第八章 核医学成像设备

NuclearMedicalInstrument伽玛照相机人体骨骼的全身γ成像第八章核医学成像主要内容概述核医学成像的物理基础核医学成像设备γ照相机单光子发射型计算机体层设备（SPECT）正电子发射型计算机体层设备（PET）一、概述核医学成像的过程：将放射线药物引入人体形成发射源。用γ射线检测装置可以从体外检测体内放射性核素在衰变过程中放出的γ射线。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：以脏器内外或脏器内各部分之间的放射性核数浓度差别为基础，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。核医学显像的技术特点放射核素引入人体参与人体新陈代谢特定脏器组织中聚集放射性活度分布的外部测量以图像形式显示（功能性显像）半衰期短核素数量少灵敏度高1:同位素指具有相同质子数(原子序数)但具有不同中子数的核数。一般分为两种，一是同位素性质比较稳定（没有放射性），一是具有放射性。2:衰变指核素自发的发生结构和能量状态的改变，放射出α、β、γ射线并转变成另一种核素的过程。二.核成像的物理基础γ射线的产生：原子核衰变产生γ射线例如：γ衰变α衰变、β衰变、核裂变过程中伴随γ射线的产生=+γ射线71.放射性核素成像的物理基础核衰变核衰变主要由以下几种α衰变反应式：α射线由α粒子构成,α粒子实际上是氦原子核Y为子核,Q表示衰变时从核内放出的能量----衰变能衰变反应式：粒子实际上是电子，这种衰变是由于放射性核素中有一个中子变为质子的结果：42AAZZXYQ－1AAZZXYQ42HenPQ（中子）（质子）（中微子）（能量）核衰变衰变当原子核中有一个质子转变为中子时，放射出一个正电子反应式：γ衰变原子核由高能态向低能态跃迁时，释放出γ光子的现象。γ射线的波长和能量根据放射性元素的种类而定。性质：同X—Ray一致，但是二者的来源不一样，X线是原子核外发射出来的射线，而γ射线是原子核内发射出来的射线。01e1AAZZXYQ医学放射性核素的来源1.反应堆生产放射性核素化学处理后生产出医用放射性核素以235U和239Pu为核燃料的反应堆(n,f)裂变反应裂变过程中产生的中子(n)来轰击靶物(n,)、(n,p)、(n,)、(n,2n)等核反应丰中子核素第二节原子核的放射性2.回旋加速器生产医用放射性核素短和超短寿命贫中子核素回旋加速器加速带电粒子p、d、3He轰击靶物质产生核素化学分离高纯度的放射性核素＋衰变电子俘获照相机、SPECT和PET显像医学放射性核素的来源3.放射性核素发生器生产医用放射性核素以长半衰期母体核素和短半衰期子体核素的“衰变—生长”关系为基本原理“母牛”装置最常用99MO99mTc发生器医学放射性核素的来源1957年Anger研制出第一台γ照相机，称之为Anger照相机，1963年在日内瓦原子能和平会议上展出。它克服了逐点扫描打印的不足，使核医学显像走向现代化阶段结构与原理组成：探头,机架,电子学线路,计算机,显示系统装置原理：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第三节一、相机核医学成像设备（一）结构与原理组成：在高性能相机上增加了支架旋转的机械部分、断层床、图像重建软件二、SPECT•DavidKuhl1959年用双探头的扫描机进行断层扫描，并进一步研制和完善断层显像仪器，使得SPECT和PET成为核医学显像的主要方法单光子计算机发射断层显像仪singlephotonemissioncomputedtomography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。目前已发展到双探头、三探头，且增加了新的功能。（二）应用各种脏器动静态断层显像及全身显像为核医学最广泛应用的显像仪器，三级甲等医院必备仪器。三、PET发射+正电子放射性核素在体内经湮灭辐射产生两个能量相同、方向相反的511keV光子同时入射至互成180环绕人体的多个探测器而被接收，把这些光子对按不同的角度分组，可获得放射性核素分布在各个角度的投影。常用发射正电子核素主要有：18F、碳[11C]、氧[15O]、氮[13N]、嗅[76Br]等。511KeVGammaRay511KeVGammaRay+-DD（一）结构与原理PET主要由探测系统包括晶体、电子准直、符合线路和飞行技术，计算机数据处理系统，图像显示和断层床等组成。正电子发射计算机断层显像仪，positronemissiontomography（二）应用动静态断层显像、定量分析，是肿瘤、神经和心血管疾病诊断与临床医学研究应用的重要设备。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），已推出硅酸镥（LSO）硅酸钆（GSO）和混合型晶体，如LYSO。近年来，PET与CT合二为一的显像设备问世，称之PET/CT符合线路PET方法放射源技术（铯[137Cs]、钡[133Ba]）X-CT技术X-CT技术可进行同机解剖结构与功能代谢图像融合，（fusionimaging）对病灶可做出精确定位诊断。图像融合是指不同图像(SPECT,PET,CT,MRI)之间的空间配准或结合。利用各种成像方式的特点，为不同的影像提供互补信息，增加图像质量，以期对临床诊断和治疗的定位、观察提供有效的方法。一、照相机原理照相机构造原理1.探头射线源探头位置信号能量信号照相示波器准直器电阻矩阵光电倍增管闪烁体射线Z信号位置信号“复眼”闪烁体光电倍增管电阻矩阵激发荧光荧光准直器排除干扰成像的射线铅制NaI(Tl)晶体电脉冲增强六角形排列每个并接四个电阻输出X-、X+、Y-、Y+四组电流1.探头一、照相机原理第二节原子核的放射性一、照相机原理1.探头γ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γ相机的工作示意图预放器阵列位置变换电路X+X-Y+Y-A/DA/D行地址列地址计数式图像帧存能量窗口E读写控制处理和显示γ照相机相机准直器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γ照相机的分辨率和定位的准确准直器(collimator)仅局限于某一空间单元的射线能进入闪烁计数器，其他区域射线不得进入，排除干扰成像的射线,建立放射性核素与图像的空间对应关系。准直器的作用视野(FOV)射线在准直器的作用下直接射入晶体的区域视野以外射线不能到达的区域屏蔽区准直器的作用准直器作用：滤除非规定范围和非规定方向的γ射线。准直器类型：(1)、针孔形(2)、平行孔形(3)、扩散型(4)、会聚型晶体NaI（Tl）掺铊碘化钠。作用是把经准直器进入的射线能量转换成荧光光子。Tl元素在这里仍作激活剂用，减少信号失真，增加探测效率。闪烁晶体由于光电效应和与晶体内碘化物的离子的康普顿散射，γ光子与探测器互相作用。这种相互作用导致电子释放而继续与晶体的网格相互作用产生光。这种过程称为闪烁。闪烁晶体理想的闪烁晶体要求：（1）对入射的光子有较高的俘获效率（2）与入射光子相互作用后的发光率高，发光持续时间较短（3）材料要有良好的光学性能，对荧光的传播呈透明而且折射率小等光电倍增管(PMT)每7到10个光子入射到光电阴极上，就会产生一个电子。从阴极来的电子聚焦到倍增管电极上被吸收后会放出更多的电子（一般是6到10个）。这些电子再聚焦到下一个倍增管电极上，这个过程在倍增管电极阵列上不断重复。光电倍增管的排列方式每一个边排列3个，总共19个每一个边排列4个，总共37个每一个边排列5个，总共61个每一个边排列6个，总共91个每一个边排列7个，总共127个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。权电阻网络权电阻网络紧跟在光电倍增管阵列后面并在求和矩阵电路(SMC)中接收来自倍增管的电流脉冲。这使得位置电路能够决定闪烁事件在探测晶体的何处发生。位置计算11()()iiiiXXxkxxkURR11()()iiiiYYykyykURR权电阻网络11()()iiiiXXxkxxkURR11()()iiiiYYykyykURR11()()iiiiXXxkxxkURR这一位置相关信号经“位置计算电路”进一步处理后就可以较准确地给出闪烁点的坐标。最后，能量信号与位置坐标信号组合起来在监视器上显示，就形成了完整的核医学图像。脉冲高度分析器与显示装置为了减少折射光子对图象效果的影响，设计了脉冲高度分析器，通过设定上下限阈值，将高于上限阈值和下限阈值的光子能量排除在外。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。三、脉冲幅度分析器时间CV30BV20AV10阈值计数率CV30BV20AV10计数率密度V30V20V10脉冲幅度脉冲幅度甄别器原理2.单道脉冲幅度分析器3.多道脉冲幅度分析器直接测出幅度在V~V+V之间脉冲计数两个甄别器差值V叫道宽。下限甄别器甄别阈值V上限甄别器阈值V+V多个脉冲分析器一次测量得出一个单道脉冲幅度分析器多次测量的结果三、脉冲幅度分析器核医学成像概念：是一种以脏器内外或脏器正常组织与病变组织之间的放射性浓度差别为基础的脏器或病变组织的显像方法。核医学成像的过程和基本条件：(1)、先把某种放射性同位素标记在药物上，形成放射性药物并引人人体内，当它被人体的脏器和组织吸收后，就在体内形成了辐射源。(2)、用γ射线检测装置可以从体外检测体内放射性核素在衰变过程中放出的γ射线，从而构成放射性同位素在体内分布密度的图像。由于放射性药物与一般天然元素或其他化合物一样，能够正常地参与机体的物质代谢，因此核医学成像的图像不仅反映了脏器和机体组织的形态，更重要的是提供了有关脏器功能及相关的生理、生化信息。核医学成像设备分类(一)、γ相机(二)、单光子体层成像设备（SPECT）(三)、正电子发射体层成像设备(PET)单光子发射型计算机体层设备SinglePhotonEmissionComputedTomography利用引入人体内的单光子放射性核素发出的γ射线，在体外测定其分布浓度并转化为电信号，在计算机辅助下经过重建影像，从而得到体层图像。什么是单光子？（1）SPECTSPECT实际上就是一个探头可以围绕病人某一脏器进行360°旋转的γ相机，在旋转时每隔一定角度（通常是5.6°或6°）采集一帧图片，然后经电子计算机自动处理，将图像叠加，并重建为该脏器的横断面、冠状面、矢状面或任何需要的不同方位的断层、切面图像。近年来为提高诊断的灵敏度、分辨率和正确性，同时缩短采集时间，双探头的SPECT也相继应用于临床中。SPECT同时也具有一般γ相机的功能，可以进行脏器的平面和动态（功能）显像。单光子体层成像设备（SPECT）SPECT的原理GE公司生产的SPECT设备及结构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γ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成像方法一个探头可以围绕病人某一脏器进行360°旋转的γ相