核医学仪器影像班

核医学仪器影像班第1页/共106页核物理基础医学知识核医学仪器放射性药物代谢受体基因形态结构、血流、功能第2页/共106页核医学显像仪器的发展历程扫描机1951年美国加州大学Cassenγ照相机1958年H.AngerSPECT1979年Kuhl等

PET2001年《时代周刊》21世纪最具有创意且已商业化的三大发明之一SPECT/PETSPECT/CT;PET/CTMicroPET、MicroSPECT、MicroPET/CTPET/MRI第3页/共106页γ闪烁探测器

（γscintillationdetector

）第4页/共106页γ闪烁探测器实际上是一种能量转换器，其作用是将探测到的射线能量转换成可以记录的电脉冲信号。主要部件由晶体（crystal）［碘化钠（铊），NaI（Tl）］、光电倍增管（photomultipliertube，PMT）和前置放大器组成。第5页/共106页Scintillation；Scintigraphy第6页/共106页扫描机Scanner第7页/共106页γ照相机（γcamera）

第8页/共106页γ照相机是核医学最基本的显像仪器，它由探头及支架、电子线路、计算机操作和显示系统组成。第9页/共106页探头是γ照相机的核心，其性能的好坏决定了整台机器性能机图像性能的好坏。第10页/共106页探头的构成准直器定向准直晶体波长转换器光电倍增管光电转换器第11页/共106页准直器（collimator）

准直器位于探头的最前端它是由铅或铅钨合金铸成的机械装置，它的作用是把人体内四面八方分散的伽玛射线定向准直到闪烁晶体的一定部位上。这种采用准直器的方法称作机械准直，以确别于电子准直。第12页/共106页为什么要用准直器？准直器有什么缺点？第13页/共106页准直器的功能参数几何参数：孔数、孔径、孔长及孔间壁厚度决定了准直器的空间分辨率、灵敏度和适用能量范围等性能参数准直器的空间分辨率与灵敏度是一个矛盾关系第14页/共106页准直器的空间分辨率定义：描述区别两个邻近点源的能力，通常以点源或线源扩展函数的半高宽（fullwidthathalfmaximum,FWHM）表示，半高宽度越小，表示空间分辨率越好。平行孔准直器，FWHM由下式估算：（D为准直孔的直径，L为准直器厚度，z0为准直器表面至源的距离）准直孔越小，准直器越厚，探头距病人距离越近分辨率越高，获得的图像质量越好。

第15页/共106页准直器的灵敏度与探测的射线能量准直器的灵敏度：反映能通过准直器的γ光子占入射到准直器的γ光子的比率。准直孔越大，准直器越薄，灵敏度越高，孔间壁越厚，灵敏度越低。适用能量范围：由孔长和孔间壁厚度决定。高能准直器孔更长，孔间壁也更厚。第16页/共106页准直器(collimator)的分类孔的形状：针孔型、平行孔型、发散型、会聚型及斜孔型。能量范围：低能（<150Kev）、中能（150Kev－350Kev）高能（>350Kev）。灵敏度和空间分辨：高灵敏、高分辨及通用型。第17页/共106页第18页/共106页第19页/共106页紧靠准直器部分是晶体。晶体是探头核心部件。晶体为碘化钠晶体[NaI(T1)]。晶体在探头中起波长转换器的作用。普通放射性核素产生的伽玛射线为高能量，短波长的光子，它不能直接被晶体后面的光电倍增管(PMT)接受，必须把它转换成波长与可见光一样的光子才能被PMT接受（10-19nm

－>400nm左右)。晶体就是起这种波长转换作用。显然，晶体的转换效率是首先应考虑的因素。晶体第20页/共106页NaI晶体的特点

优点：①密度大(p=3.67g/cm3)，对射线的阻止本领高，即吸收率高；②荧光转换效率高；③荧光衰减时间短

(0.25μs)，得到高的时间分辨率，约为10-6s；④制备较为方便，大小和形状可满足临床要求；⑤价格低廉。

缺点：易于潮解,使其透明度降低，性能变坏；薄晶体制造困难；易潮、易碎，使用时应特别小心，不用时一定要加准直器保护。目前SPECT晶体多为边长为40cm左右大晶体。第21页/共106页

晶体的形状可以是方形、矩形和圆形，圆形用得最多。晶体的主要规格是它的大小和厚度。矩形和方形晶体则以边长表示。目前大面积的晶体面积可达600×400mm2。晶体厚度用毫米表示(传统用英寸)。第22页/共106页目前γ相机和SPECT探头的晶体一般在6.4mm(1/4英寸)~25.4mm（1英寸）范围内对Tc-99m（140keVγ射线）等低能核素，大部分相互作用发生在晶体前端2~5mm内，应该使用薄晶体如果将晶体从12.5mm降到6.5mm，空间分辨率可提高70%，而相应的灵敏度仅损失15%SPECT探头通常使用9.525mm（3/8英寸）带符合探测的多功能SPECT（SPECT/PET），为兼顾高能射线（511keVγ射线）的探测，通常使用15.875mm(5/8英寸)~25.4mm（1英寸）的厚晶体。晶体厚度选择考虑的因素第23页/共106页光电倍增管(PMT)晶体的后面是光电倍增管。光电倍增管成各种阵列排列，依晶体的形状而定。光电倍增管的个数随视野大小和PMT的大小而变。相应的探头PMT的总数最少为19，最多可达91或更多。增加PMT的个数可改善空间分辨，但影响探头的均匀性。常用的PMT为圆形，光阴极直径7.5mm或50mm，近来采用六角形或方形PMT的机器也不少。晶体与PMT间有光导。第24页/共106页第25页/共106页电子学线路放大电路、位置电路、能量电路、线性校正、能量校正及均匀性校正电路等位置和能量电路是核心，以确定光子产生的位置和成像核素发射射线的能量第26页/共106页γ光子事件位置的确定一个光子在晶体中产生多个闪烁光子，被多个光电倍增管接收；各个光电倍增管接收的闪烁光子的数目随其离闪烁中心（γ光子处）的距离增加而减少；由位置电路和能量电路根据不同位置的光电倍增管接收到的闪烁光的强度来确定γ光子的位置。

第27页/共106页光子能量甄别——脉冲幅度高度分析器PHA第28页/共106页光子能量甄别——脉冲幅度高度分析器PHAPHA用来选择放射性核素的能量和能谱范围。单道分析器主要由上阈、下阈道宽和构成。改变道宽的大小可选择能谱的范围。伽玛照相机的道宽经常选在20%，包括了放射性核素光电峰的位置，可用来选择伽玛照相机所用的放射性核素。选择设定核素能量窗的γ光子被记录，剔除低能γ光子（例如，散射光子）及高能γ光子。第29页/共106页单道脉冲幅度高度分析器第30页/共106页其他辅助电路1、放大电路2、取样保持线路3、均匀性校正电路第31页/共106页伽玛照相机的工作原理注入人体的放射性核素发射出的伽玛射线首先经过准直器准直，然后打在碘化钠晶体上，碘化钠晶体产生的闪光由一组光电倍增管收集。任何一次闪烁均将在各个光电倍增管上产生不同的响应。响应的强弱与光电倍增管距闪烁点的位置有关，距闪烁点愈近，产生的响应愈强，将所有光电倍增管的响应加起来可以产生位置信号和能量信号。位置信号确定了闪烁事件发生的位置，能量信号确定那些闪烁事件该启辉，那些闪烁事件不该启辉。经过上述处理的信号成为一个计数被记录，形成一幅人体放射性浓度分布图像，即为一幅γ相机图像第32页/共106页singlephotoemissioncomputedtomography(SPECT)

单光子发射型计算机断层仪

第33页/共106页CT(computedtomography)计算机断层仪TCT

Transmission

CTECT

Emission

CTSPECT(singlephotonemissioncomputedtomography)单光子发射型计算机断层仪PET(positronemissiontomography)正电子发射型计算机断层仪第34页/共106页SPECT成像原理是一台高性能的γ照相机的基础上增加了支架旋转的机械部分、断层床和图像重建（reconstruction）软件，使探头能围绕躯体旋转360o或180o，从多角度、多方位采集一系列平面投影像。通过图像重建和处理，可获得横断面（transversesection）、冠状面（coronalsection）和矢状面（sagittalsection）及其它斜断面的断层影像。第35页/共106页第36页/共106页第37页/共106页第38页/共106页第39页/共106页第40页/共106页由已知不同方向的投影值来求物体内各点的分布称图像重建。SPECT成像原理即将通过探头的旋转得到的各角度投影图像利用图像重建的方法重建出各方向的断层图像。目前常用的图像重建方法为滤波反投影法（FBPfilteredbackprojection）。对于一些不完全角度投影可以采用迭代法（OSEM）重建图像。第41页/共106页在数字图像中，图像单元的大小，是用二进制单位比特(Bit)表示的数字量。图像可划分成许多小的方块或单元，称矩阵单元。常用图像矩阵有64×64、128×128、256×256等。在SPECT中，我们事先并不知道各个矩阵单元的值，我们仅从测量中知道沿某一方向上各矩阵单元的和，称射线和或投影。从不同方向投影中可以求出矩阵单元的值，这就是图像重建的任务。显然，如果知道了图像矩阵单元值，一幅图像性质也就知道了。图象重建的预备知识第42页/共106页第43页/共106页SPECT断层图像校正衰减校正及散射校正衰减校正：补偿组织对光子的衰减，以提高图象质量和准确软件校正：假想组织对光子的衰减是均匀的，对非均匀衰减的校正效果均不理想透射扫描校正法：用放射源或CT投射扫描获得成像组织衰减的分布，即衰减图。利用衰减图在图像重建过程中，进行衰建校正。这种校正是针对具体的衰减分布进行的,所以对于非均匀衰减的情况能校正出较为理想的重建图像。

第44页/共106页SPECT断层性能指标

断层均匀性空间分辨率旋转中心断层对比度断层灵敏度和总灵敏度第45页/共106页γ照相机和SPECT的质量控制主要性能指标：线性、均匀性、空间分辨率真实分布桶形失真枕形失真第46页/共106页SPECT/CT第47页/共106页SPECT/CTnuclearmedicine－unclearmedicine解剖图像与功能图像融合nuclearmedicine－clearmedicine软件融合硬件同机融合第48页/共106页SPECT探头X线管球、探测器第49页/共106页SPECT/CT中CT的作用衰减校正、解剖定位及诊断功能第50页/共106页GEDiscoveryVH第51页/共106页GEinfiniaVC第52页/共106页第53页/共106页positronemissiontomography

正电子发射型计算机断层仪第54页/共106页采用正电子核素标记的放射性药物，真正反映体内分子代谢的影像不使用准直器，利用淹没辐射后两个伽马光子互成180度而采用符合探测，即电子准直

PET的性能不断提高，装机量也逐年上升美国及欧洲一些国家政府和保险公司已将多种PET检查列入医疗保险范围我国从上世纪90年代中期开始引入PET

正电子发射型计算机断层仪第55页/共106页第56页/共106页PET的特点多环及模块结构探头。经典晶体为锗酸铋（BGO），现发展出硅酸镥（LSO）、硅酸钆（GSO）等新晶体。仪器探测灵敏度及空间分辨率较SPECT有明显增高。常用的正电子核素为人体基本元素，真正的生理生化断层。可进行准确的定量计算。第57页/共106页PET的工作原理正电子衰变与淹没辐射符合窗与符合探测第58页/共106页PET成像原理引入人体内的发射正电子的放射性核素及其标记物发射出的β＋粒子在体内经湮灭辐射产生两个方向相反和能量均为511Kev的光子同时入射至互成180°环绕人体的多个探测器通过符合探测(coincidencedetection)而被接收，把这些光子对按不同角度分组，就得到放射性核素在不同角度的投影。再通过图像重建即可得到各断面的断层图像。第59页/共106页第60页/共106页符合探测(coincidencedetection)第61页/共106页PET不能区分的三种符合第62页/共106页随机符合和散射符合计数都和噪声一样，会降低图像分辨率和对比度，影响图像质量。符合计数率增加到一定程度时，随机符合和散射符合计数率以平方级数增加。PET药物活性度增高到一定程度时，图像质量反而严重下降。第63页/共106页PET的结构扫描机架、主机柜、操作控制台和检查床探头是机架、仪器的核心部件

第64页/共106页第65页/共106页一个晶体组块和与其相连的光电倍增管组成一个探测器组块(detectorblock)。

每一晶体组块又被分割成多块小晶体66~88，其中每一个小晶体块为一个探测器。

第66页/共106页PET晶体晶体性能：包扩发射光谱、衰减长度、闪烁衰减时间、光电效应分支比、发光效率等晶体的种类时间分辨好、阻止本领强、光产额高高档PET使用锗酸铋(Bi4Ge3O12,,BGO)、掺铈的氧化正硅酸钆（Gd2SiO5[Ce],GSO）、掺铈的氧化正硅酸镥（Lu2SiO5[Ce],LSO）低档PET主要使用碘化钠（NaI(Tl)）晶体。第67页/共106页PET主要性能指标

能量分辨率(energeresolution)与能窗(energywindow)空间分辨率由于理论及探测技术上的限制，PET所能达到的空间分辨率是有限的正电子的飞行距离探测到的湮灭辐射双光子的位置并非发射正电子的核素的位置。正电子的能量从零到最大（衰变能）连续分布,因此正电子的飞行距离也是从零到最大射程连续分布的。大多数正电子的能量位于1/3Emax左右，不同的核素Emax不同，其正电子飞行的平均距离也不同。第68页/共106页电子的运动动量守恒定律；两个伽马光子成角与180度稍有偏差。探测技术限制：PET在运行中的实际空间分辨率与许多因素有关：如采集方式、图像重建、最终图像的信噪比等。

实际系统的分辨率达不到极限值，目前最好的专用型PET的分辨率接近4mm(18F)PET主要性能指标

第69页/共106页灵敏度

系统灵敏度取决于扫描仪的设计构造及数据的采集方式。如在2D方式时，至多有3%的湮灭辐射事件可被探测；在3D时，灵敏度可增加5倍示踪剂剂量一定时，灵敏度越高，所需的扫描时间越短，对动态采集有重要意义；在静态采集时，灵敏度高，可有效地缩短采集时间。当扫描时间一定时，灵敏度越高，所需示踪剂剂量越小，降低病人所接受的辐射剂量，有利于辐射防护。PET主要性能指标

第70页/共106页PET图像的采集采集过程包括空白扫描、透射扫描和发射扫描发射扫描又可从空间上分为2D和3D方式时间上分为静态、动态和门控采集此外还有局部和全身采集方式

第71页/共106页PET的2D和3D采集模式2D采集时探头环与环之间放置栅隔（septa）。栅隔由铅或钨等重金属屏蔽材料制成，防止错环符合事件发生。3D采集收进环间栅隔，系统会记录探测器之间任何组合的符合事件。第72页/共106页移取栅隔使随机和散射计数所占比例增大（>30%)。0200400600800100012001400160018002000SeptaInSeptaOutScatterEventsTrueEvents屏蔽栅隔的存在减少随机和散射符合计数(<10％)。PET的2D和3D采集模式第73页/共106页3D形成的符合线数比2D方式多出8～12倍。3D方式使系统的灵敏度远远高于2D方式，但数据量过大使图像重建所需时间延长。散射符合所占的比例由2D时的15%～20%增加到3D的50%～70%，以致于必须采取有效的散射校正，才能获得较好的图像质量。

第74页/共106页2D采集：信噪比高，随机符合和散射符合计数较小图像校正和图像重建简单，定量处理准确轴向FOV均匀性较好灵敏度较低，采集时间较长3D采集：灵敏度较高，节省采集时间随机符合和散射符合计数较高图像校正和图像重建复杂，定量精度很差轴向FOV均匀性较差PET的2D和3D采集模式第75页/共106页2D和3D图像比较第76页/共106页探测器归一化放射性核素的衰败校正组织衰竭校正散射校正随机符合校正死时间校正PET原始数据的校正第77页/共106页PET影像的重建Backprojectedratios“TrueImage”Data(noiseless)FirstImageForward-ProjectedDataRatioofDatatoEstimate

UpdatedImageEM迭代重建10×(0.75+1.25+1.00)/3=10第78页/共106页为加快EM迭代收敛，采用OS-EM算法Orderedsubsetsexpectatinnmaximization,有序子集最大期望值法PET影像的重建“TrueImage”Iteration0Iteration1Iteration5Iteration10Iteration20第79页/共106页PET的定量分析（一）像素值（pixelvalue）像素计数一个像素中的真符合事件的数量放射性浓度像素的放射性浓度反映该像素组织对示踪剂的摄取程度

标准摄取值(standarduptakevalue,SUV)

将放射性浓度除以单位体重的用药量，称为“标准摄取值”。

第80页/共106页（二）感兴趣区（regionofinterest，ROI）的像素平均值（三）靶本比（target-to-backgroundratio,T/B）（四）放射活度--时间曲线（time--activitycurve，TAC）

PET的定量分析第81页/共106页SPECT－PET第82页/共106页SPECT/PET兼容型ECT既有普通SPECT的功能，又能对正电子进行符合成像即具有PET的功能也称为多功能ECT、带符合线路SPECT、SPECT/