第八章--核医学成像设备

上海交通大学医学院附属瑞金医院李彪医学影像设备学第八章核医学影像设备重点难点核医学成像设备的基本部件准直器、晶体的基本结构、特点SPECT的基本结构及工作原理PET的基本结构及工作原理双模式分子影像技术和设备第一节概述目录一、发展简史二、分类及应用特点核医学定义核医学是研究核技术在医学中的应用及理论的学科。应用放射性核素或核射线诊断疾病、治疗疾病或进行医学研究的学科。核医学是医学与核物理学、核电子学、化学、生物学以及计算机技术等学科相结合的产物。也是和平利用原子能的重要方面。第一节概述核医学成像是一种以脏器内外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的显像方法。将放射性核素或其标记化合物引入体内，利用核医学成像仪器在体外探测体内放射性药物的分布并成像。亦称为功能成像或代谢成像，这是其他技术难以实现的。第一节概述第一节概述一、发展简史19501951井型晶体闪烁计数器闪烁扫描仪197619791957γ照相机PETSPECT2001PET/CTSPECT/CT2010PET/MR1951年，第一台闪烁扫描仪（BenedictCassen）1957年，第一台γ照相机（HalOAnger）1964年，商品化γ照相机1976年，第一台商业化PET（ECAT）1979年，第一台实用SPECT（DavidKuhl和Edwards）1998年，SPECT/CT（美国GE公司）2000年，PET/CT（美国CTI公司）2010年，全身一体化PET/MR（德国西门子公司）Landmarkinthehistoryofradionuclideimaging第一节概述Cassenandscanner(扫描仪)1951年美国加州大学的Cassen研制出第一台闪烁扫描仪（ScintillationScanner）；逐点打印方式获得器官的图像；促进了显像的发展；美国核医学会专门设立了“Cassenaward”。第一节概述DavidKuhl1952年美国Pennsylvania大学一年级医学生DavidKuhl设计了扫描机光点打印法。1959年用双探头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。1996年获得“Cassenaward”，被称为TheFatherofEmissionTomography可以认为，没有他的远见，核医学有可能不会发展成为具有特色的专业。Thefatherofemissiontomography第一节概述RobertNewell1952年RobertNewell发明了聚焦多孔准直器；提出了Nuclear一词。第一节概述Angerandγcamera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。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。第一节概述二、分类及应用扫描机照相机SPECTPET分子影像？StaticDynamicPlannerTomoFunctionalImagingMolecularFunctionalimaging21世纪Fusionimage第一节概述CrucialproteinCellstructureDNA,RNA,Enzyme2CH1VLVHCkCH3HCReceptor,TransporterSPECT/CTPET/CTPET/MRFusionimage第一节概述（一）γ照相机结构：闪烁探头、电子线路、显示记录装置以及一些附加设备。优势：通过连续显像可进行脏器动态研究；检查时间相对较短，方便简单，特别适合儿童和危重病人检查；显像迅速，便于多体位、多部位观察；通过图像处理，可获得有助于诊断的数据或参数。已逐步被SPECT以及之后的SPECT/CT所替代。第一节概述（二）SPECT结构：在一台高性能γ照相机的基础上增加了探头旋转装置和图像重建的计算机软件系统。优势：发现较小的病灶和深部病变，帮助定量分析。在心肌血流灌注、脑血流灌注、骨盆显像、全身显像等方面比γ相机具有明显的优势。兼有多种显像方式。提高灵敏度，缩短断层采集的时间，提高图像质量。第一节概述（二）SPECT不足：灵敏度低。衰减及散射影响较大：体内发射的光子碰到高密度物质(例如骨、准直孔边缘等)发生的散射同样也会使正常图像叠加上一幅完全不均匀的伪像。这一直是发射显像明显存在的固有缺陷。重建图像的空间分辨率低：固有空间分辨率为3～4mm半高宽度（fullwidthathalfmaximum，FWHM），重建图像固有空间分辨率为6～8mm。第一节概述（三）双探头符合线路SPECT结构：在常规双探头SPECT上通过改进探头设计、电子线路、图像校正和图像重建等方面，实现对正电子核素探测的影像设备。双探头SPECT符合探测外形图及原理示意图第一节概述优势：其在保证探测灵敏度和分辨率的前提下，兼顾常规低能核素显像与正电子核素显像（主要是18F-FDG），有效完成PET所具有的部分临床诊断任务。不足：空间分辨率、灵敏度、图像对比度和进行动态显像的能力显然不如专用PET；进行18F-FDG显像的检查时间较长，无法使用超短半衰期正电子核素（11C和15O等）。（三）双探头符合线路SPECT第一节概述（四）PET结构：探测器和电子学线路、扫描机架和同步检查床、计算机及其辅助设备。第一节概述（四）PET优势：所用正电子放射性核素（如11C、13N、15O等）可参与人体的生理、生化代谢过程；半衰期比较短。PET对射线的限束是电子准直（ElectronicCollimator），其灵敏度比SPECT高10～100倍；改善了分辨率（可达4mm），图像清晰，诊断准确率高。衰减校正更准确。可进行三维分布的“绝对”定量分析，远优于SPECT。第一节概述（五）动物核医学显像仪器分类：动物SPECT（micro-SPECT）和动物PET（micro-PET）。特点：设计及工作原理与临床SPECT和PET设备一样。应用对象：实验动物。具有更高的灵敏度和空间分辨率。目前主要应用于药物研发和疾病研究等生物医学基础研究。对动物进行活体、定量检查，获得活体内的动态信息，实验结果可直接类推至临床。第一节概述第二节核医学成像设备的基本部件目录一、基本结构与工作原理二、准直器三、闪烁晶体第二节核医学成像设备的基本部件一、基本结构与工作原理准直器闪烁晶体光电倍增管放射性探测器前置放大器定位电路显示记录装置机械支架和床探测器结构示意图γ照相机的组成：准直器（collimator）闪烁晶体光电倍增管（PMT）预放大器、放大器X、Y位置电路总和电路脉冲高度分析器（PHA）显示或记录器件等第二节核医学成像设备的基本部件第二节核医学成像设备的基本部件患者体内发出的γ射线↓准直器↓γ射线Na（Tl）晶体↓闪烁荧光光电倍增管↓电流前置放大器↓定位电路↓图像处理电路↓显示器↓照相机核医学成像设备基本部件示意图γ射线通过铅准直器孔道投射到晶体上；晶体产生的闪烁荧光可同时经光导传输到所有的光电倍增管上，靠近荧光点的光电倍增管接收到的光子多，输出的电脉冲幅度大；晶体中发生一个闪烁事件就会使排列有序的光电倍增管阳极输出众多的幅度不等的电脉冲信号，对这些信号经过权重处理，就可得到这一闪烁事件的位置信号P。闪烁荧光传输到各光电倍增管的示意图第二节核医学成像设备的基本部件定位电路在每个光电倍增管的输出端加一个与位置有关的权重电阻或权重延迟线，每个管输出的信号进行位置权重，再利用加法电路和减法电路将所有经过的位置权重的信号总和，利用比分电路得出这一事件将有的位置信号P。第二节核医学成像设备的基本部件光电倍增管工作原理第二节核医学成像设备的基本部件每一个光电倍增管都与4个电阻相连接，各电阻的阻值根据管的位置不同而异。任何闪烁事件发生在晶体的某个部位，相对应的光电倍增管通过位置权重电阻矩阵就会输出特有的位置信号和能量信号。每一个管都输出经过位置权重的X+、X－、Y+和Y－值，最后需由加法电路将各管的输出值按X+、X－、Y+和Y－分别总和起来而给出此事件的X、Y、Z信号。位置权重电阻矩阵示意图第二节核医学成像设备的基本部件二、准直器安置在晶体前方的一种特制屏蔽，使非规定范围和非规定方向的γ射线不得入射晶体，起定位采集信息的作用。第二节核医学成像设备的基本部件（一）准直器的主要性能参数1.几何参数2.空间分辨率3.灵敏度4.适用能量范围第二节核医学成像设备的基本部件1.几何参数包括孔数、孔径、孔长、孔间壁厚度，它们决定准直器的空间分辨率、灵敏度和适用能量范围等性能参数。准直器结构示意图第二节核医学成像设备的基本部件2.空间分辨率对两个邻近点源加以区别的能力，通常以准直器一个孔的线源响应曲线的FWHM作为分辨率（R）的指标，R越小表示空间分辨率越好。空间分辨率随被测物与准直器外口距离的增加而减低（因此，显像时应尽量将探头贴近受检者体表）。准直器孔径越小，分辨率越好。准直器越厚，分辨率也越高。第二节核医学成像设备的基本部件3.灵敏度灵敏度（S）为配置该准直器的探头实测单位活度（如1MBq）的计数率（计数／s）S=106×f×e×E•f为所测γ射线的丰度•e为光电子峰探测效率•E为准直器几何效率•此公式中未考虑射线在被检物体内的衰减。第二节核医学成像设备的基本部件4.适用能量范围主要由孔长及孔间壁厚度决定。高能准直器孔更长，孔间壁也更厚。•厚度0.3mm左右者适用于低能（＜150keV）射线探测•1.5mm左右者适用于中能（150keV～350keV）射线探测•2.0mm左右者适用于高能（＞350keV）射线探测第二节核医学成像设备的基本部件（二）准直器的类型1.按几何形状：针孔型、平行孔型、扩散型、会聚型2.按适用的γ射线能量：低能、中能、高能准直器3.按灵敏度和分辨率：高灵敏型、高分辨型、通用型准直器类型第二节核医学成像设备的基本部件第二节核医学成像设备的基本部件孔数（x1000个）准直器厚度(mm)孔壁厚度(mm)孔径(mm)距10厘米处灵敏度(cpm/uCi)几何分辨率，10厘米处(mm)系统分辨率，10厘米处(mm)透射率低能高分辨准直器(LEHR)14824.050.161.112026.47.51.5%低能通用准直器(LEAP)9024.050.21.453308.39.41.9%低能超高分辨准直器(LEUHR)14635.80.131.161004.66.00.8%低能扇形准直器(LEFB)64350.161.532806.37.31.0%中能准直器(ME)1440.641.142.9427510.812.51.2%高能准直器(HE)859.72413513.213.43.5%心脏专用机准直器4840.250.2-0.41.9285（@10cm）810(@28cm)6.957.4N/A某型准直器参数第二节核医学成像设备的基本部件三、闪烁晶体闪烁晶体是将γ射线或X射线转变为可见光的物质。射入NaI:Tl闪烁晶体的γ射线在闪烁晶体内与NaI:Tl晶体发生光电效应和康普顿散射，这时γ射线失去能量，发出近似紫色的闪烁光。NaI:Tl闪烁晶体是在NaI中掺入微量的Tl而形成的晶体；原子量大，对γ射线吸收效率高，能制成大型晶体。NaI:Tl闪烁晶体不耐急剧变化的温度，1小时内3℃的环境温度变化即可使其破损（将此称为潮解性）。NaI:Tl晶体的厚度一旦增加，其吸收γ射线的灵敏度也会升高，但分辨率会下降。第三节单光子发射型计算机断层扫描仪SinglePhotonEmissionComputedTomography目录一、基本结构与工作原理二、探测器三、机架四、检查床五、控制台和计算机六、外围设备第三节单光子发射型计算机断层扫描仪一、基本结构与工作原理（一）基本结构探测器（探头）、旋转机架、检查床、图像采集控制台和图像处理的计算机工作站以及外围辅助设备