医学成像-第四章：放射性核素成像

1、生物医学工程 医学成像技术第四章 放射性核素成像系统核医学o又称原子（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，是核技术和医学相结合的一门新兴学科，也是人类和平利用原子能的一个重要方面。o核医学的任务是用核技术诊断、治疗和研究疾病。o核医学诊断技术包括脏器显像、功能测定和体外放射免疫分析。核医学的方法o在进行脏器显像和/或功能测定时，医生根据检查目的，给病人口服或静脉注射某种放射性示踪剂，使之进入人体后参与体内特定器官组织的循环和代谢，并不断地放出射线。o这样我们就可在体外用各种专用探测仪器追踪探查，以数字、图像、曲线或照片的形式显示出病人体内脏器的形态和功能。核医学的特点o核

2、医学显像方法简单、灵敏、特异、无创伤性、安全（病人所受辐射剂量低于一次X摄片所受剂量）、易于重复、结果准确、可靠，并能反映脏器的功能和代谢，因此在临床和基础研究中的应用日益广泛。核医学仪器o照相机n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n可观察脏器的动态功能及其变化n既是显像仪又是功能仪oECTnSPECTnPET 放射性核素成像 将某种放射性同位素标记在药物上并引入体内，当它被人体的脏器和组织吸收后，在体内形成了辐射源。用核子探测装置可以从体外检测体内同位素在衰变过程中放出的射线，得到放射性同位素在体内分布密度的图像。 由于放射性药物保持着对应稳定核素或被标记药物的

3、化学性质和生物学行为，能够正常参与机体的物质代谢，因此放射性同位素图像不仅反映了脏器和组织的形态，更重要的是提供了有关脏器功能及相关的生理、生化信息。 放射性核素成像 20世纪30年代后期，人们借助131I开始研究甲状腺疾病，这是放射性同位素在医学领域中最早的应用。50年代，放射性核素的成像设备开始问世。先是同位素扫描仪，后是照相机。70年代中开始研究发射型CT，可获得人体断面的图像。1978年第一台商品化的单光子CT问世，正电子CT也在80年代形成了商品化仪器。 放射性核素成像 放射性核素成像的主要特点是能同时提供脏器或组织的形态与功能信息。如将含有131I 的制剂引体内后，由于甲状腺对碘具

4、有自然的亲合性，就可以在体外观察甲状腺摄碘的功能。一般来说，在疾病形成过程中，脏器或组织功能上的变化要早于其形态上的变化，因此放射性核素成像在临床中有特殊重要的意义。 放射性核素成像 o1: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。o2:衰变 指核素自发的发生结构和能量状态的改变，放射出、射线并转变成另一种核素的过程。 1.放射性核素成像的物理基础射线的产生：射线的产生：原子核衰变产生原子核衰变产生射线射线例如：衰变衰变、衰变、核裂变过程中伴随射线的产生射线射线111.放射性核素成像的物理基础核衰变o核衰变主

5、要由以下几种o 衰变 反应式： 射线由粒子构成,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o 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：42AAZZXYQ1AAZZXYQ42H enPQ（中子）（质子）（中微子）（能量） 核衰变o 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：o 衰变 原子核由高能态向低能态跃迁时，释放出光子的现象。 射线的波长和能量根据放射性元素的种类而定。o性质： 同XRay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，而射线是原子核内发射出来的射线。01e1AAZZXYQ

6、核衰变的规律o对于给定的处在一定状态的放射性核素，核衰变进行的速度和核素存在的物理、化学状态无关，而是自发的按照一定规律进行。 其中：为衰变常数o物理半衰期 放射性核素的原子核数目减少到原来的一半所需要的时间。 0*teNN1/2T1 / 2ln 2T核衰变的规律o生物半衰期(Tb) 指生物体内的放射性核素由于生物代谢从体内排出一半所需要的时间。o有效半衰期(Teff) 指放射性核素由于放射性衰变和生物代谢过程共同作用，减少到原来的一半所需要的时间。 满足关系：eff =b 1 / 2111e ffbTTT1.照相机 早期使用的同位素成像系统是同位素闪烁扫描机。它由一套机械传动机构带动核子探测

7、器移动进行逐行逐点的扫描，并记录下体内各部位辐射射线的强度，由此形成闪烁图。它的最大缺点是无法进行动态观察。相机 目前临床上取而代之的是照相机，它可以摄下所感兴趣的区域中放射性药物浓度的分布图。形成一幅完整的图像大约只需零点几秒。如果在一定的时间间隔中摄取一系列的药物分布图，就可以对脏器的功能进行动态分析。特点：n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n可观察脏器的动态功能及其变化n既是显像仪又是功能仪 该系统由准直器、闪烁晶体、光电倍增管陈列、位置计算电路、脉冲高度分析器与装置组成。准直器的作用是人体内向外辐射的射击线能准确地投射到闪烁晶体的位置上以构成闪烁图像。相

8、机结构o相机准直器（Collimator）o闪烁探测器（NaI晶体）o光电倍增管(PMT) o位置电路o数据分析计算机 相机准直器o准直器位于晶体之前，是探头中首先和射线相接触的部分。准直器的性能在很大成度上决定了探头的性能。准直器能够限制散射光子,允许特定方向光子和晶体发生作用。 闪烁晶体与准直器具有相同的直径，并紧贴地安装在准直器的背后。入射到闪烁晶体上的射线光子与闪烁晶体相互作用后能产生可见光，或者说把入射的射线光子转换成光学图像。闪烁晶体 o一种铊激活碘化钠NaI(Tl)探测晶体普遍用于相机中。在核医学中，这种晶体对于放射性核发射的射线能量有最佳的探测效率。探测晶体一般为圆形或矩形。典

9、型的是3/8厚且尺度为30-50 cm。 o由于光电效应和与晶体内碘化物的离子的康普顿散射，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o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 但这样的光学图像其亮度是很低的，还不能用于直接照相。闪烁晶体后面的光电倍增管阵列可以有效地将光学图像转换成电脉冲图像。光电倍增管输出的电脉冲信号经过电阻矩阵电路后可以形成一个幅度与入射光子能量相对应的电信号，同时

10、还可以得到与发生闪烁的位置相关的信号。闪烁晶体光电倍增管(PMT)o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。 光电倍增管阵列12345678910111213141516171819xy光电倍增管闪烁晶体权电阻网络o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。o位置计算 11()()iiiiXXxkxxkURR11()()iiiiYYyky

11、ykURR权电阻网络 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o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。 照相机成像的时间大大缩短，但所得到的图像仍是放射性药物在三维人体组织中分布的二维投影，不能获得一幅准确的断面图像，即放射性药物在某一截面上的分布，这给临床诊断带来了一定限制。而发射性计算机断层摄影技术（简称ECT）克服了上述困难，可得到放射性药物在体内某一断面的分布图。 2

12、：放射性同位素成像系统的分析o主要指标：o1：系统的灵敏度： 系统对每单位放射性所能探测到并用于成像的光子数，即：灵敏度每秒计数/微居里 (1):准直器的影响 (2):闪烁晶体厚度的影响 (3):脉冲高度分析器中能量阈值的设定放射性同位素成像系统的分析o2：系统的模糊度或分辨力 单位：LP/cm 影响因数： （1）：患者的移动或脏器的运动 （2）：准直器的影响 a:准直器小孔的大小 b:准直器小孔的长度 c:照相机与成像物体间的距离 （3）：闪烁晶体的影响放射性同位素成像系统的分析o3：对比度 不同组织或脏器对特定药物的特殊集聚能力不同。o4：均匀性o5：系统噪声3.单光子发射型计算机断层摄影

13、（SPECT） SPECT成像的过程类似于X-CT技术。它用一台照相机围绕着被探查者作旋转运动，在不同的角度上检测人体放射出的射线光子并计数，取得投影数据（放射性药物沿投影线的浓度分布的线积分）后，沿用X-CT中使用的图像重建方法，得到人体某一断面上放射性药物浓度的分布。 Siemens的SPECT系统GE的SPECT系统SPECT的发展o1959 David Kuhl 和 Roy Edwards取得了世界上第一台横截面发射断层图o1963 Kuhl 和 Edwards发展出来的放射断层系统成为SPECT的前身o1976 Keyes发明第一台相机SPECT系统o1983 商业化相机SPECT问

14、世o2003 利用迭代重建算法进行衰减修正的SPECTSPECT的原理准直器、闪烁晶体、光电倍增管的作用SPECT的原理oSPECT检测通过放射性原子（称为放射性核，如TC-99m 、TI-201）发射的单射线。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o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（3或6）采集一帧图片

15、o经电子计算机自动处理，将图像叠加，利用滤波反投影（FBP）方法，可以从一系列投影像重建横向断层影像。由横向断层影像的三维信息再经影像重新组合可以得到矢状、冠状断层和任意斜位方向的断层影像。SPECT成像基本步骤o用短半衰期核素Tc-99m等标记某些特殊化合物经静脉注入人体o探测聚集于人体一定器官、组织内，标记于化合物上的Tc-99m衰变所发出的射线o将射线转化为电信号并输入计算机，经计算机断层重建为反映人体某一器官生理状况的断面或三维图像 SPECT的突出优点是：它在比普通的照相机没有增加许多成本的情况下获得了真正的人体断面图像，实际上它还可以作多层面的三维成像，这对肿瘤及其他一些疾病的诊断

16、是很有用的。 图像中的背景噪声通常称为统计噪声。为了减小图像中的统计噪声，可以对所记录的图像作平滑滤波等处理。它的固有缺陷是空间分辨率较低，一般要大于1厘米。另外，这种系统的检测灵敏度也比较低。但因为它的设备简单而又能提供断面图像，因此临床中仍然在使用。PET-CT图示4. 正电子发射型断层成像 (PET)PET-CT图示PETPET-CT图示PETPET-CT图示PETPET-CT图示PETPETPET装置剖面图PET简介oPET是核医学发展的一项新技术，代表了当代最先进的无创伤性高品质影像诊断的新技术，是高水平核医学诊断的标志。主要被用来确定癌症的发生与严重性、神经系统的状况，及心血管方面

17、的疾病。o使用PET造影，需在病人身上注射放射性药物，放射性药物在病人体内释出信号，而被体外的PET扫描仪所接收，继而形成影像， 可显现出器官或组织（如肿瘤）的化学变化，指出某部位的新陈代谢异于常态的程度。PET的发展o20世纪20年代物理学家就从理论上推断有带正电荷的正电子存在。o20世纪30年代开始对放射性核素的物理、化学性能进行了深入研究，发现了它们在生物学和医学领域的应用价值。o1953年Dr. Brownell和Dr. Sweet研制了用于脑正电子显像的PET显像仪o60年代末出现了第一代商品化PET扫描仪，可进行断层面显像PET的发展o1976年由Dr. Phelps和Dr. Ho

18、ffman设计，由ORTEC公司组装生产了第一台用于临床的商品化的PETo20世纪80年代更多公司投入了PET研制，岛津（Shimadzu,1980）、CTI公司（1983）、西门子公司（Siemens，1986）、通用电气公司（GE，1989）、日立公司（Hitachi，1989）和ADAC公司(1989)oPET系统已日趋成熟，许多新技术用于PET产品，如：采用了BGO和LSO晶体的探测器、引用了数字化正电子符合技术、切割晶体的探测器模块等，使PET系统的分辨率小于4mm。1964年环状头部PETPET的物理基础o正电子放射性核素通常为富质子的核素,它们衰变时会发射正电子。原子核中的质子释

19、放正电子和中微子并衰变为中子：o正电子的质量与电子相等，电量与电子的电量相同，只是符号相反。通常正电子（）衰变都发生于人工放射性核素。正电子湮灭o正电子湮灭前在人体组织内行进1-3mmo湮灭作用产生:n能量（光子是511KeV）n动量o同时产生互成180度的511 keV的伽玛光子。正电子湮灭正电子湮灭PET影像的设备正电子核素设备正电子示踪计设备PET影像获取回旋加速器放化标记设备PET影像系统回旋加速器 ( Cyclotron )PET的结构PET的数据采集o正电子湮灭作用产生的湮灭光子同时击中探测器环上对称位置上的两个探测器。o每个探测器接收到光子后产生一个定时脉冲，这些定时脉冲分别输入

20、符合线路进行符合甄别，挑选真符合事件o符合线路设置了一个时间常数很小的时间窗（通常15ns），同时落入时间窗的定时脉冲被认为是同一个正电子湮灭事件中产生的光子对，从而被符合电路记录。时间窗排除了很多散射光子的进入。PET的数据采集符合探测原理l符合探测技术能在符合电路的时间分辨范围内，检测同时发生的放射性事件。l利用符合探测技术可以进行正电子放射性核素示踪成像。l使用符合探测技术，起到电子准直作用，大大减少随机符合事件和本底的同时提高了探测灵敏度。符合探测原理PET的电子准直PET的电子准直l湮灭光子对只有在两个互成180的探测器的FOV立体角内才能被探测。l利用湮灭辐射的特点和两个相对探测器

21、的符合来确定闪烁事件位置和时间的方法称电子准直。PET电子准直的特点o电子准直是PET的一大特点，它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。o不再因准直器的使用损失了很大部分探测效率。o避免了准直器对分辨率和均匀性不利的影响。o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。就2D采集模式而言，PET的灵敏度比SPECT高10倍以上。o使用铅准直器的SPECT系统分辨率为816mm，而电子准直的PET系统分辨率为38mm。PET的探测环X-Y平面为PET的横断面，与探测环平面平行。Z轴是PET的长轴，与探测环平面垂直。PET的探测环PET系统流程图探测器要求o探测器必须有高探测效率。o探测器必须有短符合分辨时间。o探测器应有高空间分辨率。探测器空间分辨率主要取决晶体材料及尺寸大小，光电倍增管的多少。o探测器应有高可靠性和稳定性。光电倍增管的性能会直接