核仪器-核探测仪器的基本原理课件

核仪器电离作用荧光现象感光作用第一节核探测仪器的基本原理一、放射性探测的基本原理二、放射性探测器的种类（一）闪烁型探测器3.光电倍增管（photomultipliertube，PMT）

2.光导（lightguide）：硅油，有机玻璃1.闪烁体(scintillator)：

NaI（Tl），BGO，GSO，LSO光电倍增管工作原理（二）电离型探测器电离室（ionizationchamber），正比计数器（proportionalcounter）盖革计数器（Geiger-Mullercounter）

（三）半导体探测器碲锌镉（Cadmium-Zinc-Telluride，CZT）（四）感光材料探测器感光材料核医学仪器

在医学中用于探测和记录放射性核素放出射线的种类、能量、活度、随时间变化的规律和空间分布的仪器，统称为核医学仪器常用探测仪器

体外样本测量仪器

γ

闪烁计数器液体闪烁计数器

活度计临床诊断仪器SPECTPET功能测定仪防护和剂量仪器

表面污染监测仪

场所剂量监测仪

个人剂量监测仪闪烁探测器

闪烁探测器

实质上是能量转换器，将射线能转换为电脉冲信号，即放射能光能电能

分为固体闪烁探测器和液体闪烁探测器射线激发闪烁体分子受激闪烁体分子回复基态时发出荧光PMT接受光信号并转换为电信号，电信号的数目与高度分别与射线的活度和能量成正比电离探测器原理：在密闭的装满空气的圆柱形管中，射线使空气分子产生电离。在电场作用下，正离子向阴极，电子向阳极。收集所形成的电脉冲的次数和电量强弱信号，就可以反映射线的活度和能量。分类电离室

正比计数器

盖革计数器半导体探测器探测原理：射线与CZT晶体作用时，晶体内部产生电子和空穴对，产生的电子和空穴对的数量和入射光子的能量成正比。带负电的电子和带正点的空穴分别向正负电极移动，形成的电脉冲，其强度与入射光子的能量成正比。用于心脏专用型SPECT乳腺SPECT小动物PET等。感光材料探测器探测原理：射线可使感光材料感光。根据感光材料产生黑影的灰度及位置判断射线的量及部位。主要用于实验核医学的放射自显影。核探测仪器的基本结构辐射探测器（radiationdetector）利用射线和物质相互作用产生的各种效应将射线的辐射能转变为电子线路部分能处理的电信号。

电子学单元根据不同的测量要求和探测器的特点而设计的分析和记录电信号的电子测量仪器。数据处理系统

按不同的检测目的和需要而配备的计算机数据处理系统、自动控制系统、显示系统和储存系统等。

核射线测量仪器的组成框图核射线闪烁体光导光电倍增管前置放大器主放大器脉冲高度分析器记录装置工作电源核医学仪器发展简史井型晶体闪烁计数器闪烁扫描机19741979195719501951γ照相机

PETSPECT2001

PET/CTSPECT/CT闪烁扫描机显像仪器

Scanner

机械移动配合逐点打印方式记录

γCamera

一次获得平面静态或动态影像

ECT：Emissioncomputedtomography

发射式计算机断层

放射性核素扫描仪Scanner逐行扫描、探测、打印记录放射性信号甲状腺扫描肝扫描肺扫描脑扫描部分脏器的扫描图象核医学显像仪器与X线显像仪器的区别

第二节γ照相机1957年，由HalAnger研制成功，因此，也称为Anger型γ照相机(γ-Camera)γ照相机结构探测器（探头）准直器：铅或铝钨合金闪烁晶体：NaI（Tl）光电倍增管电子学线路前置放大器、主放大器、脉冲高度分析器等电子学线路显示装置PHAPMT晶体准直器计算电路光导

照相机结构示意图

γCamera准直器由铅或铅钨合金从中央打孔或者是四周合拢形成的装置，放于病人与晶体之间。保证γ照相机的分辨率和定位的准确

晶体

NaI（Tl）掺铊碘化钠。作用是把经准直器进入的射线能量转换成荧光光子。

Tl元素在这里仍作激活剂用，减少信号失真，增加探测效率。

NaI晶体柱各种型号的光电倍增管光电倍增管&脉冲幅度分析器光电倍增管为数众多的光电倍增管均匀地排列在晶体的后面，紧贴着晶体。数量多少与定位的准确性有关。脉冲幅度分析器

有选择性地记录从晶体和光电倍增管输送来的电脉冲信号。排除本底及其他干扰信号。

信号分析和数据处理系统

包括电子学线路和计算机。

电子学线路除脉冲幅度分析器外还有前置放大器、主放大器及均匀性校正电路、位置线路等。γ照相机工作原理探测到光子经电子学线路分析形成脉冲信号，经计算机采集,处理,最后以不同灰度或色阶显示二维脏器显影或放射性分布。应用：各种脏器静态显像，快速连续动态显像，附有特殊装置，可进行全身显像。GammaScintillationCamera

Themaininstrumentfornuclearmedicineimagingisthelargefieldofgammacamera.Firstdevelopedin1956byHalAngerthisdevicehasbecomethemainimagingtoolofnuclearmedicine.脑r照相肝胆系统r照相肝脏r照相肾脏r照相甲状腺r照相部分脏器的γ照相图片第三节SPECT及SPECT/CT一、SPECTSPECT：SinglePhotonEmissionComputedTomography单光子发射型电子计算机断层γ照照相机与电子计算机技术相结合发展起来的一种核医学显像检查仪器，在γ照相机平面显像的基础上，应用电子计算机技术增加了断层显像功能主要提供组织器官的功能和代谢变化信息组成：探测器（探头）、机架、检查床和图像采集处理工作站探头是SPECT的核心部件，探头数通常为1~3个Imagingequipment：SPECT

照相机成像固有缺点1、微小的病变、深在的病变或放射性浓度改变较小的病变，常可被其前后的放射性掩盖而难以显示2、不便于对病变进行三维定位3、不能对放射性分布进行精确的定量计算Siglephotonemissioncomputedtomography（SPECT）Positronemissioncomputedtomography（PET）SPECT工作原理探头围绕受检对象或部位呈180和/或360旋转，从多角度、多方位采集一系列平面投影像，经计算机图像处理系统重建获得横断层面、冠状面和矢状面影像。SPECT成像特点SPECT的图像是反映放射性药物在体内的断层分布图放射性药物能够选择性聚集在特定脏器、组织或病变部位，使其与邻近组织之间的放射性分布形成一定程度浓度差

SPECT旋转型γ

照相机＋计算机断层技术从单探头发展到双探头和三探头符合线路SPECT，用于PET成像（一）单探头SPECT（二）双探头SPECT（三）三探头SPECT（四）双探头符合线路断层显像仪二、SPECT/CT（一）SPECT/CT

SPECT和CT两种成熟技术相结合形成的一种新的核医学显像仪器实现了SPECT功能代谢影像与CT解剖形态学影像的同机融合

一次显像检查可分别获得SPECT图像、CT图像及SPECT/CT融合图像可以采用X线CT图像对SPECT图像进行衰减校正（二）SPECT与CT结合的两种方式SPECT和CT位于同一机架：在SPECT探头机架上安装一个X线球管，对侧安装探测器SPECT与CT位于不同的机架：在SPECT机架后再并排安装一个高档螺旋CTSPECT/CT三、SPECT的图像采集（一）采集方式静态采集与动态采集平面采集与断层采集局部采集与全身采集门控采集（二）断层采集SPECT探头绕患者旋转180°～360°每隔一定角度（3°～6°）采集1帧图像获得靶器官各个方向的放射性分布信息经过电子计算机重建断层图像。由已知不同方向的物体投影值求该物体内各点的分布称为图像重建，也就是利用物体在多个轴向投影图像重建目标图像的过程。

（一）滤波反投影法（filteredbackprojection，FBP）滤波(Filter)，反投影(Backprojection)。滤波：Ramp，Hann，Hanning，Butterworth重建方法：四、SPECT的图像重建反投影重建按照投影方向把投影数据反投向来的方向。滤波反投影重建用滤波函数去除反投影重建图像伪影。

（二）迭代重建法给待求断层图像赋予一个初始估计值根据初始值计算出理论投影值将它和实测投影值进行比较，计算出每个像素的修正量，对初始图像进行修正然后再根据新的断层图像估计值计算理论投影值，与实测投影值比较，再次修正断层图像估计值。接着是第三次循环、第四次循环……。衰减校正方法为什么要进行衰减校正？在探头的对侧设置放射源，利用放射源发射出的γ射线由患者体外穿透人体，在SPECT探头上成像。在同一台SPECT上同时获得透射(transmission)图像和发射(emission)图像，从透射图像求得被显像部位的三维衰减系数分布图，对发射型断层图像进行衰减校正。目前，SPECT/CT可采用X线进行图像衰减校正。显像用放射性核素γ射线的能量主要在80~500keV之间人体组织的衰减(Attenuation)对投影值有较大影响。SPECT断层重建算法忽略了组织对γ射线的衰减作用，使图像定量不准，出现伪影。图像衰减校正(AttenuationCorrection，AC)是解决人体衰减的主要方法。五、图像的衰减校正空间分辨率2空间线性4均匀性31平面源灵敏度33六、SPECT的质量控制和性能评价最大计数率5固有能量分辨率7其他：断层均匀性、空间分辨率、断层厚度、断层灵敏度等9多窗空间位置重合性36旋转中心38显像系统的综合评价109第四节PET、PET/CT及图像融合技术一、PET

PET:PositronEmissioncomputedTomography正电子发射型电子计算机断层（一）PET的组成

机架（Gantry）、扫描床、电子柜、操作工作站、分析工作站及打印设备等。

1.机架探测器环、棒源（pinsource）、射线屏蔽装置、事件探测系统（theeventdetectionsystem）、符合线路（thecoincidencecircuitry）及激光定位器等组成。主要功能为数据采集。（1）探测器环若干个晶体排列而成，是决定PET性能的最重要部分。探头晶体的材料不同，接收光子并转化为可见光的性能也有差异。晶体主要有：锗酸铋（bismuthgerminate，BGO）硅酸钆（gadoliniumorthosillicate，GSO）硅酸镥（lutetiumoxyorthosillicate，LSO）LYSO等。临床型PET（C-PET）采用NaI（Tl）晶体，但现在已经趋于淘汰。

碘化钠晶体探测器示意图（2）棒源（pinsource）将68锗（68Ge）均匀地封装在中空的小棒内；也有使用半衰期较长的137Cs。作用：对PET扫描仪进行质量控制透射扫描进行图像衰减校正（3）隔板（speta）隔板包括2部分：一部分是探测器环两边的厚铅板，作用是屏蔽探测器外的射线；另一部分为厚度为1mm的环状钨板，位于探测器环与环之间，将轴向视野分隔成若干环，钨隔板的作用是屏蔽其他环视野如射的光子对，与准直器的作用相似；3D采集时，将钨隔板撤出显像视野，取消屏蔽作用。目前，仅有3D采集模式的PET已经无隔板。

5.打印设备

4.操作工作站及分析工作站

3.电子柜

2.扫描床PET:Mechanism常用正电子发射体18F

T1/2=110min11CT1/2=20.4min13N

T1/2=9.96min15O

T1/2=2.04minPETTracers示踪剂类型

显示的生物过程H2O

血流量CO血容量CO2

氧利用率乙酸氧化代谢速率2-脱氧葡萄糖（FDG)

葡萄糖代谢（“世纪分子”）氨基酸蛋白质代谢，肿瘤增殖，神经介质神经递质神经活动/调节特异性配体受体密度、亲和力神经活动/调节酶活性物质酶浓度、活性核酸DNA合成,细胞增殖（三）PET采集的计数类型单个计数真符合计数随机符合计数散射符合计数

2D采集与3D采集示意图（四）PET图像采集1.发射扫描2D采集和3D采集静态采集和动态采集门控采集局部采集和全身采集2．透射扫描透射扫描是利用棒源围绕身体旋转，采集放射性源从体外透射人体后所剩余的光子。透射扫描和空白扫描的结果相结合可以计算得到组织的衰减系数。透射扫描的主要目的是对发射扫描进行衰减校正。作用：对发射扫描进行衰减校正3．早期显像和延迟显像早期显像（earlyimaging）延迟显像（delayedimaging）双时相显像（dual-timepointimaging）滤波反投影法OSEM法滤波反投影与OSEM法图像质量比较（五）图像重建滤波反投影法（filteredback-projection）有序子集最大期望值法（orderedsubsetsexpectationmaximization，OSEM）

4.归一化校准（normalizationcalibration）5.井型计数器校准（wellcountercalibration）

3.光电倍增管增益调节（PMTSingleUpdategainadjustment）

2.符合计时校准（coincidenceTimingcalibration）

1.空扫（blankscan）（六）PET的质量控制（七）PET的性能评价标准美国电器制造商协会（NationalElectricManufacturersAssociation，NENA）于1994年制定了PET性能评价标准及测试方法NEMANU2-1994，2001年对其进行了更新，更新后版本为NEMANU2-2001。国际电工委员会（InternationalElectronicCommittee，IEC）于1998年制定了IEC61675-1PET性能评价标准，此外，日本、澳大利亚、新西兰等国家也制定了相应的标准。我国2003年颁布了《放射性核素成像设备性能和测试规则》第一部分：正电子发射断层成像装置（GB/T18988.1-2003/IEC61675-1：1998）。

PET的性能评价需要使用标准模型进行测试，测定结果与使用的模型有关，使用的模型不同，结果也有差异。目前，国际上多采用NEMA标准。PET性能参数测试主要包括空间分辨率、灵敏度、探测器效率、噪声等效计数率、时间和能量分辨率等。PET与SPECT比较PET灵敏度较SPECT提高10～20倍并改善空间分辨率PET显像所用的正电子发射体是组成人体的固有元素PET容易进行衰变校正和定量分析二、PET/CTPET/CTCT数据可用于PET图像的透射衰减校正显像检查时间大大减少。同时获得全身PET、CT及PET/CT图像。实现了PET（功能）与CT（形态）图像同机融合举例：卫星云图与地图（一）PET/CT的结构及功能

由PET和多排螺旋CT组合而成同一个机架内有PET探测器、CT探测器和X线球管共用同一个扫描床、图像采集和图像处理工作站可以采用X线CT图像对PET图像进行衰减校正PET/CT是一个全新的系统PET影像（功能）CT影像（形态）一体化的机架系统一体化的检查床一体化的操作工作站系统1+1>2不是简单的“PET+CT”PET/CT图CT扫描&PET扫描PET采集，发射扫描与前面所述的PET图像采集相同采用棒源进行的透射扫描可由X线CT扫描代替CT扫描：通常先进行CT扫描CT扫描的目的：衰减校正、解剖定位、CT诊断仅用于衰减校正和解剖定位，可采用低毫安/秒设置，减少病人辐射剂量用于CT诊断，建议采用标准毫安/秒设置，以优化CT

扫描的空间分辨率调节球管的电流将病人受到的辐射剂量最小化。（二）PET/CT的图像采集PET/CT包括PET和CT应当分别对PET和CT进行性能评价，再对PET/CT整体进行性能评。PET的性能评价如前所述。CT性能测试按我国国家质量技术监督局与国家卫生部于1998年12月7

日颁布的《X射线计算机断层摄影装置影像质量保证检测规范》（GB/T17589-1998）进行。检测项目共有9项，包括定位光精度、层厚偏差、CT值、噪声、均匀性、高对比分辨率、低对比分辨率、CT剂量指数、诊断床定位精度。PET/CT整机的性能测试主要是采用PET图像与CT图像进行融合精度评价。目前，尚无权威机构制定的标准测试方法。

（三）PET/CT的性能评价

PET、PET/CT及图像融合技术图像融合技术是将来自相同或不同成像方式的图像进行一定的变换处理，使其之间的空间位置、空间坐标达到匹配的一种技术。PET/CT以PET特性为主，同时将PET影像叠加在CT图像上，使得PET影像更加直观，解剖定位更加准确。PET/CTPET/MRI图像融合技术PET图像缺陷无功能组织不显像，导致PET图像缺少高分辨解剖参照不同组织往往有相似的示踪剂摄取导致PET图像结构对比度低PET功能图像+CTMRI高分辨解剖图像—— PET/CTPET/MRI图像融合技术PET/CTPET/MRI图像融合技术18F-FDGPET肿瘤显像的临床评价

男性，78岁，左肺鳞癌。(a):CT显示等密度病灶。(b):PET显示病灶呈边缘高代谢及中心坏死。

(c):CT与PET融合图像，肺门淋巴结转移被PET显示

ECT与XCT比较XCTECT穿透型发射型组织密度差异组织浓聚放射性的能力反映解剖结构反映生理功能形态显像代谢显像SPECT显像核医学显像仪器与X线显像仪器的区别

第五节功能测定仪器甲状腺功能测定仪甲状腺功能测定仪肾功能测定仪多功能测定仪

探针甲功仪RadioactivitycountTimeactivitycurve肾功仪多功能测定仪

探针治疗用核仪器

β射线敷贴器

32P和90Y等

前列腺治疗仪等。

第六节体外样本测量仪器放射性样本计数测量仪器γ

闪烁计数器：测γ

射线，如放免仪液体闪烁计数器：测低能β射线

特点：放射性样品溶于闪烁液或附着于固体支持物，浸于闪烁液中测量。需作淬灭校正。活度计：测放射性样品的绝对活度Samplecountersandwellcounters相对测量：γScintillationCounter

βScintillationCounter

获得cpm或cps绝对测量：Radionuclidedosecalibrator(活度计)获得Bq或mCi

放射免疫测定仪γ免疫计数器液体闪烁计数器活度计第七节放射防护仪器

个人剂量监测仪:袖珍剂量仪、胶片剂量计、热释光剂量仪

表面污染监测仪:探测a、β、γ射线污染,以每计数/s读出

场所剂量监测仪:直接获得辐射场强度,rad/h,Gy/h.

辐射剂量监测仪表面污染监测仪便携式剂量仪热释光个人剂量仪一、半导体探测器与SPECT（一）半导体探测器碲锌镉（Cadmium-Zinc-Telluride，CZT）:最新研制的半导体探测器探测效率高、能量分辨率好CZT探测器可以直接将

射线转化成电信号探测原理：射线和CZT晶体作用时晶体内部产生带负电荷的电子和带正电荷的空穴对产生的电子和空穴对的数量和入射光子的量成正比电子和空穴向不同的电极运动形成电