医学成像原理核医学成像

1、主要内容 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 核医学成像的基本原理和技术核医学成像的基本原理和技术 第三节第三节 成像设备工作原理成像设备工作原理 第一节 概述 核医学的定义：核医学的定义： 核医学是核技术与医学相结合的学科 核医学的任务是用放射性核素及核技术来诊断、治疗及研究疾病。 核医学涉及的学科：核医学涉及的学科： 核物理、核电子、核探测、计算机控制及图像处理、数学、放射化 学、医学的各科等。 核医学成像过程：核医学成像过程： 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入体内，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入体内， 当他被人体的脏器和组织吸收以后，就在体

2、内形成了辐射源。用当他被人体的脏器和组织吸收以后，就在体内形成了辐射源。用射射 线检测装置可以在体外检测体内放射性核素在衰变过程中放出的线检测装置可以在体外检测体内放射性核素在衰变过程中放出的射射 线，从而构成放射性同位素在体内分布密度的图像。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化合物一样，能够参与机体的物质由于放射性药物与一般天然元素或化合物一样，能够参与机体的物质 代谢，因此核医学成像的图像不仅反映了脏器和集体组织的形态，更代谢，因此核医学成像的图像不仅反映了脏器和集体组织的形态，更 重要的是提供了有关脏器功能及相关的生理、生化信息。重要的是提供了

3、有关脏器功能及相关的生理、生化信息。 核医学发展简史：核医学发展简史： 99999999 1111131315151818 放射性核素显像放射性核素显像 Radio nuclear imaging, RNI 将放射性药物通过注射或口服引入体内，吸收后能在某一器官内积聚 而成为放射源。 用核素成像仪器探测处理，显示核素浓度分布，反映人体代谢（功能） 动态变化（物质的输运、集聚、排泄、物质代谢及其分布） RNI是四大医学影像之一 功能性显像为主，形态解剖结构显像为辅 主要技术： 相机； 单光子发射型计算机断层（SPECT）； 正电子发射型计算机断层（PET）； RNI技术特点： 检测灵敏度高； 1

4、0-1410-18g，一般化学方法难以测出； 定性、定量、定位； 测量简便：只对放射性核素示踪物进行测量； 准确性高：微量示踪物，不干扰研究对象的正常生理、生化过程； 功能性显像； 一、放射性一、放射性核素显像的技术特点显像的技术特点 示踪的基本根据： 同一元素的同位素化学性质相同，在生物体内的化学变化和生物学过程 相同，生物体不能区别，可以用放射性核素代替同位素中的稳定性核素； 放射性核素能放射出易被探测到的射线（示踪原子），放射性测量仪器 可以对它标记的物质进行定性、定量及定位测量。 放射性核素分布反映了体内脏器的功能和代谢情况。 如：甲状腺有摄取或浓集131I 的功能，131I 的摄取速

5、度和摄取量与甲 状腺功能状态有关。 二、核素示踪 核医学检查项目统计情况核医学检查项目统计情况 检查项目检查项目 所占比例所占比例(%) (%) 骨显象骨显象 25 25 脑显象脑显象 2 2 心肌血流灌注显象心肌血流灌注显象 35 35 肿瘤定位显象肿瘤定位显象 15 15 肝胆肝胆/ /肾脏显象肾脏显象 5 5 呼吸系统显象呼吸系统显象 12 12 甲状腺显象甲状腺显象 5 5 其他其他 1 1 注注: : 骨和心肌显象占骨和心肌显象占60%60%的总检查的总检查 三、放射性制剂三、放射性制剂 放射性药物是能够安全用于诊断的放射性标记化合物 标记物 放射性核素 被标记物 化合物（药物） 在

6、特定组织内选择性积聚 参与生理、生化代谢过程 125I 125I-胰岛素 18F 18F-脱氧葡萄糖（FDG) 例如： 核素要求 1.能量适中：100400KeV，一般临床应用50500KeV 太低易被机体吸收，探测效率低； 太高准值效果差（屏蔽困难），空间分辨率低 2.半衰期适中： T1/2 尽可能短减少辐射剂量； 核素在靶器官有合适的存留时间，保障探测采集足够的数据； 显像后，放射性药物应尽快地从体内清除掉，减少辐射危害。 一、核医学成像用放射性核素一、核医学成像用放射性核素 第二节 核医学成像的物理基础 4.稳定性好： 化学结构稳定，不易发生分解、氧化还原等化学反应； 核素与化合物结合稳

7、定，不因体内介质条件或生物活性物质的改变 （如酶作用）而发生分解、变性和脱落； 对自身辐射作用耐受能力高。 5.无毒害：核素的衰变产物应该是稳定产物。 3.易标记：合适的化学价态和较强的化学活性。 2. 碘(I )： 98% ; 668KeV(伴有射线)； 能量 (偏高，探测效率低，分辨率差）； T 1/2 8.04h 。 适合于甲状腺、肾、肝、脑、肺、胆显像，功能测量和治疗 常用于临床的放射性核素 1.锝（Tc)： 90% ; 不伴有辐射； 能量 140KeV(适合探测）； T 1/2 6.02h 适合所有器官显像。 3. 正电子衰变类（用于PET) 11C 20.3min; 13N 10m

8、in ; 15O 123 s ; 18F 110 min 优点： 人体的基本元素，易于标记各种生命所必需的化合物及其代谢产物，且易 于参与人体生理、生化代谢过程； T 短，检查时可给予较大的剂量，提高对比度和分辨率； 反映人体生理、生化、病理和功能等方面的改变。反映精神情感、思维、 行为等人脑的活动。 二、 能谱 光电效应光电效应(PE) (PE) 全部能量全部能量光电峰（全能峰）。表征核素特征光电峰（全能峰）。表征核素特征 康普顿康普顿散射散射部分能量、散射角部分能量、散射角脉冲幅度低、范围分布宽脉冲幅度低、范围分布宽义义： 计数率测定时，避免其他能量计数率测定时，避免其他能量射线的干扰；射

9、线的干扰； 鉴定放射性同位素种类和含量鉴定放射性同位素种类和含量 1956年Anger发明了闪烁相机 同时纪录各脏器核素的射线，成像时间短； 探头灵活，可进行多体位成像，使用方便； Polaroid相机一步显、定影，定时相机连续拍摄， 反映代谢过程的动态变化； The tumors are the dark areas 第三节 相机 探探 头头 位置信号位置信号 能量信号能量信号 照相照相 示波器示波器 XY Z 射线源射线源 一、一、照相机的基本结构照相机的基本结构 （一）探头装置 1、准直器 空间定位 作用：允许特定方向光子进入探测器， 屏蔽与孔角不符的散射光子。 材料：铅或铅合金； 屏蔽

10、效果好； 易加工 （一）探头装置（一）探头装置 不同类型准值器临床应用 类型类型 特点特点 临床应用临床应用 备注备注 针孔准直针孔准直 器器 对小脏器具有放对小脏器具有放 大作用大作用, ,计数率高计数率高 主要用于甲状主要用于甲状 腺显像腺显像 准直器到脏器的距离准直器到脏器的距离 影响脏器图像的大小影响脏器图像的大小 平行孔准平行孔准 直器直器 准直器到脏器的准直器到脏器的 距离影响图像质距离影响图像质 量量, ,但不影响脏器但不影响脏器 大小大小. . 临床上最常用临床上最常用 的准直器的准直器, ,适用适用 于各脏器于各脏器 扇型准直扇型准直 器器 明显提高计数率明显提高计数率, ,

11、 图像分辨率不受图像分辨率不受 影响影响 常用于脑显像常用于脑显像 使用扇型准直器时使用扇型准直器时, ,不不 能同时使用实时人体能同时使用实时人体 轮廓技术轮廓技术 准直器类型准直器类型 孔径孔径 mm mm 孔数孔数 （个）（个） 长度长度 (mm) (mm) 壁厚壁厚 (mm) (mm) 系统灵敏系统灵敏 度度 kps/m kps/m Ci Ci 系统分辨率系统分辨率 (mm) (mm) 低能通用低能通用 准直器准直器 1.9 1.9 32900 32900 35 35 0.2 0.2 270 270 8.7 8.7 低能高分辨低能高分辨 准直器准直器 1.5 1.5 18100 181

12、00 35 35 0.2 0.2 160 160 7.9 7.9 中能通用中能通用 准直器准直器 2.3 2.3 10000 10000 33 33 1.5 1.5 190 190 10.7 10.7 高能通用高能通用 准直器准直器 2.6 2.6 5400 5400 36 36 2.6 2.6 140 140 10.4 10.4 不同准值器的物理性能不同准值器的物理性能 2、闪烁晶体 闪烁体：掺入约0.5%铊 (Tl) 做激活剂的碘化钠 (NaI) 透明晶体。 NaI(Tl)晶体优点： 射线阻滞本领高（探测效率高）； 荧光闪烁时间短（时间分辨力高）； 荧光光子数与射线能量的线性关系好 光学收

13、集系统 提高光电转换传输效率（减少反射） 反射层（氧化镁）和光耦合剂（硅油、甘油等）组成光收集系统 光导：非直接耦合 材料：聚乙烯基甲苯、有机玻璃、光导纤维等 3、光电倍增管 光电转换： 光敏阴极受激产生光电子 光电倍增：（106108） 电信号放大； 光子的数目越多，相应的脉冲数目也越多。 （二）电子学系统（二）电子学系统位置信号和位置信号和 Z Z 信号信号 将光电倍增管输出的电脉冲 信号转换为确定晶体闪烁点位 置的X、Y信号和确定入射射 线的能量信号。 （三）显示和记录（三）显示和记录 基本显示装置示波器 记忆示波器储存图像； 普通示波器照相； 普通示波器图像观察 功能测定装置计数率仪

14、将计数率转化为直流电信号，绘制放射性活度随时间变化曲线， 显示脏器功能状况 二、照相机的性能指标及质量控制 测试标准测试标准： 美国电器制造商会美国电器制造商会(NEMA)(NEMA)标准标准 National Electrical Manufacturers Association 空间分辨力：空间分辨力： 两个点（线）源的分辨距离；两个点（线）源的分辨距离； 半高宽度半高宽度FWHMFWHM； 调制传递函数调制传递函数MTFMTF 图像质量控制：图像质量控制： 探测灵敏度和图像的线性探测灵敏度和图像的线性 幅度分析器窗位幅度分析器窗位全能峰全能峰 探测灵敏度探测灵敏度对比度、均匀性等对比度

15、、均匀性等 准直器、准直器、X X、Y Y位置线路位置线路图像图像 线性线性图像与实物比例、对称性图像与实物比例、对称性 第四节第四节 单光子单光子ECTECT ECT类型： ECT利用相机原理，加入计算机信息处理功能，可对某一断层 进行成像。据射线源性质的不同，ECT可分为两类。 SPECT(Single Photon ECT): 探测的示踪核素为放射出 射线（单光子）的核素； PECT(Positron ECT)： 探测的核素为放射出正电子（+）的核素。 SPECTSPECT断层厚度断层厚度：采集全部数据并处理后任意选定 SPECTSPECT成像原理成像原理： 2 2、数据的衰减校正、数据

16、的衰减校正 平均衰减校正平均衰减校正： 设人体等密度，衰减只与光子路经有关；设人体等密度，衰减只与光子路经有关； 人体或脏器假定为椭圆；人体或脏器假定为椭圆； 据指数衰减公式建立断层衰减图；据指数衰减公式建立断层衰减图； 据图给出的光子通量与路径的关系对断层图像上各像素进行信号强度补偿据图给出的光子通量与路径的关系对断层图像上各像素进行信号强度补偿 SPECTSPECT是通过是通过射线的体外技术来标定体内放射性活度，无衰减时计射线的体外技术来标定体内放射性活度，无衰减时计 数率正比于放射性活度数率正比于放射性活度 断层中断层中射线的衰减与路经和组织成分等因素有关射线的衰减与路经和组织成分等因素

17、有关 3 3、旋转中心偏移检查、旋转中心偏移检查 断层时加以校正断层时加以校正 1.5mm 1.5mm（约（约0.50.5像素）像素） 4 4、断层均匀性测量、断层均匀性测量 圆柱体模型圆柱体模型 99m99mTc Tc溶液溶液 555MBq555MBq 计算模型计算模型 断层图像断层图像 相对误差相对误差 断层断层 5 5、断层分辨力的测量、断层分辨力的测量 采集三个点源断层数据采集三个点源断层数据重建断面图像重建断面图像求求 FWHMFWHM 6 6、总体性能评价、总体性能评价 3603600 0 采集数据，经均匀度、衰减校正，重建横向断层图采集数据，经均匀度、衰减校正，重建横向断层图 像

18、，确定分辨阳模和阴模的极限值像，确定分辨阳模和阴模的极限值 SPECT的临床应用 SPECTSPECT影像仅描绘了体内组织和脏器断影像仅描绘了体内组织和脏器断 层中放射性核素的浓度（生理、生化层中放射性核素的浓度（生理、生化 过程）分布，这种分布不是有关断层过程）分布，这种分布不是有关断层 的解剖学形态的解剖学形态. . 1 1、全身骨显像、全身骨显像: : 1 1）恶性肿瘤骨转移的早期诊断）恶性肿瘤骨转移的早期诊断: :骨显骨显 像可较像可较X X线片提前线片提前3-63-6个月发现病变个月发现病变 2 2）原发性骨骼肿瘤累及范围的判断和）原发性骨骼肿瘤累及范围的判断和 疗效观察。疗效观察。

19、 3 3）股骨头无菌性坏死的早期诊断。）股骨头无菌性坏死的早期诊断。 2 2、局部脑血流灌注断层显像、局部脑血流灌注断层显像(rCBF): 1.TIA1.TIA: : 发作后发作后CTCT和和MRIMRI多为阴性多为阴性,rCBF,rCBF显像可发现近显像可发现近50%50%的患者脑内的患者脑内 有缺血性改变。有缺血性改变。 2.2.脑梗死脑梗死: : 诊断阳性率近诊断阳性率近100%,100%,在发病早期病变区无明显结构变化在发病早期病变区无明显结构变化 时即可显示异常。时即可显示异常。 3.3.神经科疾病病灶的定位诊断神经科疾病病灶的定位诊断: : 发作间期显像阳性率约发作间期显像阳性率约

20、60%,60%,远高于远高于 CT(CT(约约25%)25%)和和MRIMRI检查。检查。 4.4.早老性早老性痴呆痴呆(Alzheimer(Alzheimer病病) )和多发性梗塞性痴呆的鉴别诊断和多发性梗塞性痴呆的鉴别诊断 Brain Imaging This figure is a transverse SPECT image of the brain. Note the hot spots present in the right posterior region. Scan indicating malfunction of the left kidney 第五节第五节 正电子发射型

21、计算机断层正电子发射型计算机断层（PET） PET采用贫中子的短寿命同位素 11C、13N、15O、18F，是构成人体的主 要元素，放射出的 + 射线产生的湮没光子实现断层显像。便于“跟 踪”、“探测”人体生理、生化活动，不干扰机体结构和生物变化过程 一、概述一、概述 正电子湮灭前在人体组织内行进正电子湮灭前在人体组织内行进1-3mm 1-3mm 同时产生互成同时产生互成180180的的511 keV511 keV的的光子。光子。 利用符合计数法探测淹没辐射的光子 1、自准直符合计数方法 位于扫描断层两侧的一对探头同时接收到湮没光子时，符合计数探测要 求，才有信号输出（符合事件，否则为无效辐射

22、）。 二、二、PETPET成像原理成像原理 探头探头 能量、时间鉴别 能量、时间鉴别 与门 符合检测电路 符合测定 符合探测时间 108 s 直线性： 一对互成1800 的探头，探测体内发射出的互成1800 的光子， 电子准直探测效率高。符合线路 同时性：15ns 内进入的 2 个 光子视为同时发生的 光子，予以探测 高精度时间控制器 符 合 探 测 原 理 各种符合事件各种符合事件 同时同地；互成同时同地；互成1800；511keV 无时间与空间相互关系无时间与空间相互关系 能量小于能量小于511MkeV,511MkeV,不成不成1800 事件事件 PET的电子准直 19641964年环状年

23、环状 头部头部PETPET 省去了沉重的铅制准直器，改进了点响应函数的灵敏度和均匀性。省去了沉重的铅制准直器，改进了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。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。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。光子，极大地提高了探测灵敏度。 PETPET的的灵敏度灵敏度比比SPECTSPECT高高1010倍以上。倍以上。 使用铅准直器的使用铅准直器的SPECTSPECT系统系统分辨率分辨率为为8 816mm16

24、mm，而电子准直的，而电子准直的PETPET系统系统 分辨率为分辨率为3 38mm8mm。 a) SPECT detection system; b) PET detection system. PET电子准直的特点 电子准直的特点 环绕 360排列多组配对探头，探头对间符合线路检验判定每只探头信 号，排除其它来源射线的干扰，得到探头对连线上的一维信息； 用滤波反投影方式，将信号按探头对的空间位置向中心点反投射，便可 形成与探头组连线轴平行的断层面正电子发射示踪剂分布图像。 探测方式一次只反映一个层面的信息，实用中常用多层排列的探头对， 配合层间符合线路，以利探测并重建更多层面的图像。 n 个

25、环 2n 1个断层像： n 个同环符合探测； n 1 个邻环符合探测 Illustration of a brain PET scanner based on 12 camera modules 2 2、PETPET图像重建图像重建 PETPET系统工作流程系统工作流程 回旋加速器回旋加速器 产生同位素产生同位素 热配室热配室 化学合成同位素示踪剂化学合成同位素示踪剂 注射入人体注射入人体 PETPET扫描扫描 采集投影数据采集投影数据 重建获得的浓度分布像重建获得的浓度分布像 临床分析诊断临床分析诊断 三、投影数据误差校正 1、衰减校正 符合探测器测得射线强度符合探测器测得射线强度 均匀衰减

26、量只与符合线穿过组织厚均匀衰减量只与符合线穿过组织厚 度相关度相关 校正：用体外线源（如68Ga棒） 绕成像体旋转，测得 I 空扫测得原始强度 I0 衰减率衰减率校正因子校正因子： b a b 0 a 0 dl 0 dldl 0 eIeeII 0 I / I 2、假符合校正 设置隔片阻挡射线；设置隔片阻挡射线； 采用闪烁时间短的晶体；采用闪烁时间短的晶体； 增设偶然符合电路等增设偶然符合电路等 粒子的动量的变化导致粒子的动量的变化导致511 keV511 keV光子在探测野中产生约光子在探测野中产生约4 4弧度的不确弧度的不确 定性偏离。定性偏离。 对探测环横断面视野直径为对探测环横断面视野直

27、径为70cm70cm的的PETPET，导致，导致2 23mm3mm的位置不确定性。的位置不确定性。 对大视野对大视野PETPET而言，最高分辨率约为而言，最高分辨率约为3 34mm4mm。 校正：图像重建之前，由待测区轮廓和扫描路程精确进行校正 3 3、电子能量的影响、电子能量的影响 PET的技术优势 应用人体自身分子的主要元素的放射性核素制备示踪分子。准确地反映机 体的代谢情况，可提供独特的生理性示踪研究和活体生化显像。因而被称为 “生化断层”或“生命断层”。 正电子核素半衰期极短，如11C、13N、15O和18F的半衰期分别为20、10、2和 110min。对人体的辐射剂量甚低，需要时可在

28、一次研究中多次重复检查。 采用符合线路（Coincidence Circuit），以电子准直取代铅准直探头， 故灵敏度高（不受探测深度限制）、对比度好，如PET的灵敏度较常规相 机高10100倍，分辨率（FWHM）达4mm，可有效地检出1cm大小的病灶 均匀度好，有利于数学重建图像，可作组 织的衰减校正和时间校正，校正后数据准确 可靠，便于作定量分析，探测效率高。 真正的3D探测技术，显示全身的横断、冠 状和矢状断面各方位的断层影像。 PET 三维 重建 图像 四、四、PETPET的优势及其缺点的优势及其缺点 的应用评价和发展趋势 主要应用于神经系统（1535）、心血管疾病（1525）、 肿瘤

29、学研究（6585）等。 1.在神经系统疾病的应用 PET显像用于脑血管疾病（CVD）、神经科疾病、老年性痴呆、帕金森病 （PD）、神经退行性疾病、神经精神药物研究与脑功能研究等很有价值。 2.在心脏病学研究中的应用 PET主要用于隐性、高危和疑难冠心病诊断，心肌存活的检测、介入治疗 前后监测、心脏移植、心肌病等的诊断及治疗随访观察等。应用18FFDG PET显像观察心肌代谢是冠心病诊断的金标准，是目前应用最多的项目。 3.在肿瘤诊断与研究中的应用 PET在肿瘤学的诊断与研究中主要用于良恶性鉴别，肿瘤分期、分型、 复发、转移的早期诊断和鉴别，以及恶变过程的观察与基础研究等。 冠心病冠心病心肌缺血

30、心肌缺血 良性脑膜瘤在良性脑膜瘤在PET上呈低代谢区上呈低代谢区 Whole body PET scans showing the distribution of radiolabeled monamine oxidase in one of the nonsmokers and one of the smokers. Red is the highest radiotracer concentration; purple is the lowest. Images are scaled so that they can be compared directly. 主要缺点： 图象粗糙：目前大

31、多数PET的整体分辨率在46mm左右，最好的PET分辨率也 在2mm以上，远低于CT、B型超声和MRI； 检查时间长：需时1530min，加上准备工作，病人科内滞留期常达1小时以 上； 图像释读和分析不易掌握； 环境和人员保护问题，核素及示踪剂供应的限制。 PET发展趋势： 受体显像 PET生理数学模型研究 PET新技术研究 PET分子水平显像技术研究 PET/CT的发明是医学影像 学的又一次革命 PETPETPET/CTPET/CT的主体的主体 CTCT的作用：的作用： 为PET提供衰减校正 为PET提供解剖位置信息 提供诊断信息 PET/CT的特点 CTCT与与PETPET硬件、软件同机融

32、合硬件、软件同机融合 解剖图像与功能图像同机融合解剖图像与功能图像同机融合 同一幅图象既有精细的解剖结构又有丰富生理、生化分子功能信息同一幅图象既有精细的解剖结构又有丰富生理、生化分子功能信息 可用于肿瘤诊断、治疗及预后随诊全过程可用于肿瘤诊断、治疗及预后随诊全过程 高灵敏度、高特异性、高准确性高灵敏度、高特异性、高准确性 CTCT图像兼做衰减校正图像兼做衰减校正 PETPET、CTCT单独能实现的，单独能实现的，PET/CTPET/CT一定能实现；一定能实现；PET/CTPET/CT能实现的，能实现的，PETPET 或或CTCT不一定能实现不一定能实现 核医学检查项目统计情况核医学检查项目统

33、计情况 检查项目检查项目 所占比例所占比例(%) (%) 骨显象骨显象 25 25 脑显象脑显象 2 2 心肌血流灌注显象心肌血流灌注显象 35 35 肿瘤定位显象肿瘤定位显象 15 15 肝胆肝胆/ /肾脏显象肾脏显象 5 5 呼吸系统显象呼吸系统显象 12 12 甲状腺显象甲状腺显象 5 5 其他其他 1 1 注注: : 骨和心肌显象占骨和心肌显象占60%60%的总检查的总检查 2. 碘(I )： 98% ; 668KeV(伴有射线)； 能量 (偏高，探测效率低，分辨率差）； T 1/2 8.04h 。 适合于甲状腺、肾、肝、脑、肺、胆显像，功能测量和治疗 常用于临床的放射性核素 1.锝（Tc)： 90% ; 不伴有辐射； 能量 140KeV(适合探测）； T 1/2 6.02h 适合所有器官显像。 不同类型准值器临床应用 类型类型 特点特点 临床应用临床应用 备注备注 针孔准直针孔准直 器器 对小脏器具有放对小脏器具有放 大作用大作用, ,计数率高计数率高 主要用于甲状主要用于甲状 腺显像腺显像 准直器到脏器的距离准直器到脏器的距离 影响脏器图像的大小影响脏器图像的大小 平行孔准平行孔准 直