生物医学图像处理】单光子发射计算机断层显像

1、 单光子发射计算机断层显像(SPECT) Siemens的SPECT系统 GE的SPECT系统 要点 核医学介绍 SPECT的发展 SPECT的成像方法 SPECT的示踪剂 SPECT的相机 SPECT的特点和优势 SPECT的临床应用 核医学 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。 核医学的任务是用核技术诊断、治疗和研究疾病。 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 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

2、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。 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 核医学显像方法简单、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 照相机 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 可观察脏器的动态功能及其变化 既是显像仪又是功能仪 ECT SPECT PET ECT Emission Computed tomography

3、，同位素发射计算机辅助断层显像 利用仪器探测人体内同位素动态分布而成像 可作功能、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 ECT SPECT Single Photon Emission Computed Tomography，单光子发射计算机断层显像 能给出脏器的各种断层图像 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 SPECT SPECT SPECT SPECT的发展 1959 David Kuhl 和 Roy Edwards取得了世界上第一台横截面发射断层图 1963 Kuhl 和 Edwards发展出来的放射断层系统成为SPE

4、CT的前身 1976 Keyes发明第一台相机SPECT系统 1983 商业化相机SPECT问世 2003 利用迭代重建算法进行衰减修正的SPECT 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的原理 SPECT成像方法 一个探头可以围绕病人某一脏

5、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 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 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 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 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技术介绍 双头获取 滤波反投影 门控心脏获取 动态获取 Chang氏衰减校正

6、 精确传送 SPECT重建算法步骤 数据投影 数据傅立叶变换 数据滤波 数据反变换 反投影 衰减校正 散射校正 滤波反投影(FBP) FBP方法的优点：计算过程简单，重建速度快，重建后的SPECT图像分辨率能够满足临床需要。 FBP方法的缺点：该方法重建的图像存在固有星状伪影，重建后的图像分辨率较差。 衰减校正 目前的SPECT理论把投影数据近似为病人体内的放射性药物分布沿投影线的积分，忽略了人体组织对射线的散射与吸收效应。然而，对于核医学所使用的能量在60511keV的射线来说，人体组织的衰减对投影数据有相当大的影响，因此需要进行衰减校正。 一方面取决于人体衰减系数图( map)的获取，另一

7、方面取决于衰减校正的算法。 SPECT的示踪剂 由放射性同位素标记的放射性药物会产生内部辐射。 这种放射性药物称为示踪剂，可以是注射也可以是吸入。正是示踪剂的衰减放射出射线。 常用能够标记放射性药物有：MIBI（心肌显象）； MDP（全身骨显象）； ECD（脑血流显象） 常用的放射性示踪剂 用放射性Tc-99m标记的各种化合物 短半衰期（6.02小时）放射性同位素,主要放射低能射线,其能量为141keV 辐射剂量只有一次X摄片的1/101/2 没有副作用，大部分在几个小时内即排出体外，留在体内的放射性也会在短时间内衰变掉 其他常用的放射性核素还有Tl-201、I-131、I-123、Ga-67

8、、In-111等 放射性药物及其临床应用 SPECT系统 探头（旋转型照相机） 机架 断层床 计算机和光学照相系统 SPECT的相机 相机收集病人体内发射的射线，使我们重建出发射部位的图像，了解特定器官或系统的功能。 康普顿相机 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 相机准直器 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。 闪烁探测器 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

9、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。典型的是3/8厚且尺度为30-50 cm。 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。 光电倍增管 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。 位置电路和数据处理计算机 位置逻辑电路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

10、位置电路能够决定闪烁事件在探测晶体的何处发生。 最后，一台数据处理计算机处理进来的投影数据，使它成为一张可读的反映病人体内三维活性分布的图像。计算机可能使用各种方法来重建图像，比如滤波反投影算法或迭代重建。 相机成像方案 平面成像 相机固定在病人上方，获取单一角度数据 平面动态成像 固定角度，长时间观察放射性示踪剂运动 SPECT成像 绕病人旋转，获取放射性示踪剂三维分布 门控SPECT成像 结合ECG获取心动周期不同阶段的图像 平面动态成像 SPECT的新类型 目前几乎所有的SPECT都属于旋转照相机型。 当今世界上最新型号的单光子核素显像仪是双探头可变角带衰减校正的SPECT，需要时可以升

11、级为既可行SPECT显像，又可行18F-FDG/PET葡萄糖代谢显像的符合探测显像仪。 SPECT的总体特点 示踪剂适应面广，特异性高，放射性小，不干扰体内环境的稳定，有独到的诊断价值。 时域解像精度不到千分之一秒 。 放射性核的等离子放射物可能对孩子和孕妇有危险性。 保留了照相机全部平面显像的性能 分层脏器功能观察到脏器功能动态变化，化学物质在脏器内代谢分布、血管量的变化、肿瘤免疫及受体定位等。 SPECT的优势 兼具CT和核医学两种优势，较CT的容积采集信息量大 超快速、大容量的操作诊断台，图像扫描和图像处理同步，并有高级图像后处理台 是当前唯一的一种活体生理、生化、功能、代谢信息的四维显

12、像方式 明显提高了病变的检测率 价格优势 SPECT与PET比较 分辨率相近 衰减少 衰减修正伪差少 散射少 辐射剂量少 更合适的放射性核（半衰期更长） 价格便宜 重建算法相似 灵敏度低 噪声大，获取时间长 SPECT的临床应用 早期冠心病、心肌炎、脑缺血性疾病、恶性肿瘤早期骨转移的检测 原发癫痫、短暂脑缺血发作，肝血管瘤分肾功能测定及一些软组织肿块定性心血池功能显像和多参数分析测定 肺通气功能、肾小球虑过率GFR和肾脏有效血流量ERPF功能测定 甲状腺疾病的常规检查等方面 SPECT图像-脑部 SPECT图像-脑部 SPECT图像-脑部 SPECT图像-心脏 SPECT图像-骨骼 SPECT

13、的研究方向 动力学和示踪剂反应动力学 传送扫描 工业化发展 新示踪剂 小动物系统 放射性核治疗计划 临床透视 Terms ECT: Emission Computed Tomography SPECT: Single Photon Emission Computed Tomography PET: Positron Emission Tomography FBP: Filtered Backprojection MIBI: Methoxyisobutyl Isonitrile MDP: Methylenediphosphonate ECD: Ethylcysteinate Dimer Term

14、s PMT: photomultiplier tube SMC: summing matrix circuit ECG: Electrocardiograph GFR: glomerular filtration rate ERPF: Effective renal plasma flow 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 ? ? ? ? 2例癫痫患者SPECT图像:发作间期低灌注(A图)，发作期高灌注(B图)。癫痫灶发作间期在SPECT上呈低灌注暗影，发作期变为高灌注亮影。 * * 美国菲利普三探头ECT 迭代重建 散射校正 运动校正 分辨率补偿 部分体积修正 FBP方法是把探头采集到的二维投影数据经过预滤波降低统计噪声后，将二维投影数据反投影到预先设定的三维矩阵过程。 6 140 Sulfur Tc-99m 肝脏 78 2 90 511 Citrate FDG Ga-67 F-18 肿瘤显象 6 62