECT

11、探头机架上安装一个X线球管，对侧安装探测器 SPECT与CT位于不同的机架： 在SPECT机架后再并排安装一个高档螺旋CT,SPECT/CT,三、SPECT的图像采集,（一）采集方式,静态采集与动态采集 平面采集与断层采集 局部采集与全身采集 门控采集,（二）断层采集,SPECT探头绕患者旋转180360 每隔一定角度（36）采集1帧图像 获得靶器官各个方向的放射性分布信息 经过电子计算机重建断层图像。,重建方法：,四、SPECT的图像重建,反投影重建 按照投影方向把投影数据反投向来的方向。,滤波反投影重建 用滤波函数去除反投影重建图像伪影。,给待求断层图像赋予一个初始估计值 根据初始值计算出

12、理论投影值 将它和实测投影值进行比较，计算出每个像素的修正量，对初始图像进行修正 然后再根据新的断层图像估计值计算理论投影值，与实测投影值比较，再次修正断层图像估计值。 接着是第三次循环、第四次循环。,在探头的对侧设置放射源，利用放射源发射出的射线由患者体外穿透人体，在SPECT探头上成像。 在同一台SPECT上同时获得透射(transmission)图像和发射(emission)图像，从透射图像求得被显像部位的三维衰减系数分布图，对发射型断层图像进行衰减校正。 目前，SPECT/CT可采用X线进行图像衰减校正。,显像用放射性核素射线的能量主要在80500keV之间 人体组织的衰减(Atten

13、uation)对投影值有较大影响。 SPECT断层重建算法忽略了组织对射线的衰减作用，使图 像定量不准，出现伪影。 图像衰减校正(Attenuation Correction，AC)是解决人体衰减的主要方法。,五、图像的衰减校正,六、SPECT的质量控制和性能评价,其他：断层均匀性、空间分辨率、断层厚度、断层灵敏度等,9,9,第四节 PET、PET/CT及图像融合技术,一、PET,PET: Positron Emission computed Tomography 正电子发射型电子计算机断层,（一）PET的组成,机架（Gantry）、扫描床、电子柜、操作工作站、 分析工作站及打印设备等。,1.

14、机架,探测器环、棒源（pin source）、射线屏蔽装置、 事件探测系统（the event detection system）、 符合线路（the coincidence circuitry）及激光定位器等组成。 主要功能为数据采集。,（1）探测器环,若干个晶体排列而成，是决定PET性能的最重要部分。 探头晶体的材料不同，接收光子并转化为可见光的性能也有差异。 晶体主要有： 锗酸铋（bismuth germinate，BGO） 硅酸钆（gadolinium orthosillicate，GSO） 硅酸镥（lutetium oxyorthosillicate，LSO） LYSO等。 临床型P

15、ET（C-PET）采用NaI（Tl）晶体，但现在已经趋于淘汰。,碘化钠晶体探测器示意图,（2）棒源（pin source）,将68锗（68Ge）均匀地封装在中空的小棒内；也有使用半衰期较长的137Cs。 作用：对PET扫描仪进行质量控制 透射扫描进行图像衰减校正,（3）隔板（speta）,隔板包括2部分： 一部分是探测器环两边的厚铅板，作用是屏蔽探测器外的射线； 另一部分为厚度为1mm的环状钨板，位于探测器环与环之间，将轴向视 野分隔成若干环，钨隔板的作用是屏蔽其他环视野如射的光子对，与准 直器的作用相似； 3D采集时，将钨隔板撤出显像视野，取消屏蔽作用。 目前，仅有3D采集模式的PET已经无

16、隔板。,PET : Mechanism,常用正电子发射体,18F T1/2= 110min 11C T1/2= 20.4min 13N T1/2=9.96 min 15O T1/2= 2.04min,PET Tracers,示踪剂类型 显示的生物过程 H2O 血流量 CO 血容量 CO2 氧利用率 乙酸 氧化代谢速率 2-脱氧葡萄糖 （FDG) 葡萄糖代谢 （“世纪分子”） 氨基酸 蛋白质代谢， 肿瘤增殖，神经介质 神经递质 神经活动/调节 特异性配体 受体密度、亲和力 神经活动/调节 酶活性物质 酶浓度、活性 核酸 DNA合成, 细胞增殖,（三）PET采集的计数类型,单个计数 真符合计数 随

17、机符合计数 散射符合计数,2D采集与3D采集示意图,（四）PET图像采集,1. 发射扫描 2D采集和3D采集 静态采集和动态采集 门控采集 局部采集和全身采集,2透射扫描,透射扫描是利用棒源围绕身体旋转，采集放射性源从体外透射人体后 所剩余的光子。透射扫描和空白扫描的结果相结合可以计算得到组织 的衰减系数。透射扫描的主要目的是对发射扫描进行衰减校正。 作用：对发射扫描进行衰减校正,3早期显像和延迟显像,早期显像（early imaging） 延迟显像（delayed imaging） 双时相显像（dual-time point imaging）,（五）图像重建,滤波反投影法 （filtered

18、 back-projection） 有序子集最大期望值法 （ordered subsets expectation maximization，OSEM）,（六）PET的质量控制,美国电器制造商协会（National Electric Manufacturers Association，NENA）于1994年制定了PET性能评价标准及测试方法NEMA NU 2-1994，2001年对其进行了更新，更新后版本为NEMA NU 2-2001。 国际电工委员会（International Electronic Committee，IEC）于1998年制定了IEC61675-1 PET性能评价标准，此外

19、，日本、澳大利亚、新西兰等国家也制定了相应的标准。 我国2003年颁布了放射性核素成像设备性能和测试规则第一部分：正电子发射断层成像装置（GB/T18988.1-2003/IEC61675-1：1998）。 PET的性能评价需要使用标准模型进行测试，测定结果与使用的模型有关，使用的模型不同，结果也有差异。目前，国际上多采用NEMA标准。PET性能参数测试主要包括空间分辨率、灵敏度、探测器效率、噪声等效计数率、时间和能量分辨率等。,PET与SPECT比较,PET灵敏度较SPECT提高1020倍并改善空间分辨率 PET显像所用的正电子发射体是组成人体的固有元素 PET容易进行衰变校正和定量分析,二

20、、PET/CT,PET/CT,（一）PET/CT的结构及功能,由PET和多排螺旋CT组合而成 同一个机架内有PET探测器、CT探测器和X线球管 共用同一个扫描床、图像采集和图像处理工作站 可以采用X线CT图像对PET图像进行衰减校正,PET/CT是一个全新的系统,PET影像（功能）,CT影像（形态）,一体化的机架系统 一体化的检查床 一体化的操作工作站系统,1+12,不是简单的“PET+CT”,PET/CT图,CT扫描&PET扫描,PET采集，发射扫描与前面所述的PET图像采集相同 采用棒源进行的透射扫描可由X线CT扫描代替,CT扫描：通常先进行CT扫描,CT扫描的目的：衰减校正、解剖定位、C

21、T诊断 仅用于衰减校正和解剖定位，可采用低毫安/秒设置， 减少病人辐射剂量 用于CT诊断，建议采用标准毫安/秒设置，以优化CT 扫描的空间分辨率 调节球管的电流将病人受到的辐射剂量最小化。,（二）PET/CT的图像采集,应当分别对PET和CT进行性能评价，再对PET/CT整体进行性能评。 PET的性能评价如前所述。 CT性能测试按我国国家质量技术监督局与国家卫生部于1998年12月7 日颁布的X射线计算机断层摄影装置影像质量保证检测规范（GB/ T17589-1998）进行。检测项目共有9项，包括定位光精度、层厚偏 差、CT值、噪声、均匀性、高对比分辨率、低对比分辨率、CT剂量指 数、诊断床定

22、位精度。 PET/CT整机的性能测试主要是采用PET图像与CT图像进行融合精度 评价。目前，尚无权威机构制定的标准测试方法。,（三）PET/CT的性能评价,PET、PET/CT及图像融合技术,图像融合技术是将来自相同或不同成像方式的图像进行一定的变换处理，使其之间的空间位置、空间坐标达到匹配的一种技术。,PET/CT以PET特性为主，同时将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。,PET/CT PET/MRI图像融合技术,PET图像缺陷 无功能组织不显像，导致PET图像缺少高分辨解剖参照 不同组织往往有相似的示踪剂摄取 导致PET图像结构对比度低 PET功能图像+

23、CT MRI高分辨解剖图像 PET/CT PET/MRI图像融合技术,PET/CT PET/MRI图像融合技术,18F-FDG PET肿瘤显像的临床评价,男性，78岁，左肺鳞癌。(a): CT显示等密度病灶。(b): PET显示病灶呈边缘高代谢及中心坏死。 (c): CT与PET 融合图像，肺门淋巴结转移被PET显示,ECT与XCT比较,SPECT显像,核医学显像仪器与X线显像仪器的区别,第五节 功能测定仪器,甲状腺功能测定仪,甲状腺功能测定仪 肾功能测定仪 多功能测定仪 探针,甲功仪,Radioactivity count Time activity curve,肾功仪,多功能测定仪,探针,

24、治疗用核仪器,射线敷贴器 32P和90Y等 前列腺治疗仪等。,第六节 体外样本测量仪器,放射性样本计数测量仪器, 闪烁计数器：测 射线，如放免仪 液体闪烁计数器：测低能射线 特点：放射性样品溶于闪烁液或附着于固体支持物，浸于闪烁液中测量。需作淬灭校正。 活度计：测放射性样品的绝对活度,Sample counters and well counters 相对测量：Scintillation Counter Scintillation Counter 获得cpm或cps 绝对测量：Radionuclide dose calibrator (活度计)获得Bq或mCi,放射免疫测定仪,免疫计数器,液体

25、闪烁计数器,活度计,第七节 放射防护仪器,个人剂量监测仪: 袖珍剂量仪、胶片剂量计、热释光剂量仪 表面污染监测仪: 探测a、射线污染,以每计数/s读出 场所剂量监测仪: 直接获得辐射场强度 ,rad/h,Gy/h.,辐射剂量监测仪,表面污染监测仪,便携式剂量仪,热释光个人剂量仪,一、半导体探测器与SPECT,（一）半导体探测器 碲锌镉（Cadmium-Zinc-Telluride，CZT）:最新研制的半导体探测器 探测效率高、能量分辨率好 CZT探测器可以直接将 射线转化成电信号,探测原理： 射线和CZT晶体作用时 晶体内部产生带负电荷的电子和带正电荷的空穴对 产生的电子和空穴对的数量和入射光子的量成正比 电子和空穴向不同的电极运动形成电荷脉冲 经过前放大变成电压脉冲 经过再放大，由后续电子学线路处理进行图像重建,第八节 核医学仪器