核医学仪器与辐射测量.ppt

1、核医学仪器与辐射测量,郑州大学第一附属院 孙秉奇,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

2、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。,C R,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

3、能量158KeV 半衰期5692年,1/3Emax,Emax,1/3,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,- + M M* M* + F F* + M F* 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

4、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 Ui E2 无输出,上限,下限,反符合,uo,ui,o t,E2,E1,三、液体闪烁计数器,Nc= 2n1n2 n1、n 2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2050ns,探头A,探头B,快符合,门控,放大器,单道输入,1 2 3 4 5,样品,2,A,B,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35个测量

5、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） (Single Photon Emission Computed Tomography) 正电子发射型探测仪（PET） (Positron Emission Tomography) 复合电路探测系统 (Coincidence Detecto

6、r),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,235U99Mo,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

7、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-

8、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SPECT,SPECT结构,P12,探测器结构与光电倍增管排列,P10,P11,P9,P8,P4,P5,P6,P7,P2,P1,P3,P13,P14,P15,P16,P17,P1

9、8,P19,NaI闪烁晶体,X+,X-,Y+,Y-,位置信号和能量信号 X=(X+-X-)/Z Y=(Y+-Y-)/Z Z= X+X-+ Y+Y-,位置权重电阻矩阵示意图,20 20 20 20,X+=20;X- =20; Y+=20;Y- =20 Z=S10(20+20+20+20)= S1080 X=S10(20-20)/(S880)=0.0 Y= S10(20-20)/(S880)=0.0,P8,A8,P10,A10,0 40 20 20,X+=0;X- =40; Y+=20;Y- =20 Z=S8(0+40+20+20)= S880 X=S8(0-40)/(S880)= - 0.5 Y

10、= 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,1 2 3 4,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

11、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,1,2,门控心肌灌注断层显像,门控心肌灌注断层显像,RAW,PLANAR ASTONISH,VXGP Collimator,ASTONISH,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 (511 keV),g (511 keV),b+,18F-FDG,符合探测一对光子,1、

12、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（015nSec）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

13、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 PET,1313,52环PET,39环 3 block环 光电倍增管电路 52环 4 block环 光电倍增管电路,1313,Block,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

14、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,septa employed low sensitivity higher dose required lengthy scan times low scatter,no septa high sensitivity lower dose required short scan times higher scatter,2D ACQUISITION MODE,3D ACQUISITION MODE,2D采集的灵敏度,Counts,Axial Field of View,Scanner Cross Sectio

15、n,2D,Septa,In 2D acquisition mode, septa serve to limit the photon acceptance angle,2D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,Counts,Axial Field of View,2D,Scanner Cross Section,3D,In 3D acquisition mode, septa are removed, resulting in much larger photon acceptance angle,No Septa,3D采集由于去除隔栅，进行全视野符合，在

16、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,3D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,2D,3D,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,7 beds x 2 min bed = 14 min scans,EM Example,“True Image”,First Image,Ratio of Data to Estimate,10(0.75+1.25+1.0

17、0)/3=10,PET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,“True Image”,Iteration 0,Iteration 1,Iteration 5,Iteration 10,Iteration 20,八、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: N1NO e_（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。 = Ln（Y1/Y

18、O） 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

19、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/CT PET/CT,软件图像融合,鼻尖配准,病灶配准,HawkEye的功能解剖融合图像,SIEMENS Symbia T16 SPECT/CT,STERNUM,Da

20、ta courtesy of Radiology Clinic Parkway Hospitals, Singapore,L1 VERTEBRA,退行性病变,Courtesy of Clinic St jean, Brussels, Belgium,GoldenGate,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,CardIQ Fusion,Courtesy of HEGP hospital, Paris, France,123I- MIBG嗜铬细胞瘤,Courtesy of HEGP hospital, Paris, France,111

21、In- Pentetreotide神经内分泌肿瘤,双探头SPECT符合探测,Head B,Head A,b+ + e-,g (511 keV),g (511 keV),Coincidence,Head B,Coincidence Detection,7.5 ns,7.5 ns,time,time,time,Head A,A,B,GE公司 PET/CT,SIEMENS PET/CT,PET/CT采集原理,CT采集,PET采集,28 year old female with brain tumour diagnosed in 9/01, presenting with speech difficu

22、lties and a seizure. MRI scan suspicious for a low-grade primary astrocytoma. biograph demonstrates large area of hypometabolism in left posterior temporal lobe. Scan protocol: CT 130 kVp, 5 mm slices PET 300 MBq FDG, 30 min p.i, 10 min scan time,Cerebral Glucose Metabolism 脑葡萄糖代谢,37 year old female

23、 (53 kg) with history of metastatic breast cancer, for restaging. biograph Sensation 16 demonstrates multiple areas of increased uptake consistent with metastatic disease, in the mediastinum, bilateral pulmonary hila, left upper lateral chest wall. Scan protocol: CT 140 mAs, 120 kV, 5 mm slices PET

24、400 MBq FDG, 167 min p.i, 3 min/bed, 4+2 beds, 18 min scan time,Breast Cancer 乳腺癌,MIP,46 year old male (97 kg) with history of bladder cancer invading the prostate; s/p cystectomy, prostatectomy, right lower quadrant ostomies. For assessment of possible pelvic recurrence. biograph Sensation 16 demon

25、strates area of increased activity overlying the right anterior abdominal wall due to ostomy. No evidence of recurrent or metastatic disease. Scan protocol: CT 140 mAs, 120 kV, 5 mm slices PET 410 MBq FDG, 159 min p.i, 5 min/bed, 6 beds, 30 min scan time,Bladder Cancer 膀胱癌,Lung tumour with bone mets FusedVision 3D,Phases 1-5 of study. Lesion detectability changes depending on phase. Lesion not evident in phase 1-4 and visible in phase 5.,传统PET/CT,MotionFree PET/CT,被呼吸