发射型计算机断层成像设备概论

1、第1节 发射型计算机断层成像设备概论发射型计算机断层成像(emission computed tomography，ECT)亦称放射性核素计算机断层成像（RCT）,是一种能显示放射性核素在人体内各层面的分布及立体分布影像的显像技术。SPECT（单光子发射型计算机断层）和PET（正电子发射型计算机断层）同属ECT的范畴。其断层图不受邻近层面核素干扰，定位准确，能获得活体三维影像，并能定量计算脏器或病变部位的大小、体积及局部血流量等。 自20世纪70年代末随着SPECT广泛应用和PET逐步应用于核医学临床实践，ECT在核素显像乃至整个医学影像中的地位和作用都得到了无可争辩的承认，是核素显像技术继扫

2、描机、照相机问世以后的又一重要进展。 一、历史回顾 1950年Cassen首先研制成功了逐点扫描成像的闪烁扫描机，奠定了放射性核素脏器显像的基础。当时可以进行甲状腺、脑、肝、肾及骨扫描等，但分辨率差，扫描时间长，不能进行快速动态研究。1956年Anger发明了闪烁照相机，以一次成像代替扫描机逐点成像，使核医学影像进入动态和静态功能显像相结合的新阶段。但照相机对于大的脏器如脑、肝等深部器官的病变检出率仍不理想。70年代以后电子计算机技术应用于闪烁照相机，对获得的信息进行处理，这样使影像更清晰，提高了分辨率。自1975年以后辅配计算机的照相机已成为国内外核医学科常规检查设备。 SPECT的研制工作

3、早在X-CT机研制之前就已进行。1963年Kahl和Edwards等研制了一种称为横向断面扫描仪(transversl sectional scanner)的仪器，该仪器已具备现代X-CT机的概念。Knhl等人当时所用的影像重建方法是简单的反向投影法(simple back projection)，因而影像模糊、对比差，影像矩阵单元的活性值与实物分布无对应关系，因此SPECT的研制工作曾一度搁浅。1972年英国的Godfrey Hounsfield发明了X-CT机并用于临床。Kuhl等人借鉴X-CT的成像技术并引入计算机校正，终于在1979年研制成功了第1台头部的SPECT机，称之为MARK。

4、此后SPECT机迅速发展并不断地更新换代，从而使核医学显像技术从二维平面影像发展到三维立体影像阶段，并实现了显示彩色化、电视化，数据处理微机化，使解剖分辨率和对生理、生化等功能改变的显示较照相机有了很大提高。 二、ECT设备的类型及其结构 ECT目前分为2大类：一类用于探测能够发射射线的放射性核素在人体内的分布，称为单光子发射型计算机断层，简称SPECT（single photon emission computed tomography）；另一类用于探测能够发射正电子的放射性核素的湮没辐射，称为正电子发射型计算机断层，简称PECT或PET(positron emission computed

5、 tomography)。 目前应用最为广泛的SPECT机是照相机型的SPECT机。其主机为照相机，加上了探头支架旋转结构和计算机影像重建及处理软件系统。由于光子的收集率与光子发射体对探头所处的立体角成正比，因此SPECT机多采用大视野的探头，以提高体积灵敏度。其形状有圆形、方形和矩形。探头支架旋转结构有圆环形（GE公司）、悬臂形（SOPHA公司）、龙门形（SIEMENS公司）等。计算机系统多采用微型机或小型机，或者采用单功能多处理器分别完成某种功能。照相机型的SPECT机在采集数据时所收集到的信息是以探头直径为长轴的一个圆柱体。这种采集方式一次旋转360就可以得到多个断层面，最多可达128个

6、断层面。该类型的SPECT机又兼有普通照相机的功能，所以一台照相机型的SPECT机具有多种显像方式：平面成像、动态摄影、全身扫描和断层显像等。 PET正在逐步走向临床。作为现代核素显像的最新技术设备，它的临床应用被认为“在核医学史上奠定了一个划时代的里程碑”。虽然PET机和SPECT机的基本结构相似，都是由数据采集、数据处理、影像显示以及机械旋转架构等部分所组成，但由于采用的是发射正电子的放射性核素，PET机所能探测到的并不是正电子，而是正电子被体内组织所吸收时湮没辐射所产生的能量各为511keV、方向相反的一对光子，因此PET机至少需要2个（双探头）或更多的相对排列的（多探头、多环探头）探测

7、器。湮没辐射所产生的双光子与单光子有不同的特点，因而PET机和SPECT机的探头结构也不尽相同。PET机对射线的限束采用的是电子准直，即利用湮没辐射和2个相对探头来确定闪烁点的位置，而不象SPECT机在探头前加铅准直器来限制射线的方向和范围。 三、ECT与X-CT的异同 A.水平切面 B.垂直切面 C.短轴面图6-1 心脏模型三维切面示意图 SPECT机是在照相机基础上发展起来的更先进的现代核医学影像设备，照相机只能显示二维影像，而SPECT机不仅可显示二维平面影像，更主要的是其还能给出脏器的三维断层影像。对临床有价值的是横断面、冠状面和矢状面断层影像，在心脏和脑断层中还可以给出斜面断层影像（

8、图6-1）。 SPECT机与X-CT机是什么关系呢？它们之间究竟有什么不同？从以下几个方面可以说明这个问题。 1.SPECT机与X-CT(TCT)机是一对孪生体 它们在探测技术和影像重建等方面基本类同。X-CT发明者英国EMI公司的工程师借助于核医学闪烁探测技术发明了X-CT。SPECT在X-CT问世之后之所以有了迅速发展，主要原因是借助于X-CT的影像重建技术。SPECT与X-CT都采用了闪烁探测技术和反向滤波法的影像重建技术。 2.采用的射线源不同 ECT借助于注入体内的放射性核素发射(emission)的光子构成断层影像。由于正常组织和病变组织浓聚放射性核素的能力及浓聚量不一样，从而射出

9、的光子密度不一样，这样就构成了一幅反映人体功能差异的解剖影像。X-CT是借助于X线球管发射的X线穿透(transmission)人体而构成断层影像。由于正常组织和病变组织的物理密度不一样，这样就构成了一幅反映人体密度差异的解剖影像。 3.影像的重建参数和诊断依据不同 X-CT以衰变系数作为重建影像的参数，以组织的物理密度变化作为诊断依据。而ECT以放射性浓度变化作为重建影像的参数，以组织的代谢功能差异作为诊断依据。若病变组织密度变化不大（等密度病变），而功能变化很大时，ECT明显优于X-CT。 4.影像构成成分不同 ECT影像仅显示浓聚放射性的靶器官或组织的三维断层影像，而毗邻组织脏器则不显像

10、。这就要求诊断医师对每个层面的各个脏器之间的毗邻关系及其正常变异有较全面了解。X-CT影像则显示某一层面内所有组织器官的二维影像。ECT依临床医师诊断目的不同，即便是同一脏器，所采用的放射性核素或其标记物也不同，其所得ECT影像的临床意义也不一样。X-CT则以被检部位脏器为单位获得断层影像。 5.SPECT机在取断层面的厚度上较X-CT机优越 X-CT机采用几何准直的方法来限制束流的宽度。改变断层厚度需要设定准直器，而且准直器的选择必须在数据采集前进行，数据采集一旦结束，断层厚度也就随之而固定。而SPECT机选择断层的厚度是依据于相机探头的定位线路，可以在数据采集结束后根据需要选择。这对临床分

11、析是有利的。 6.X-CT机的分辨率优于ECT机 ECT受光子通量的限制和衰减校正困难的制约，使ECT影像粗糙、空间分辨率差。体内发射的光子受注入人体的放射性活度的限制，只有极少数被用于构成影像，构成影像后体内还存留有一定的放射性活度。而X-CT机由X线球管产生X线，成像结束时X线球管亦停止发射X射线，因而可加大入射的束流强度。X-CT断层光子总数为ECT断层图的103104倍。另外，由于穿透衰减使相同的放射性浓度因部位的深度不同，而产生不同的光子射出率，浅表部位光子射出多，深部光子射出少。模型实验证明，5cm厚的软组织可以使99Tcm能量为140keV的射线衰减50%，所以在影像重建中要求用

12、平均衰减法进行校正。 四、ECT设备的发展现状与展望 ECT是近年来核医学界发展最迅速、应用最广泛的新技术，尤其是显像技术(包括仪器)与显像剂的发展更使其突飞猛进，成为核医学界的重要支柱。目前国内许多大医院都装备了照相机和SPECT机。商品化的PET机在我国也已步入临床使用。一些应用在心、脑、骨骼、肿瘤等方面的新的放射性药物的使用，以及计算机新的应用软件的开发，使ECT机在诊断冠心病、脑缺血、肿瘤骨骼转移等许多疾病中显示了独特的优越性，在对组织器官或病变部位的局部血流量、功能、治疗前后的疗效进行定量检测等方面，已成为其他影像诊断技术不可替代的诊断工具。 ECT设备在发展过程中遇到了两大障碍：光

13、子通量的限制和衰减校正。这两大困难目前仍是ECT设备改进和发展的主要难关。ECT设备的光子通量受到注入体内放射性药物剂量的限制。ECT影像由体内发射出的光子构成，通常情况下只有注入量的万分之几的光子被用来检测脏器成像，其他大部分信息浪费了。ECT设备成像的另一困难是有2个变量：局部组织器官的放射性聚集量和衰减系数。对于放射性核素显像只有放射性浓度有意义，衰减因素必须加以清除或校正。衰减校正涉及组织的成分，成像物体和脏器的大小、形状以及放射性核素的能量等许多因素。因此真正完善的衰减校正是极其困难的。目前商业产品中较多采用平均衰减校正，实验研究采用模型校正。 ECT设备的发展体现在许多方面：新型放

14、射性药物的研制、仪器自身探测性能的提高、计算机硬件的改进和应用软件的升级等。主要有以下几点： 1.新型放射性药物的研制成功，推动了SPECT发展至新纪元 如：新型心肌显像剂99TcmMIBI、99TcmTlboroxime，可以用于心肌灌注断层显像，从而为心肌缺血、心肌梗死的早期诊断提供了新手段；新型脑显像剂99TcmECD、99TcmHM(d,1)-PAO的研制成功，131I-IMP和131I标记的D1多巴胺脑受体显像剂的临床应用，使SPECT技术在研究脑局部血流灌注和受体功能等方面取得了令人鼓舞的进展。而PET所用的发射正电子的放射性核素如：11C、13N、15O等都是人体组织的基本元素，

15、易于标记各种生命所必需的化合物及其代谢产物或类似物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；加之这些核素的半衰期比较短，检查时可以给予较大剂量，从而提高了影像的对比度和空间分辨率，因此PET所获得的影像比SPECT更清晰、更真实地反映人体生理、生化、病理和功能等方面的改变；迄今为止，尚没有其他显像技术可以进行活体心、脑等组织脂肪酸、葡萄糖有氧或无氧代谢、受体功能以及大脑功能区域（如视、听、记忆、思维）定位等方面的研究。2.在新技术上，最引人注目的是新型的双探头和三探头SPECT机 该系统具有采集时间短、分辨率高、计算机系统先进等优点，与单探头SPECT机相比，三探头SPECT

16、机整体效率提高了35倍。该机采用了高性能、高光子通量的光电倍增管，使用了特殊的准直器如扇型准直器、超高分辨率准直器等。3个探头沿病人的长轴旋转，增加了获得的信息量，改善了影像质量，节省了检测时间，提高了系统分辨率，而且灵敏度也大大提高。双探头SPECT机最新技术是在180相对排列的双探头SPECT机的探头中加入符合探测线路或使用超高能准直器。采用这项技术的ECT设备不仅可以完成普通SPECT机的全部工作，而且可以完成一些本来在PET机上才能做的工作。因此被称为混合型ECT设备（参见第十节）。 3.从ECT设备的发展趋势看，单探头的SPECT机是不是要被淘汰呢？并非如此新型的双探头和三探头SPE

17、CT机性能固然很好，但价格昂贵。对于单探头SPECT机，主要发展在于新的计算机系统的开发和应用上。在硬件上，采用高速处理器去数字化输入信号，大容量的随机存取存储器以存放高分辨率的影像，快速存取的大容量的外围设备，以及采用高处理能力的阵列处理器等；在软件方面开发专用的处理软件如定量分析等。在今后一段时间内，这些仍将是SPECT机临床应用的主旋律。SPECT机今后的发展方向，仍是提高系统的灵敏度和分辨率，减少或清除伪影，朝着快速、多功能的方向发展。 ECT设备充分发挥了核医学的固有优点，其影像不仅显示脏器和病变的位置、形态、大小等解剖结构，更重要的是可以显示脏器的功能，研究代谢情况，提供有关脏器的

18、血流、功能、代谢和引流等方面定性的和定量的信息。而血流、功能和代谢的异常，常是疾病的早期变化，出现在形态结构发生改变之前。因此，ECT放射性核素显像有助于疾病的早期诊断。由于ECT成像设备涉及电子技术、计算机、核物理、医学、影像处理等许多专业技术，在本章简短的篇幅里不可能作全面详细的论述。第2节 适用于ECT的放射性药物放射性药物(radio pharmaceuticals)是能够安全用于诊断或治疗人体疾病的放射性标记化合物。有些是放射性核素的无机或有机化合物，有些是放射性核素标记的生物制品。放射性药物的基本性质取决于两个基本成分：放射性核素(标记物)和与之相结合的药物(被标记物)。通过放射性

19、核素及其标记药物在组织器官中选择性聚集或参与生理、生化等代谢过程来达到诊断目的。在此，我们将重点讨论适用于SPECT显像的放射性核素及其标记化合物。 一、放射性核素适用于放射性药物的条件放射性核素是放射性药物的基础。ECT显像用的放射性核素必须通过注射、口服、吸入等方式引入体内。因此对这类核素的基本要求是对机体无害和易于体外探测。1能发射中等能量的射线这是适用于SPECT显像的放射性核素的先决条件。由于射线具有很强的穿透能力，体外探测才能得以进行。射线的能量以100400keV为佳。能量太低时射线易被机体所吸收，使得探测效率降低；能量太高则探测器的准直效果不好，降低了仪器的空间分辨率。此外，最

20、好选用不发射或少发射生物效应较高的射线的药物等，以减少人体的辐射剂量。2具有合适的生物半衰期 并非所有能发射中等能量射线的放射性核素都能作为放射性药物注入人体内，还必须具备合适的物理半衰期。只有半衰期在数十分钟至数天之间的放射性核素才能适合体内使用。 3这些放射性核素应具有合适的化学价态和较强的化学活性以便将它们制成供临床使用的各种放射性标记化合物。4这些放射性核素本身以及它们的衰变产物对人体应是无毒无害的 若具有一定毒性，则临床使用的化学量必须控制在对人体无害的水平以下。 二、放射性药物适用于ECT成像的条件绝大多数情况下，放射性核素和它们的初始制备状态尚不能直接用于ECT显像，而需要通过一

21、些物理的、化学的或生物学的方法，将放射性核素的原子“引入”特定的化合物的分子结构中，这个过程称为标记。由此而后制成的放射性核素标记化合物即为放射性药物。1.具有良好的显像性能良好的显像剂引入体内后，应在靶器官有特异性浓聚，而本底尽可能的低。此外，还要求显像剂在靶器官的正常组织与病变组织之间的浓聚率有较大的差异。一般说来，在靶器官与邻近的非靶器官之间放射性药物浓聚量的比值在5倍以上时，才能认为显像剂在靶器官的浓聚是特异性的。在阴性显像时，要求显像剂在病变部位不浓聚或很少浓聚，我们称之为放射性稀疏或缺损；而阳性显像时，则要求显像剂在病变部位的浓聚量多于或明显多于正常部位，我们称之为放射性浓聚。2.

22、具有合适的生物体内存留时间放射性显像剂在靶器官中应有合适的存留时间，以保障体外各时相的探测足以采集必要的数据。在显像完成后，放射性药物应能较快地被从体内清除，即具有较短的生物半衰期，以减少受检者接受的不必要的辐射剂量。物理半衰期是指放射性核素历经核衰变，其放射性强度或放射性原子数减弱或减少到一半所需要的时间；生物半衰期是指由于生物代谢，生物体内的放射性核素从体内排泄到原来引入量的半数所需要的时间；有效半衰期是指由于放射性衰变和生物代谢的共同作用，生物体内的放射性核素减少到原来引入量的一半所需要的时间。它们之间的关系是： 3.放射性药物的制备过程应简单、快速，不需要复杂的设备和反应条件 最理想的

23、制备方法是一步法，即预先将标记过程中所需要的除放射性核素以外的所有物质通过简单混合或使其产生预反应而制成放射性药物的半合成品药盒，需要标记时，只需要将放射性核素加入，即可一步标记成功。目前，已有数十种商品化的半成品药盒供给临床使用。 4.具有良好的稳定性 放射性药物的稳定性的含义包括：化学稳定性、辐射稳定性、标记稳定性和体内稳定性。化学稳定性是指放射性药物具有确定的较为稳定的化学结构，使其在制备过程和药物储存过程中，不易发生分解氧化还原等化学变化，否则由此而生成复杂的副产物将影响药物的使用性能和有效使用期。 辐射稳定性是指药物对自身辐射作用的耐受能力。辐射自分解是影响放射性药物稳定性的一个重要

24、因素。一般说来，辐射自分解作用的强弱与放射性药物的比活性和射线的性质有关。比活性越高，射线程越短，电离密度越大，自分解作用就越强。 标记稳定性是指放射性核素的原子或基团与化合物结合的牢固程度，只有那些牢固的不易因时间、温度、介质等条件的影响而脱落的标记物，才适用于ECT的显像。标记稳定性与核素的原子同标记物分子结合方式及位置等因素有关。 体内稳定性是指当放射性药物引入机体后，不会因为介质条件的改变或生物活性物质的改变(如酶的作用等)而发生分解、变性或标记核素的脱落，一般通过动物体内试验来鉴定。 三、放射性药物的制备 淋洗液接收瓶生理盐水瓶铅防护套玻璃柱管吸附剂图6-2 99Mo99Tcm发生器

25、结构示意图 放射性核素是放射性药物的基础，而放射性药物制备成功与否ECT显像成败的第一关。一般说来，放射性核素有3个来源：核反应堆生产的放射性核素，加速器生产的放射性核素以及放射性核素发生器。本章重点讨论放射性核素发生器。 1.放射性核素发生器 放射性核素发生器是一种定期从较长半衰期的母体核素中分离出具有较短半衰期的子体核素的装置。这种装置结构简单，运输方便，它以长寿命的放射性核素作为运输和储存形式，以可以定期分离得到的短寿命放射性核素作为使用方式。 自从1964年99锝m(99Tcm)问世以来，99钼99锝m发生器(99Mo99Tcm Generator)的临床应用极大地促进了核医学影像的发

26、展。由于99Tcm是纯光子发射体，能量为141keV，T1/2为6.02h，其化学性质和碘相似，非常活泼，使其能够标记合成多种供临床使用的放射性药物，几乎可以用于所有脏器的显像。因此99Tcm成为目前最理想和最常用的放射性核素。在此，我们着重介绍99Mo99Tcm发生器(图6-2)。99Mo99Tcm发生器是一种内含母体核素99Mo，能产生子体素99Tcm的装置。母体核素99Mo以99MoO4- 的形式吸附在Al2O3柱上，利用母子体化学性质不同可用0.9NaCl洗脱液将子体核素99Tcm以99TcmO4的形式洗脱下来，而母体仍留在发生器内，子体核素随母体衰变而增长，同时又因它自身的衰变而减少

27、，因而可用连续衰变的公式计算。其结果列于表6-1。表6-199Mo99Tcm的衰变-生长关系(假定99Mo的初始活度为3.7GBq) 0h0h1h2h3h6h12h18h23h48h66h72h96h132h99Mo放射性活度（GBq）3.703.673.623.583.483.623.062.912.231.851.741.370.9399Tcm放射性活度（GBq）00.360.660.931.562.252.502.552.141.781.671.320.8999Tcm/99Mo(%)09.9018.226.045.068.981.987.795.996.296.196.196.2 从表6

28、-1种可以看出： （1）由于存在分支衰变，99Mo只有87.6%衰变成99Tcm，其余部分直接衰变为99Tc。 （2）99Mo与99Tcm放射性强度达到暂时平衡的时间约为44h，即7倍于子体99Tcm的半衰期，此后99Tcm与99Mo的比值恒定在96%左右不变。 （3）一次淋洗后，若初始99Tcm放射性活度为0，则其生长达到最大值所需时间约为23h，此时99Tcm的放射性活度为当时母体放射性活度的87.7%，所以每天淋洗1次最适宜。 （4）若每天淋洗2次，则淋洗的间隔时间为6h和18h。间隔6h生成的99Tcm可达到母体99Mo的45%；间隔18h生成量可达81.7%，接近最大值。因此每天淋洗

29、2次也是可以的。99Mo99Tcm发生器最显著的优点是99Mo的的半衰期较短，仅67h。只要购得含有足够量99Mo的99Mo99Tcm发生器，就可以至少在1周内每天淋洗出足够量的99Tcm供临床使用,十分方便。目前99Mo99Tcm发生器在国内已经商品化。 2.99Tcm标记的放射性药物的制备 (1)99Tcm的标记方法 从99Mo99Tcm发生器获得的99Tcm以Na99TcmO4形式存在于洗脱液中。99Tcm的氧化态可以从+1价到+7价。99Tcm高氧化态(+7价)既不能与络合剂络合，也不被颗粒所吸附，因此不能用它直接制备供临床使用的标记药物。 欲制备99Tcm标记用药物必须使用还原剂，首

30、先将高氧化态锝还原为低氧化态，这是99Tcm标记络合物的第一步。因为99TcmO4是一种酸根阴离子，而根据络合理论，阴离子只能作为络合物的配位体，而不能成为中心离子。最常用的还原方法是采用氯化亚锡(SnCl2.2H2O)作还原剂。Sn2+在标记过程中可能具有两方面的作用：一是把99TcmO4-还原成可被络合剂络合的低价态99Tcm，再者可作为双金属鳌合物中的第二种金属离子。在酸性介质中反应如下: 299TcmO4- + 16H+ + 3Sn2+ = 299Tcm4 + 3Sn4 8H2O 此处99Tcm自+7价还原为+4价。在其他物理化学条件下，99Tcm还可能被还原为+3价或+5价。 在低氧

31、化态99Tcm化学性质活泼，在一定pH条件下可以和许多含O、N、S等有机或无机物产生作用形成络合物。这些99Tcm络合物无论在体内或体外均比较稳定，是目前临床应用最广泛的放射性药物，几乎占全部SPECT显像剂的90%以上。 (2)常用的99Tcm的标记化合物及其用途 99Tcm的标记物一般可分为3类：标记微粒：99TcmMAA、99TcmRBC等；形成络合物:99TcmMIBI、99TcmECD、99TcmDTPA等。通过功能基团络合配基：99TcmDTPAHSA等。见表6-2。 目前常用的99Tcm放射性药物均能很方便地获得发生器配套药盒，其中包含待标记物、还原剂SnCl22H2O、抗氧剂及

32、支持物等组成的冻干品，按说明书加入一定量的淋洗液即可。表6-2 常用的99Tcm标记的脏器显像剂 放射性药品临床用途99TcmO4甲状腺、心血池、血管、麦克尔憩室显像等99Tcm-MIBI心肌灌注断层99Tcm-ECD、HMPAO脑血流断层99Tcm-MAA肺灌注显像、静脉血管造影99Tcm-MDP骨骼显像99Tcm-DTPA肾脏(肾小球功能)显像99Tcm-EC、MAG3肾脏(肾小管功能)显像99Tcm-DMSA肾脏皮质显像99Tcm-PHY肝脏显像99Tcm-EHIDA肝胆动态显像99Tcm-DX105淋巴显像第3节 SPECT机的基本构造和工作原理SPECT机是在照相机的基础上发展起来的

33、核医学影像设备。它的基本构造由探头、旋转运动机架、计算机及其辅助设备等三大部分构成。它的基本工作原理如图6-3所示。关于计算机及其辅助设备等有关内容，将在下一节中讨论。 一、探头部分 1.准直器 准直器是由具有单孔或多孔的铅或铅合金块构成，其孔的几何长度、孔的数量、孔径大小、孔与孔之间的间隔厚度、孔与探头平面之间的角度等依准直器的功能不同而有所差异。由于放射性核素是任意地向各个方向呈立体空间发射射线，因而要准确地探测光子的空间位置分布，就必须使用准直器。它安装在探头的最外层，其作用是让一定视野范围内的一定角度方向上的射线通过准直器小孔进入晶体，而视野外的与准直器孔角不符的射线则被准直器所屏蔽，

34、也就是起到空间定位选择器的作用。 准直器最基本的性能指标是灵敏度和分辨率。所谓准直器灵敏度是指准直器接收来自放射源的放射线的能力。所谓准直器分辨率(空间分辨率)是指准直器探头鉴别两个紧密相连的放射源的能力，目前多用点源或线源响应曲线最大高度的一半处的全宽度即FWHM(full width at half maximun)表示。分辨率越好，FWHM越小。灵敏度和分辨率呈相反的关系。要求有较高的灵敏度，往往要以牺牲分辨率为代价，反之亦然。准直器的设计就是在灵敏度和分辨率之间选择最佳的折衷匹配。因此，它是SPECT影像装置的关键部件。准直器的性能是直接影响系统性能的主要因素。准直器的另外一项性能指标

35、是间壁穿透率，它反映准直器小孔之间的间壁屏蔽视野外的与准直器孔角不符的射线的能力，一般要求穿透率10。如果间壁太厚，探测几何效率将会降低；如果太薄，将使影像对比度降你低。 按准直器的形态结构来区分，准直器有以下几种:图6-3 SPECT的基本构造和工作原理示意图 (1)平行孔准直器 最常用的一类准直器。它是由一组垂直于晶体表面的铅孔组成。每个孔仅接收来自它正前方的射线，而防止其他方向上的射线射入晶体。最接近准直器处的空间分辨率最好，随距离的增加而变差，而灵敏度随距离的增加却变化不大，因光子的空间浓度虽随距离的平方成反比而减少，但晶体暴露于放射源的总面积却按距离的平方成正比而增加。平行孔准直器的

36、性能由其孔数、孔径、孔长、间壁厚度和准直器的材料所决定。根据准直器适用的光子的能量范围，可将平行孔准直器分为低能（150keV）、中能（150350keV）和高能（350keV）3种。根据低能准直器的灵敏度和分辨率可将平行孔准直器分为低能通用型、低能高分辨率、低能高灵敏度3种。孔径越小，分辨率越好；间壁厚度减少，灵敏度增加。影像大小与靶器和准直器之间的距离无关。 (2)针孔准直器 它是单孔准直器，其成像原理与光学中的小孔成像原理相同，像与实物的方向相反。成像的大小与被检物距离针孔的远近有关，距离越近，成像越大。其分辨率和灵敏度与其孔径的大小有关，孔径增大，灵敏度提高，分辨率降低，反之亦然。 (

37、3)发散孔准直器 其优点是扩大有效视野10%20%，且视野随放射源与准直器距离的增加而增大。其缺点是灵敏度和分辨率较平行孔准直器差。且随放射源与准直器距离的增加而变坏。利用这种准直器，被测物被缩小，但并不是所有的部分都受到相应的缩小，故产生影像畸变。 (4)聚焦孔准直器 其优点是可以提高灵敏度和分辨率，但也容易出现影像的畸变。主要适用于总计数时间受限的动态研究。 2.晶体 晶体的作用是将射线转化为荧光光子。射线进入晶体后，与之发生相互作用，闪烁晶体吸收带电粒子的能量使原子、分子激发，受激发的原子、分子在退激时发射荧光光子，荧光光子的数目、能量、输出的光脉冲幅度与入射射线的能量成正比，入射射线的

38、能量越小，所产生的光子能量越小，输出的光脉冲幅度也越小，反之亦然。利用光导、光反射物质和光藕合剂将荧光光子尽可能收集到光电倍增管的光阴极上，由于光电效应，光子在光阴极上打出光电子。 目前，大多数SPECT机均采用大直径的碘化钠(铊激活)晶体。NaI(Tl)晶体是含有约0.1%铊的碘化钠单晶体。它的发光效率很高，其最强发射光谱波长为4150nm左右，能与光电倍增管的光谱响应较好匹配，晶体透明度也很好。NaI晶体的密度较大，=3.67g/cm3，有效原子序数高达50，所以对射线的探测效率特别高。但它的主要缺点是容易潮解，必须在密封条件下保存和使用，而且质脆，容易碎裂，故使用时应避免大的震动和温度的

39、较大变化，一般室内温度要严格控制在1530之间，每小时温差不超过3。 晶体位于准直器和光电倍增管之间。其准直器侧面(入射面)采用铝板密封，既能透过射线，又能遮光；其光电倍增管侧面(发光面)用光导玻璃密封，晶体内所产生的闪烁光子能顺利地进入光电倍增管。晶体有不同规格的大小和厚度。圆形晶体的直径一般为2841cm，方形和矩形大视野晶体在SPECT机中也广为使用。晶体厚度不仅影响SPECT机的灵敏度和空间分辨率，同时也限定了它所接受射线的能量范围。目前常用的晶体厚度为6.412.5cm。一般薄晶体接受的能量偏低，而厚晶体接受的能量则偏高。薄晶体在SPECT机中使用越来越普遍。它可以提高SPECT机的

40、固有分辨率。最理想的状况是射线进入晶体只经过一次相互作用就以闪烁光形式发射出来，这样产生的闪烁点定位准确，分辨率好。但实际情况并非如此，射线进入晶体后经过多次相互作用才被光电倍增管所探测，这种闪烁点定位不精确，空间分辨率模糊。对于99Tcm和201Tl等低能放射性核素，大部分射线与晶体的相互作用发生在晶体的入射面（靠近准直器）的25mm内。对此，如果应用厚晶体，不仅对灵敏度没有明显改善，而且明显降低了空间分辨率。例如，把晶体厚度从12.5mm降至6.5mm，空间分辨率可以提高70，相应的灵敏度仅损失15。目前大部分的SPECT机均采用9.4mm厚的晶体，以获得空间分辨率与灵敏度之间较好的匹配。

41、 3.光导 光导是装在晶体和光电倍增管之间的薄层有机玻璃片或光学玻璃片，其作用是把呈六角形排列的光电倍增管通过光藕合剂(一般为硅脂)与NaI(Tl)晶体藕合，把晶体受射线照射后产生的闪烁光子有效地传送到光电倍增管的光阴极上。光导有多种形状，一般其下底面为六角形，紧密地排列在晶体之上；上顶面为圆形，与光电倍增管紧密贴合。这样，当应用圆形光电倍增管时，射入光电倍增管之间间隙内的闪烁光便不会损失。此外，光导的侧面涂有对荧光反射性能良好的氧化镁涂剂，以便让更多的闪烁光进入光电倍增管，也可以防止光线从光导的侧面透射到其他光电倍增管的光阴极上。再者，在晶体和光导、光导和光电倍增管之间都充填有光学硅脂，以排

42、除空气，减少闪烁光透过两种光介面时的损失。光导从每次荧光事件中收集闪烁光的能力和正确地把它分配到光电倍增管的能力，影响着SPECT机的空间分辨率、线性度、均匀性和灵敏度。因此，上述措施对提高整机的性能是很重要的。一般说来，薄的光导提供较好的分辨率，而厚的光导则提供较好的均匀性。 4.光电倍增管(PMT)光电倍增管是在光电管的基础上发展起来的一种光电转换器件，它的作用是将微弱的光信号(闪烁晶体在射线作用下发出的荧光光子)按比例转换成电子并倍增放大成易于测量的电信号，其放大倍数可高达106109。光电倍增管主要由光阴极、多级倍增极、电子收集极(阳极)组成，整个系统密封在抽成真空状态的玻璃壳内。光电

43、倍增管的工作原理如图6-4所示。 图6-4 光电倍增管的工作原理 射线在晶体中引起的闪烁光打在光阴极上，通过光电效应产生一定数目的光电子。由于光阴极和各级倍增极之间都加有电压(高压电源经分压电阻R供给)，使阴极产生的电子被有效地放大并集中到下一极，最后在阳极形成很大的电子流，通过负载电阻RL即得到易于测量的电压脉冲。此过程产生的电流量与入射在光阴极上的光子数目成正比。因此，输出的脉冲幅度与射线在闪烁体中的能量损失成正比。 目前，圆探头的SPECT机使用光电倍增管一般为3791个，方形或矩形探头的SPECT机使用光电倍增管一般为5596个。光电倍增管的形状有圆形和六角形两种。圆形晶体一般通过六角

44、形的光导与晶体紧密相贴。六角形的光电倍增管是圆形光电倍增管的最新改进型，其主要优点是去除光导，直接与晶体相贴，消除探测间隙，提高灵敏度和空间分辨率。这种光电倍增管已经逐渐取代圆形光电倍增管和光导。光电倍增管在探头中呈蜂窝状排列。整体光电倍增管的性能稳定性取决于各个光电倍增管的性能参数是否一致、各个光电倍增管的工作电压是否稳定以及是否有足够长的预热时间，它们直接影响着系统的均匀性、分辨率和线性度。对光电倍增管性能影响最大的是直流高压的稳定性。而高压又是由低压交流电经整流升压获得的，所以SPECT机都要求有稳压电源。在经常停电的地方，还要配备不间断供电电源(UPS)，以保证SPECT机的稳定性和工

45、作的连续性。 5.模拟定位计算电路 此电路与光电倍增管相连接。其主要作用是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。模拟定位计算电路一般可分为两类:一类是最常用的Anger型，即加权电阻矩阵网络型；另一类是延迟线时间转换型，此型实际上是前者的改进型。模拟定位计算电路接受来自光电倍增管的电信号，在此转换成具有一定特征的脉冲信号。这些信号的某个物理量(电压或时间)与晶体闪烁点的位置座标成一定的对应关系。Anger型模拟定位计算电路系将闪烁点的位置座标转换为脉冲幅度与之对应的信号;延迟线时间转换型系将闪烁点的位置座标转换为过零时间与之对应的双极脉冲信号

46、。现以Anger型模拟定位原理为例介绍如下(图6-5)： 图6-5 Anger型模拟定位计算电路的工作原理 图6-5是Anger型模拟定位计算电路工作原理简图。图中7只光电倍增管按六角形排列，每个光电倍增管通过加权电阻与X+、X、Y+、Y4根输出导线连接。当闪烁事件在晶体内发生时，闪烁光便从闪烁点位置向四周发射。最靠近闪烁点的光电倍增管接受的光量最多，距离越远，接受的光量也就越少。通过计算每个光电倍增管4个输出脉冲信号的相对大小，便可确定射线在晶体中相互作用的位置。然后，这4个输出脉冲信号被送进前置放大电路和Z信号合成电路，以减少脉冲波形畸变和传输失真，以及确定在此闪烁事件中晶体吸收的总能量并

47、输出能量信号Z脉冲。Z脉冲信号被送进数字式多道脉冲高度分析器进行能量鉴别，以确定此闪烁事件是否为有效闪烁事件。 二、机架部分 SPECT的机架部分由机械运动组件、机架运动控制电路、电源保障系统、机架操纵器及其运动状态显示器等组成。它的主要功能是：根据操作控制命令，完成不同采集条件所需要的各种运动功能，如直线全身扫描运动、圆周断层扫描运动、预置定位运动等；把心电波触发信号以及探头的位置信号、角度信号等通过模数转换器(ADC)传输给计算机，并接受计算机指令进行各种动作；保障整个系统(探头、机架、计算机及其辅助设备等)的供电，提供稳压的各种规格的高低压、交直流电源。限于篇幅，本章仅介绍机架运动及其控

48、制系统。 前面已经讲过，照相机型的SPECT机兼有四大功能：平面显像、动态研究、全身扫描和断层采集。尤其是全身扫描和断层采集，这两种显像方式是在探头和机架的运动过程中完成数据采集的，因此需要有高精度和良好稳定性的运动系统和定位系统，这也是SPECT质量控制的关键之一。 机架运动按其运动形式分为4种：整体机架直线运动(whole body),此时探头处0或180，机架沿导轨作直线运动，检查床与导轨平行，主要适用于全身扫描；探头及其悬臂以支架机械旋转轴为圆心，作顺时针或逆时针圆周运动，检查床与导轨垂直，主要适用于断层采集，此时探头倾斜度必须为0；探头及其悬臂沿圆周运动半径作向心或离心直线运动，主要

49、作用是使探头在采集数据时尽可能贴近病人；探头沿自身中轴作顺时针和逆时针倾斜或直立运动，主要适用于静态或动态显像时特殊体位的数据采集。在实际工作中，往往是、或、联合运动，这就是所谓的“贴身轨道”法全身扫描或断层采集，以提高探测效率和空间分辨率，但由于机架的多种运动使得数据采集总时间稍有延长。 机架运动按其控制方式分为手动控制和自动运行2种。手动控制主要适用于：数据采集前，根据检查部位、体位、倾斜角、旋转角等要求，把探头运动到指定位置；在全身或断层扫描前，必须将预定探头运动轨迹的数据输入计算机控制系统。如椭圆断层轨道的预置四点距旋转中心的最近点的定位；检查床的高度定位；预定全身扫描的起始位置等。自

50、动运行主要适用于全身或断层采集，根据预置运动条件(起始角度和位置、旋转的总角度和运行的总距离等)，在计算机的控制下自动运行并同时采集每个角度和位置上的投影数据。 探头及机架的各种运动方式和速度受机架内定位控制系统的控制。定位控制系统主要由3部分组成：驱动马达控制电路；位置信息存储器；定位处理器。定位处理器实际上是一个微型计算机，它的主要作用是控制探头及机架转动的角度、移动的距离及识别位置。定位处理器受主计算机的控制，并将各种定位数据传输给主计算机。 在主计算机的只读存储器(ROM)中有一组标准的位置编码。每次开机后，主计算机把标准位置编码传输给机架定位处理器，并储存在定位存储器中。在机架内，每

51、种方式的机械运动其正反两个极限位置均装有极限脉冲发生器，当运动滑块触及此脉冲器，即发出停止运动脉冲。在每个驱动马达的后部都装配有同轴运动脉冲发生器，只要马达转子每转动一周，脉冲发生器就发出一个或数个标准脉冲。机架定位处理器把接受的脉冲数与存储器中相应的位置编码相比较，以确定自身的位置。 为了保证断层扫描和全身扫描运动时，探头转动角度和机架移动距离的精确度，在每次开机后、紧急停止运动后或机架运动出错后，都要利用计算机机架位置检测和校正程序，首先进行机架位置自我检测。当自检失败时，都要重新进行机架位置设定，即重新确定各种运动方式的标准脉冲参数。标准参数有3个：角度参数、距离参数和高度参数。手动控制

52、完成以下3个过程并加以确认：机架或探头旋转180和360；直线移动机架100cm；将探头和检查床分别调到最高点和最低点，并确认当探头处于180最低位和最高位时，检查床的最低高度和最高高度，即可建立3个标准参数。然后，再控制机架作各种运动直至运动到正反两个极限，直到限位脉冲器发出停止脉冲为止。这样，计算机通过计算上述平移或旋转单位距离或角度时，同轴运动脉冲发生器所发出的脉冲数，并以此为标准计算运动到正反极限的总脉冲数，即可计算出全程移动的距离或旋转的角度。第4节 输入计算机数据的数字化装置Anger型相机所产生的数据在进入计算机之前，首先必须将模拟信号进行数字化，即转换为数字信号，这种转换是由模

53、拟数字转换器(analog-to-digital converter，ADC)来完成的。转换后的数字数据由计算机的输入/输出（I/O）电路接收。计算机的中央处理器（CPU）在操作者的指令下，再决定如何处理这些数据。 一、模拟数字转换器 衡量模拟数字转换器(ADC)转换效率的指标是转换精度和转换时间。ADC的转换精度一般为8Bit12Bit(28212)，相应地有2564096个标准值可供比较和转换。标准值越多，转换精度就越高。完成模拟数字转换有多种方法，最基本的要求是必须在第2对信号到达之前，迅速完成前一对信号的转换，否则第2对信号将会丢失，因此而产生了转换系统的死时间（dead time）。

54、最常用的快速转换法是逐次渐近法(successive approximation method)，也称为二进制检索算法(abinary search algorithm)。下面我们以12Bit的ADC为例介绍其基本原理。 ADC的比较器电路是将输入的模拟信号与一个电阻网络所产生的一组标准电压进行比较，即信号电压与某个标准电压值进行比较，而这个标准电压值是从一组4096个电压值中选出来的。典型的中间电压值是第2048个电压值。因此，第2048个电压值作为信号数字值的第1个近似值。如果比较器电路发现此时信号电压值小于第1次选择的电压值，则将从4096个电压值中选出另一个新的估计电压值，这个新的估计

55、电压值将取第1个估计电压值(第2048个)与最小的估计电压值(第1个)之间的一半，即第1024个电压值。这种渐近系列将重复8次，每一次从4096个电压值中选出的值更趋于模拟信号的真实电压值。当比较器经过上述比较，输入的模拟信号电压与标准电压的某个值相等时，即将这个值作为此模拟信号的数字化转换值，并以此数字量作为存储器的地址码去打开相应的存储单元，在该单元加1。 二、数字式多道脉冲幅度分析器 SPECT探头部分产生的数据是由X+、X、Y+、Y4个模拟信号和由累加电路将前4个模拟信号合成的一个能量信号Z所组成。X+、X、Y+、Y4个脉冲的幅度就是被探测的射线在X和Y座标位置上的模拟量(正比于X及Y

56、座标值)，而Z信号的脉冲幅度则是被探测的射线能量大小的模拟量(与射入晶体的射线的能量成正比)。 1.能谱 并不是所有的模拟数据都是用于成像的有效信号，这是因为射线所形成的能谱成分比较复杂。所谓能谱就是射线的计数按射线能量的分布。以99Tcm的能谱为例来说明它的组成成分(图6-6)。图6-6 NaI(Tl)闪烁探测99Tcm的能谱图 图6-6 NaI(Tl)闪烁探测99Tcm的能谱图 峰A称为全能峰(total energy peak)，这一脉冲幅度直接反映了射线的能量，是由于光电效应或多次效应使光子在闪烁体中损失全部能量的结果。平台状曲线B称为康普顿平台(Compton plateau)，是由

57、于康-吴散射效应使光子在闪烁体中仅有部分能量被吸收的结果。 2.MCA的基本性能 能量脉冲幅度的甄别极其重要，它将影响系统的空间分辨率和影像的对比度。选择一定幅度范围(对应一定的能量范围)进行计数，能够抑制本底和剔除散射等，显然MCA的作用是选择有用脉冲而剔除噪声脉冲。峰阈值20的窗宽是一个经验推荐值。窗宽增大，将会探测到很多散射光子，使系统的空间分辨率和影像的对比度变差；窗宽变窄，又将使非散射光子被剔除而使总计数率降低，增加了统计误差。 3.MCA的工作原理 MCA的核心电路单元是一个ADC。它把来自前置放大器的脉冲信号(模拟量)转换成逻辑信号(数字量)，并以此数字量作为存储器的地址码去打开

58、相应的存储单元，且在该单元加1(记录一个脉冲)。这个过程相当于ADC把脉冲幅度范围分成若干分离的间隔，每个间隔就构成了一个分析道，并分配一个存储单元记录落于此道内的脉冲。显然，道的多少取决于ADC的转换精度。SPECT机一般采用10244096道的MCA。例如，在4096道MCA中，MCA把010V的脉冲幅度范围分4096道，每道宽10V4096道=0.0025V道，此间隔即为MCA的转换精度。00.0025V为第1道，0.00260.0050V为第2道，共计4096道，存储器也有相应的4096个存储单元。 测量结果，存储器单元的地址数就是道数，存储器单元的内容就是落入该道的脉冲数目。整个存储

59、器单元纪录的内容按地址数顺序取出输出到显示器，其结果就是一幅完整的能谱图（如图6-6）。目前SPECT的NaI(Tl)探测器所能测定的射线的能量为0400keV，所形成的能量脉冲幅度为010V，MCA的分析道有4096道，所以MCA每道宽度为0.0025V，所代表的射线的能量为0.1keV。如果使用的是99Tcm，其能量为140keV，窗宽为20%，则其能量取值范围是112168keV；能量脉冲电压为3.5V，取值范围2.84.2V，所对应的MCA的分析道第1400道，取道范围11201680道。也就是说，经MCA甄别电路比较,脉冲幅度在2.84.2V，记录在存储器第11201680存储单元内

60、的脉冲数为有用脉冲。只有有用脉冲，MCA才会输出一个恒幅等宽的触发脉冲（逻辑信号），触发ADC将与其一起产生的X+、X、Y+、Y位置信号转换为数字信号，并根据其X、Y合成坐标值而被计算机存储在相应的存储单元中。第5节 SPECT机的数据采集及其控制系统正确设置采集参数是获得满意影像的第一步。在采集数据前，应首先对各项采集参数进行逐项设置。常用的采集参数包括：选择所使用放射性核素的能峰及窗宽；例如：核素为99Tcm，能量为141keV，窗宽为20%；选择采集方式,静态、动态、全身、断层等；选择合适的影像矩阵；选择Byte或Word存储方式；选择适当的放大因子（ZOOM）；根据采集方式选择相应的探