核医学仪器与辐射测量

第一节核医学仪器一、闪烁探测原理二、计数器原理三、液体闪烁计数器四、核医学成像的分类五、医用回旋加速器六、单光子发射成像（SPECT)七、正电子发射成像(PET)八、衰减校正与图像融合基本知识测量射线的种类：、射线探测基本原理：射线与物质相互作用；射线光电，转换基本组成：探测器、电子学线路

一、闪烁探测原理构成：闪烁体、光电倍增管、前置放大器

固体NaI(Tl)、BGO、LSO

闪烁体液体闪烁液1、NaI(Tl)闪烁探测器

目前实验核医学仪器与临床核医学仪器的探测器多采用NaI晶体作为能量转换介质。探测器是由NaI晶体、光电倍增管、前置放大器三部分组成。

井型NaI晶体光电倍管

探测器的基本组成射线与电脉冲信号转换原理

光子或带电粒子入射NaI闪烁晶体闪烁体分子激发退激发出闪烁荧光射入光电倍增管阴极产生光电子联极倍增负电子流阳极使阳极电位瞬间下降在RC电路形成电脉冲信号。

CR闪烁探测的两个重要关系1、入射射线的能量正比于脉冲幅度（高度）

2、单位时间内入射射线的强度（活度）正比于脉冲个数

2、液体闪烁探测闪烁液组成：溶剂（99%以上）M、闪烁剂（1%以下）F、第二闪烁剂（匹配）液体闪烁探测主要用于测量低能

-射线H3能量18.6KeV半衰期12.33年C14能量158KeV半衰期5692年1/3E

maxE

max1/3液体闪烁探测原理

-射线发出的能量被溶剂分子吸收,使溶剂分子激发,退激时大部分以热能形式消耗,仅有小部分能量传递给闪烁剂并使之激发,退激时产生闪烁荧光。液体闪烁测量为空间4分布测量阴极

-射线溶剂闪烁液

-+MM*M*+FF*+MF*F+h二、免疫计数器

主要用于放射免疫测定，使用的射线为I125核素，能量为35KeV，半衰期59.17天。

NaI晶体采用井型探测方式，并用铝材料封装。免疫计数器原理框图PMT主放大器单道脉冲高度分析器定标器高压低压微机样品试管单道脉高度分析器反符合原理E1、E2为域值，E(道宽)=E2-E1反符合原理：

Ui

E1无输出E1

ui

E2有输出UiE2无输出上限下限反符合uouiotE2E1三、液体闪烁计数器Nc=2n1n2n1、n2分别是单管各自计数Nc两恻输出相遇的符合计数符合分辨时间20～50ns探头A探头B快符合门控放大器单道输入12345样品2

AB液体闪烁计数器

液体闪烁测量采用双探头探测主要是为了消除测量本底、光电倍增管热噪声等随机信号。液闪计数器为了进行淬灭校正,需要对样品进行多道测量并加以比较,因此,仪器多为3～5个测量道并将每个测量道的域值、道宽调为不同的值。四、核医学成像的分类

核医学成像是将放射性核素注射到人体内后，由于放射性核素参与人体内的正常或异常功能和代谢变化，因而可以通过放射核素在体内分布和代谢反映人体内的病理或生理变化。通过探测装置在人体外探测体内放射性核素分布，观察体内病理或生理过程。

核医学成像仪器分类照相机单光子发射型计算机断层仪（SPECT）(SinglePhotonEmissionComputedTomography)正电子发射型探测仪（PET）(PositronEmissionTomography)复合电路探测系统(CoincidenceDetector)核医学成像所需放射性核素单光子核素:

相机、SPECT、符合电路探测系统正电子核素：PET、符合电路探测系统单光子核素

核反应堆生产,在生产过程中,用中子轰击母靶,得到过剩的中子而变成激发态,激发态的原子核在衰变中放出一个

-粒子,此时原子核处于不稳定状态,回到基态时释放出光子。光子是单方向也是单个的,称单光子核素。140KeV计数能量235U→99Mo→

核反应堆生成的单光子核素→99mTc核反应堆生成的单光子核素正电子(双光子)核素

回旋加速生产→缺中子→质子转化为中子→产生一个

+粒子(正电子)→

+粒子在组织中与负电子结合→形成大小相等方向相反的一对光子。回旋加速

化学合成器

医用回旋加速器生成的放射性核素五、医用回旋加速器什么是加速器：通过电磁场对带电粒子加速使其获得足够能量轰击目标靶的设备就是加速器。加速器的种类：直线加速器、回旋加速器

直线加速器1955年首台医用回旋加速器（英国）医用回旋加速器

住友HN-20回旋加速器原理

在周期性变化的电磁场中,沿着圆形轨道将带电离子进行加速,轰击原子核,使其发生裂变,用以生产短半衰期正电子放射性核18F、13N、15O和11C。医用回旋加速器结构医用回旋加速器工作原理

在回旋加速器中心部位的离子源，经高压电弧放电使气体电离，发射带电粒子束流粒子。束流在高频动态电场电极盒中加速。H2氢气体→H-质子(protons)D2氘气体→D-氘核（Deuterons）医用回旋加速器工作原理磁场

带电粒子在均匀电场中按电场方向受力得到加速。

带电粒子在均匀磁场中运动，受到与粒子运动方向和磁力线方向垂直的磁场力作用，使粒子运动方向偏转。医用回旋加速器工作原理医用回旋加速器工作原理

常用正电子核素靶

气体靶固体靶

六、单光子发射成像放射性核素：单光子核素探测方式：单光子吸收性直探测单探头SPECT双探头SPECTSPECT结构P12

探测器结构与光电倍增管排列P10P11P9P8P4P5P6P7P2P1P3P13P14P15P16P17P18P19NaI闪烁晶体X+X-Y+Y-位置信号和能量信号X=(X+-X-)/ZY=(Y+-Y-)/ZZ=X++X-+Y++Y-

位置权重电阻矩阵示意图20202020

X+=20;X-=20;Y+=20;Y-=20Z=S10(20+20+20+20)=S1080X=S10(20-20)/(S880)=0.0Y=S10(20-20)/(S880)=0.0P8A8P10A100402020X+=0;X-=40;Y+=20;Y-=20Z=S8(0+40+20+20)=S880X=S8(0-40)/(S880)=-0.5Y=S8(20-20)/(S880)=0.0闪烁点的位置和显示器对应准直器类型SPECT基本工作原理框图投影数据采集均匀性线性校正旋转中心校正图像重建衰减校正断层图像显示SPECT图像采集静态采集动态采集平面门控采集断层采集门控断层采集全身采集甲状腺静态显像1234静态肺通气和肺灌注显像1、3肺通气2、4肺灌注血流像共行成像：肾动态显像＋功能期静态＋排泄期静态功能期静态排泄期静态平衡法门控心血池显像

SPECT影像的重建反向投影重建按照投影方向把投影数据反投向来的方向。其结果得到带有星状伪影的图像。滤波反向投影重建用滤波函数把反向投影图像的星状伪影去除。其结果得到较精确的重建。SPECT影像的重建骨断层显像原始投影滤

波

反

投

影

重

建12门控心肌灌注断层显像门控心肌灌注断层显像

RAWPLANARASTONISHVXGPCollimatorASTONISH全身骨显像七、正电子发射成像

正电子发射成像中，确定探测光子的方向性采用的是湮没符合探测，而不是吸收性直探测。正电子湮没辐射单光子吸收性直探测PET成像的物理基础b++e-g(511keV)g(511keV)b+18F-FDG符合探测一对光子1、PET探头系统是由数个探测器环构成。2、湮灭产生的两个光子被探头内的两个探测器分别探测到。3、两个光子由于在体内经历的路径不同，分别到达两个探测器的时间也有一定的差别。4、探测到这两个光子过程称为探测符合事件。5、探测到光子后即可确定体内有放射性核素分布投影。6、图象重建确定体内核素的分布。

当第一个探测器探测到一个511Kev光子后要同时检测第二探测器上是否在规定时间内（0～15nSec）探测到另外一个511Kev的光子。如果探测到我们就能够确定有一个湮灭发生，同时在投影相映位置记录一个计数。电子准直器探测

电子准直器的探测和每个探测器大小以及晶体的厚度有关系。特别是灵敏度和晶体的大小成正相关性。PET环形探测器PET的探头结构图隔栅39环

PET13×1352环PET39环＝3×block环＋光电倍增管＋电路＋…52环＝4×block环＋光电倍增管＋电路＋…

13×13Block晶体矩阵光电倍增管PET探测器的环与断层面的关系

（2D采集模式）

模块结构探测器是在一块大晶体上刻许多槽，把晶体分成88或1313的小矩阵，后面连接4个光电倍增管构成。单一模块构成的PET为8环或13环，3个模块并列则可构成24环或39环的PET。

PET的纵向视野及断层面的数目与环数成正比，断层面数=环数2-1，24环有47个断层面，39环有77个断层面。在同一环内，探测器与对侧探测器的符合为直接符合，探测器与相临环内对侧探测器的符合为交叉符合。PET的2D和3D采集的原理

septaemployedlowsensitivityhigherdoserequiredlengthyscantimeslowscatternoseptahighsensitivitylowerdoserequiredshortscantimeshigherscatter2DACQUISITIONMODE3DACQUISITIONMODEScannerCrossSectionScannerCrossSection2D采集的灵敏度CountsAxialFieldofViewScannerCrossSection2DSeptaIn2Dacquisitionmode,septaservetolimitthephotonacceptanceangle2D采集时由于有隔栅片，轴向视野中灵敏度响应曲线接近平直。3D采集的灵敏度CountsAxialFieldofView2DScannerCrossSection3DIn3Dacquisitionmode,septaareremoved,resultinginmuchlargerphotonacceptanceangleNoSepta3D采集由于去除隔栅，进行全视野符合，在轴向视野中，符合计数的增加是不均匀的，中心位置较显著，而轴向视野的两端几乎得不到增加，通常轴向视野中心的计数是两个边缘计数率的5-6倍。2D和3D采集在全身扫描中的差异

6BedStepsfor87cmPatientCoveragePhysicalFieldofViewEffectiveFieldofViewCounts2DWholeBodyAcquisition6BedStepsfor77cmPatientCoverage3DWholeBodyAcquisitionCounts3D采集的优势信息量比2D提高6倍！更高的灵敏度更高的信噪比(NEC)更短的扫描时间优异的图像质量2D3D必须使用优异的散射和随机符合校正！需要强大的计算机性能和优异的重建算法

52环PET3D采集24环PET2D采集1234512345675bedsx1.5minbed=7.5minscans7bedsx2minbed=14minscansEMExle“TrueImage”Data(noiseless)FirstImageForward-ProjectedDataRatioofDatatoEstimateUpdatedImage10×(0.75+1.25+1.00)/3=10PET影像的重建为加快EM迭代收敛，采用OS-EM算法PET影像的重建“TrueImage”Iteration0Iteration1Iteration5Iteration10Iteration20八、衰减校正与图像融合衰减对采集的影响与校正的方法图像融合的意义射线衰减的影响

两个光子被探测到只有一个光子被探测到两个光子均未探测到

NO代表自体内发出的射线数，射线通过人体后，组织的衰减系数为，探测到的射线数为N1则:N1＝NOe_（1+2+。。+n）

采用固定的透射源，让射线穿透人体后被探测器接收，推算出组织衰减系数。

μ=Ln（Y1/YO）式中YO是穿透源的射线数，Y1是穿透人体后衰减的射线数，Ln为自然对数。

当我们让透射源和探测器绕人体旋转进行扫描采集，这时就可获得类似CT图像的衰减系数分布图。旋转放射源和探测器获得人体内衰减系数衰减校正的方法

同位素方法：采用放射性同位素CS137或Gd153作为穿透源进行衰减校正。这类方法简单，价格低。但是由于放射源光子通量低,校正图象的信息量远不如X线方法所得的CT图象。为避免射线漏出,放射源还要求具有很好的屏蔽。X线方法：采用CT技术成本较高。但是所得图象质量高，性能稳定，不存在更换放射源的问题。更重要的是能够采用CT图象进行全能量衰减校正和同机图像融合。在不进行采集时不会有射线漏出。衰减校正的方法

采用X线CT图像进行衰减校正,明显提高了图像质量,图像的信息量大，信躁比高。而采用放射性同位素技术信躁比低，图像质量差，通过校正后虽然图像的准确度提高了，但是图像分辨率明显降低了。放射性同位素衰减校正MAPPING图和CT衰减校正MAPPING图

图像融合技术

将SPECT、PET的功能图像或代谢图像同CT的解剖图像融合在一起，更利于病变的定性、定位目前的同机图像融合包括：SPECT/CTPET/CT软件图像融合鼻尖配准病灶配准衰减校正HawkEye的功能解剖融合图像CTSPECT/PET同机图像融合

SIEMENSSymbiaT16SPECT/CT良性肿瘤70岁老年男性75.7kg(167lbs)–Metastaticcarcinoid-typetumorpresentstodayforcontinuationofcare2metastaticlesionstotherightlobeoftheliver,largernodeisinsegment6/7andthesmallernodethatwasnotexpectedisinsegment5,notseeninCT.

DataCourtesyofUniversityofMichigan,AnnArbor,MI,Dr.M.PiertScanprotocol:SPECT:6mCi111In-Octreoscan48houruptaketimeFlash3D6sliceCT:51eff.mAs130kV2mmcollimation5mmslicethicknessSTERNUMDatacourtesyofRadiologyClinicParkwayHospitals,SingaporeL1VERTEBRA无症状的前列腺癌病例患者有轻微的PSA水平增高99mTcMDPSPECT•CT骨扫描.

退行性病变CourtesyofClinicStjean,Brussels,BelgiumGoldenGate心肌灌注显像＋CT心脏和冠状动脉结构

心脏专用SPECT

64层螺旋CT

心脏专用SPECT/CT

CardIQFusion

CourtesyofHEGPhospital,Paris,France123I-MIBG嗜铬细胞瘤CourtesyofHEGPhospital,Paris,France111In-Pentetreotide神经内分泌肿瘤

双探头SPECT符合探测HeadBHeadAb++e-g(511keV)g(511keV)CoincidenceHeadBCoincidenceDetection7.5ns7.5nstimetimetimeHeadAABGE公司

PET/CTCTPETCTPETSIEMENS

PET/CTPET/CT采集原理CT采集PET采集28yearoldfemalewithbraintumourdiagnosedin9/01,presentingwithspeechdifficultiesandaseizure.MRIscansuspiciousforalow-gradeprimaryastrocytoma.biographdemonstrateslargeareaofhypometabolisminleftposteriortemporallobe.Scanprotocol:CT130kVp,5mmslices PET300MBqFDG,30minp.i,10minscantimeCerebralGlucoseMetabolism脑葡萄糖代谢

37yearoldfemale(53kg)withhistoryofmetastaticbreastcancer,forrestaging.biographSensation16demonstratesmultipleareasofincreaseduptakeconsistentwithmetastaticdisease,inthemediastinum,bilateralpulmonaryhila,leftupperlateralchestwall.Scanprotocol:CT140mAs,120kV,5mmslices PET400MBqFDG,167minp.i,3min/bed,4+2beds,18minscantimeBreastCancer乳腺癌

MIP46yearoldmale(97kg)withhistoryofbladdercancerinvadingtheprostate;s/pcystectomy,prostatectomy,rightlowerquadrantostomies.Forassessmentofpossiblepelvicrecurrence.biographSensation16demonstratesareaofincreasedactivityoverlyingtherightanteriorabdominalwallduetoostomy.Noevidenceofrecurrentormetastaticdisease.Scanprotocol:CT140mAs,120kV,5mmslices PET410MBqFDG,159minp.i,5min/bed,6beds,30minscantimeBladderCancer膀胱癌

LungtumourwithbonemetsFusedVision3DPhases1-5ofstudy.Lesiondetectabilitychangesdependingonphase.Lesionnotevidentinphase1-4andvisibleinphase5.传统PET/CTMotionFreePET/CT被呼吸模糊掉的小病灶全身呼吸门控PET4DWith4DCTAC“Static”PETSUVPhase1=2.9SUV=1.6SUV=:SUWbw(g/ml)解剖定位靶区生物活性靶区坏死区TPS计划生物靶区

生物靶区进行放疗精确定位SPECT和PET新进展半导体探测器SPECTPET/MR碲锌镉（CdZnTe，CZT）半导体探测器

基于晶体+PMT的SPECT探测器基于CZT的SPECT探测器SPECT/CTPET/MR介绍PET/MR类型BiographmMR一体化临床扫瞄流程同时扫瞄，同机融合APDAPD对磁场不敏感，在强磁场中工作性能稳定，体积小，易集成。APD雪崩光电二极管PMTBiographmMRPMT光电倍增管磁场敏感度高，体积大，无法用于一体化集成。Cardiacevaluation心脏评估Livermetastasis肝转移Colorectalcancers结直肠癌Prostatecancer前列腺癌Boneandsofttissuelesions骨骼和软组织损伤•疾病早期发现•疾病的分期•疗效检测•外科手术方案制定•治疗方案制定•随访Neurodegenerativedisease神经退行性疾病Head/Neckcancers头部/颈部癌症PET/MR-全身应用A)动脉相CTB)动脉相mMRC)生长抑素受体显像D)mMR图像融合结合灌注和受体显像可评估肿瘤负荷和治疗效果优势：一体化全身同步采集，减少患者辐射剂量，MRI检查时间可用于动态PET扫描。SUV糖代谢-同步MR&FDG-PET

0

MR FusedMR-PET

12

FDG PETDay-5Day-1Day+1Day+500第二节辐射测量三、辐射测量的统计误差与表示方法一、放射性测量二、液体闪烁测量

放射性测量形式体外：放射性制剂加到反应体系中，测量反应产物。体内：对体内放射性制剂的分布进行检测。放射性测量分类强度（活度）测量能谱分析几个基本概念核衰变率：dpsdpm1Bq=1次核衰变/秒计数率：cpscpm单位时间的测量计数本底计数：仪器热噪声、宇宙射线、环境放射性污染。探测效率：E%=净计数率/核衰变率×100%=(cpm标准-cpm本底)/dpm标准×100%

一、放射性测量最佳工作条件的选择积分测量微分测量能谱测量最佳工作条件的选择阈值电压：提高阈值，剔除更多低能的脉冲，降低阈值，噪声高压：高压脉冲幅度噪声放大倍数：脉冲幅度或

三要素*

脉冲高度分析器积分和微分工作方式积分工作方式：只设下限甄别器及下限阈值。微分工作方式：设置阈值和道宽，分不对称方式和对称方式。不对称方式E1对称方式

E1±E△

E2E1△

E

=E2-E1

E1E不对称方式对称方式

积分测量（FJ-2003为例）

固定放大倍数和阈值调整高压，由低向高，每测一分钟放射源和本底向上调一次高压，得到两条曲线。

cpm净=cpm源-cpm本底

AB段1/3处为高压值

BA本底cpm高压微分测量1、NaI(Tl)晶体所能测出的125I能谱

30KeV60KeV

能量

单光子能峰27.5

、35.5

；符合能峰55

、63

(KeV)单光子能峰符合能峰

cpm

2、最佳工作条件选择（FJ—2003）放大倍数：1/8圈阈值：2.5圈（20KeV/圈）及50KeV道宽：1.5圈（20KeV/圈）及30KeV单道脉冲高度分析器采用对称工作方式

E

E=50

30

能量范围20

80KeV

E=30KeVE=50KeVcpm3、高压调整由低向高，每测一次放射性源(cpm源)和本底(cpm本底)调动高压一次，将所得数据作曲线。HV高压

高压确定后，仪器设置较窄道宽,由低向高调节阈值,高计数所对应的阈值为该核素的能量。能谱测量二、液体闪烁测量(放射性测量)3H的能谱

能量(