核医学影像设备与应用ppt课件

核医学影像设备与应用 1 教学目标： 1. 熟悉核医学的成像原理以及其作用与功能 2. 掌握 成像 的特点与优缺点 3. 了解主要的 核医学 新技术进展与应用 2 第九章 核医学影像设备与应用 n 核医学，又称原子（核）医学 n 核医学是研究同位素及核辐射的医学应用 及理论基础的科学 n 核医学最重要的特点是能提供身体内各组 织功能性的变化，而功能性的变化常发生 在疾病的早期 n 核医学显像具有简单、灵敏、特异、无创 伤性、安全、易于重复、结果准确等特点 3 9.1 核医学影像设备简介 n 核医学影像设备是指探测并显示放射性核 素药物 (俗称同位素药物 ) 体内分布图像的 设备。 n 核医学影像检查 ECT与 CT、 MRI等相比 ，能够更早地发现和诊断某些疾病。 n 核医学显像属于功能性的显像，即放射性 核素显像。 4 9.1.1 核医学影像设备发展概况 核医学仪器伴随着核医学这门学科的飞快 的速度向前发展。 核医学仪器与核医学本身是共生的 , 它渗 透在整个核医学治疗的过程中 , 无论是过 去单功能的测量仪还是现在综合大型检测 仪 , 以及最新发展起来的各种治疗仪都推 动核医学的发展。 5 1. 核医学影像设备的发展历史 n 1896年，法国物理学家贝克勒尔在研究铀矿时发现，铀 矿能使包在黑纸内的感光胶片感光，这是人类第一次认 识到放射现象，也是后来人们建立 放射自显影 的基础。 n 1898年，马丽 居里与她的丈夫皮埃尔 居里共同发现了 镭，此后又发现了钚和钍等许多 天然放射性元素 。 n 1923年，物理化学家 Hevesy应用天然的放射性同位素铅 - 212研究植物不同部分的铅含量，后来又应用磷 -32研究 磷在活体的代谢途径等，并首先提出了 “示踪技术 ”的概 念。 n 1926年，美国波士顿内科医师布卢姆加特（ Blumgart） 等首先应用放射性氡研究人体动、静脉血管床之间的循 环时间，在人体内 第一次应用了示踪技术 。 6 n 1951年，美国加州大学的卡森（ Cassen）研制出 第一台扫 描机 ，通过逐点打印获得器官的放射性分布图像，促进了 显像的发展。 n 1957年，安格（ Hal O. Anger）研制出 第一台 照相机 ，称 安格照相机，使得核医学的显像由单纯的静态步入动态阶 段，并于 60年代初应用于临床。 n 1959年，他又研制了双探头的扫描机进行断层扫描，并首 先提出了发射式断层的技术，从而为日后 发射式计算机断 层扫描机 ECT 的研制奠定了基础。 n 1972年，库赫博士应用三维显示法和 18F-脱氧葡萄糖（ 18F-FDG）测定了脑局部葡萄糖的利用率，打开了 18F- FDG检查的大门。他的发明成为了正电子发射计算机断层 显像（ PET）和单光子发射计算机断层显像（ SPECT）的 基础，人们称 库赫博士为 “发射断层之父 ”。 7 2. 当前核医学影像设备的应用概况 n 目前广泛使用的单光子发射计算机断层（ SPECT），已从单探头、双探头和三探头，直 至现在发展为带衰减校正的能进行符合线路成像 的 SPECT n PET-CT的出现使医学影像技术进入了一个新的 阶段 n 分子生物学技术的迅速发展以及与核医学技术的 相互融合，形成核医学又一个新的分支学科 分 子核医学 （ molecular nuclear medicine） n 把两种设备的图像融合起来进行分析 8 3. SPECT与 PET-CT的区别 n 核医学中把应用计算机辅助断层技术进行 显像的设备统称为 ECT，它是医学影像技 术的重要组成部分。 ECT的中文名称为发 射型计算机断层显像，是其英文名称缩写 而成（ Emission Computed Tomography） 。 n ECT实际上又包括两大类设备即 SPECT和 PET-CT 9 SPECT并不是一种很新的设备，其由 Kuhl 等人于 1979年研制成功。经过多年不断的改进， SPECT技术已经有了很大的发展，产生了许多 不同型号、不同档次的产品，但是其显像的基本 原理没有变化，总体上仍属于比较低端的核医学 设备。目前国内很多三级以上医院都已经配备 SPECT，数量达 300台以上，主要用于全身骨骼 、心肌血流、脑血流、甲状腺等显像。 10 ECT的另一类设备 PECT是以发射正电子的 放射性核素做为发射体，称为正电子发射型计算 机断层显像，其英文名称为 positron emission computed tomography，即我们通常所说的 PET 。 PET是核医学领域中最先进的显像设备，被视 为核医学史上划时代的里程碑，是最高水平核医 学的标志。 11 PET所应用的显像剂如 C-11、 N-13， O-15等都是人 体组织的基本元素，易于标记到各种生命必须的化合物 、代谢产物或类似物上而不改变它们的生物活性，且可 以参与人体的生理、生化代谢过程，因而能够深入分子 水平反映人体的生理、生化过程，从功能、代谢等方面 前面评价人体的功能状态，达到早期诊断疾病、指导治 疗的目的。定性准确和一次性完成全身显像的特点极大 地促进了其在肿瘤、脑神经系统疾病以及心脏病等方面 的应用。我国于 1995年由山东淄博万杰医院引进国内第 一台 PET，其后增长较为缓慢。 12 PET的先进性显而易见，但其最大的缺点是解剖结 构显示不够清晰。因此人们尝试把擅长功能显像的 PET 与擅长显示解剖结构的全身 CT结合起来，于是在 2000年 世界上第一台同机一体化 PET/CT在美国 CTI公司研制成 功，被美国 时代 杂志评选为年度最伟大的发明创造 。由于 PET/CT是目前最先进的 PET与最好的多排螺旋 CT的完美组合，达到了一加一大于二的效果，一举成为 目前最豪华的医学影像诊断设备。 PET与 CT的同机组合 极大地提高了临床医生对 PET的认知度，所以一经问世 便在世界范围内高速增长。 2002年第一台 PET/CT在国内 安家落户，目前 PET/CT在国内已经呈献快速发展的趋势 。 13 总体上讲， SPECT与 PET相比二者可以说 具有本质的区别，数据表明， SPECT的最高探 测效率仅为 PET的 1%-3% 左右，图像质量远不 能与 PET/CT相比，诊断效能上差距较大。二者 一种是普及型的低端产品，价格较低；一种是世 界上公认的最高档次的医学影像诊断设备，价格 昂贵、投资巨大，很难普及和推广。 14 PET/CT和其他检查的区别： 单纯 X线 CT成像的基础是根据人体组织对外源性 X 线的吸收程度不同来判断人体组织器官的结构改变情况 ；磁共振检查是将人体置入外加磁场内，然后探测人体 内组织成分的磁信号变化情况；而 PET检查是探测人体 内物质（或药物）代谢功能的动态变化。三者的成像原 理有本质的区别。而我们目前使用的 PET/CT是 PET和 CT两种技术的完美结合，相互补充。 PET/CT这种技术 的组合可以大大提高临床诊断的准确性（如需要对体内 单个孤立性小病灶进行良恶性鉴别诊断和手术前定位等 ），包括精确的定位和定性等，是其他检查不能比拟的 。 15 9.1.2 核医学影像设备功能 1.相机 n 相机是核医学影像设备中最基本、最实用，而且最重要的一种。 相机，又称闪烁照相机（ Scintillation Camera），是一种能对脏 器中的放射性核素分布进行一次成像和连续动态观察的仪器。该仪 器主要由四部分组成，即 闪烁探头 、 电子学线路 、 显示记录装置 以 及 附加设备 。 n 相机可同时记录脏器内各个部份的射线，以快速形成一帧器官的 静态平面图像，同时因其 成像速度快 ，亦可用于获取反映脏器内放 射性分布变化的连续照片，经过数据处理后，可观察脏器的动态功 能及其变化，因此 相机既是显像仪又是功能仪。 n 提高 相机性能的关键是增加它采集的信息量 ,特别是断层采集 16 2. ECT n 发射式计算机断层（ Emission Computed tomography ， ECT）是利用仪器探测人体内同位素动态分布成像，并 通过计算机进行数据处理和断层重建，来获得脏器或组织 的横断面、矢状面以及冠状面的三维图像的。它可以做功 能、代谢方面的影像观察，是由电子计算机断层（ CT）与 核医学示踪原理相结合的高科技技术。 n ECT分为两大类，一类是以发射单光子的核素为示踪剂的 ，即单光子发射计算机断层显像仪（ single photon emission computed tomography， SPECT）；而另一 类是以发射正电子的核素为示踪剂的，即正电子发射计算 机断层显像仪（ positron emission tomography， PET ）。 17 （ 1） SPECT n 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 相机，在旋转时每隔一定角度（通常是 3 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。 n 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 相机的功能，可以进行脏器的 平面和动态（功能）显像。 18 （ 2） PET n PET是目前在分子水平上进行人体功能显像的最先进的 医学影像技术，它的 空间分辨率明显优于 SPECT。 n PET的基本原理是利用加速器生产的 超短半衰期同位素 ，如氟 -18、氮 -13、氧 -15、碳 -17等作为示踪剂注入人体 ，参与体内的生理生化代谢过程。这些超短半衰期同位 素是组成人体的主要元素，利用它们 发射的正电子与体 内的负电子结合释放出一对伽玛光子 ，被探头的晶体所 探测，得到高分辨率、高清晰度的活体断层图像，以显 示人脑、心脏、全身其它器官以及肿瘤组织的生理和病 理的功能及代谢情况。 n PET在临床医学的应用主要集中于 神经系统、心血管系 统、肿瘤三 大领域。 19 现代医学影像技术 名称 成像参数 性质 X线 CT 衰减系数、 CT值 解剖结构 B超 超声波反射 解剖结构 MRI 质子密度、 T1、 T2、 解剖、功能 化学位移 SPECT 放射性浓度 代谢功能 PET 放射性浓度 代谢功能 PET/CT 放射性浓度 代谢功能 衰减系数、 CT值 和解剖SPECT、 PETECT( emission computed tomography) 20 核医学发展的两大支柱 n 放射性药物 -诊断、治疗 n 关键点是特异性 n 其次是稳定性 如： 11C-胸腺嘧啶 - DNA合成金标准，不稳定； 18F-FLT 氟标胸腺嘧啶。稳定，但由于 3端 的置换，其磷酸化后不能进一步参与 DNA合成 ，又不能通过细胞膜返回，被局限在细胞内。 n 核探测技术 -影像定位、定量 21 核医学 -示踪原理 示踪剂： 参与体内某一生理代谢过程的物质 + 发射 可探测射线的核素 = 形成示踪剂 。 例如：脱氧葡萄糖 DG + 发射正电子的 18F = 18F-FDG 代谢过程： 静脉注入后，通过毛细血管壁进入组织 。对不同的示踪剂，有些直接参与体内代谢，有些则 被限制在某些特定的组织区域。由于示踪剂在体内的 分布与代谢过程是动态的，所以体内各组织部位的示 踪剂浓度是不断地变化的。 探测： 在示踪剂注入体内后的 整个过程中，都可使 用扫描仪在体外探测示踪剂发出的辐射信号，从而确 定示踪剂在体内的位置，由此得到示踪剂在体内的代 谢过程与分布图像。 22 核医学显像原理 n 利用放射性药物 用 放射性核素 标记的示踪剂 引入体内 n 参加特定生物活动 被特定的 组织摄取 定位，定性 ,定量反映体内代谢情况 n 探测显像 显像设备 ,显像条件 , 操作程序 n 活体 , 分子水平 活体内 示踪剂 分子行为 23 核医学显像设备 n 核医学显像设备探测 射线 n 相机 (scintillation gamma camera) 1958年 H. Anger发明， Anger相机 n SPECT (single photo emission computed tomography) 20世纪 80年代，单光子发射断层扫描仪 n PET ( positron emission tomography) 20世纪 90年代，正电子发射断层扫描仪 n PET/CT 21世纪，功能图像和解剖图像有机融合 24 相机 照相机 照相机主要由探测器、电子线路、 监视 装置和机架等部分组成。 探测器组成 : 准直器、 闪烁晶体、 光导、 光电倍增管、 前置放大器 定位网络电路（或称模拟计算电路 ）等 25 相机构成相机构成 26 27 探测原理 n 射线入射到 晶体上，使晶体原子激发。 n 退激回到基态，发射荧光 。 n 一个 光子产生多个荧光光子。 n 光电倍增管接受这些荧光，并将之转换为 电信号。 n 经过定位电路确定出入射 光子的位置 n 放大、甄别后，记录一个计数。 28 n 闪烁晶体多采用厚 1.27cm、直径为 29.2cm或 40.6cm的 NaI(TI)晶 n 体，密封在具有玻璃窗口和氧化镁反射层的金属壳内以防潮解。 n 由于温度剧变可致晶体破裂，因此要求使用环境温度保持在 n 1035 之间，温度变化不应超过 3/h 。在晶体上方装有按六角 n 形排列的光电倍增管 19个或 37个。光电倍增管的数目可多达 91 n 个。闪烁晶体与光电倍增管之间用有机玻璃板作为光导，光导与 n 闪烁晶体及光电倍增管之间涂有硅油作为光耦合，以减少光透过 n 两种光介质面时的损失。每个光电倍增管的输出各经一个前置放 n 大器加到和光电倍增管的排列位置相对应的定位网络电路上。定 n 位网络电路现多采用电阻矩阵电路。 n 园盘状的探测器置于被测部位体外。当受检者服用放射性同位 n 素标记药物，吸收放射性药物的器官辐射出粒子，被置于体外的 n 探测器中的闪烁晶体检测器接收，产生出可见光光子，光子经光 n 导耦合射到由光电倍增管构成的六角晶体状排列的阵列，各个光 n 电倍增管输出的电脉冲信号经电子线路的处理和位置计算，形成 n X-Y位置上的光点信号，在荧光屏的相应位置上产生闪烁光点。径 n 过一定时间积累，便可获得一幅二维的闪烁图像。 29 准直器、闪烁晶体、光电倍 增管的作用 30 闪烁 照相机 （ 1）探头 探头是 相机的核心部件，它包括准直器、闪烁晶 体、光电倍增管、前置放大电路、光导和定位网络电路等 。图 (a)是由 19个光电倍增管构成的闪烁 相机探头。 31 闪烁 照相机 （ 2）电子线路部份 n 如图所示， 相机的电子线路部份主要由能 量信号通道和位置信号通道两部份组成。位 置信号通道对 X+， X-， Y+和 Y-进行处理得到 X=（ X+-X-） /Z和 Y=（ Y+-Y-） /Z的位置信号 ，这是闪烁光点的位置。 （ 3）显示系统 n 显示系统由示波器和照相机组成，照相机可 以对准显示荧光屏进行摄影。目前 相机的 显示系统都由微型计算机的显示器实现。 32 闪烁 照相机 3 相机成像原理 n 相机把人体脏器内的放射性核素的三 维分布变成一张二维分布的图像或照 片 . 33 闪烁 照相机 34 脉冲幅度分析器 pulse height analyzer(PHA) n 经放大的电脉冲幅度 入射 射线能量 n 只选择一定能量范围，剔除散射、噪声 甄别 例如， 99mTc, 能窗 135 145keV n 单道脉冲分析器 -单能窗 n 多道脉冲分析器 -多能窗 35 SPECT- single photo emission computed tomography n 相机 -发射 ，平面图像（透射 X平片） n SPECT-发射 ，断层图像（透射 CT） n 相机探头绕人体旋转 n 获得各个方向的投影（平面）像 n 图像重建 -滤波反投影、迭代 n 获得断层图像 n 图像重建算法 -使图像更接近真实 n 一直是核医学中的一个重点研究方向。 36 SPECT 37 38 39 PET-positron emission tomography n 正电子核素 18F、 15O 、 13N、 11C， 人体基本元素 ，更能反映体内代谢 n 发射出正电子，与一个负电子发生湮灭辐射 e+e- 2（ 511keV， E=mc2) n 探测正电子湮灭辐射发出的双光子 n 不加准直器 n 符合探测，探测环 n 灵敏度、分辨率 40 n 正电子发射型 CT n 正电子发射型 CT(PET)主要由探测器、机架、控制台、计算机及其外 围设备组成。 n 基本原理 : n 引入体内的示踪元素放射出正电子，这一正电子迅速在衰变地点和 电子复合产生两个方向相反的 511keV的 射线对，这一对 粒子和 被一对探测器捕获，并由符合电路判定其直线位置。因为探测器的 空