第六章 核医学成像.ppt

1、第六章核医学成像系统,1,一、核医学成像概述 二、核诊断用放射性同位素 三、核物理学中的一些概念 四、核诊断学的检测手段 五、核诊断仪器的组成 六、照相机（Gamma camera） 七、发射性计算机断层成像 八、核医学影成像图像质量指标,第六章 核医学成像系统主要内容,2,一、核医学成像概述,人类已进入21世纪，经济将高度发展，人民生活水平进一步提高，人民渴望有一个好的生活环境和健康的身体，所以需要提高医疗技术和水平，更新医疗设备，提高全民族的健康，使人民的平均寿命提高到新的水平。 核科学与医学、生物学、放射学和剂量学等结合，产生了放射诊断学、放射治疗学和核医学等学科。,3,一、核医学成像概

2、述,现代医学包括四个方面：预防医学、诊断医学、治疗医学和康复医学。核科学可用于预防、诊断和治疗，已成为医学领域中不可缺少的部份。 例如：预防领域如乳腺癌普查、骨密度普查、X光定期检查等；诊断领域中高档设备都和核科学有关，如XCT、ECT、MRI和PET等；治疗领域，现代癌症有70需要放射性治疗，还有X刀、刀、质子刀等都是目前最先进的治疗设备。 几十年来核医学已得到相当大的发展，在医院中放射科和核医学科都已成为现代化医院中的重要部门。,4,一、核医学成像概述,1、核医学的定义： 核医学，又称原子（核）医学，是一门利用开放型放射性核素诊断和治疗疾病的学科。 核医学是核技术与医学相结合的学科； 核医

3、学的任务是用放射性核素及核技术来诊断、治疗及研究疾病； 核医学是研究同位素及核辐射的医学应用及理论基础的科学。,5,2、核医学成像的特点： （1）高灵敏度：目前可测量300种以上的活体， 可探测到10-910-15克； （2）无创伤性，可动态观察； （3）反映体内的生化和生理过程； （4）同时反映组织或脏器的形态与功能； （5）核医学成像是以脏器内、外，或脏器内各部分之间 的放射性浓度差别为基础，显示的静态和动态图像， 该图像不仅反映了人体组织、脏器和病变的位置、形 态、大小，而且还提供了组织、脏器每个微小局部变 化和差别。,一、核医学成像概述,6,一、核医学成像概述,2、核医学成像的特点：

4、(6)核医学成像具有多种动态成像方式，同时提供多种功能 参数以反映机体及组织的血流功能、代谢等方面的信息。 (7)一些放射性核素具有向脏器或病变的特异性聚集，由此 而获得的核素成像具有较高的特异性，可显示不同组织类 型的肿瘤、各种神经受体、炎症、转移灶等组织器官的影 像，而这些单靠形态学检查常常难以实现。 最重要的特点是能提供身体内各组织功能性的变化，而功能 性的变化常发生在疾病的早期。 核医学成像具有简单、灵敏、特异、无创伤性、安全、易于 重复、结果准确等特点。,7,一、核医学成像概述,3、核医学的分类,8,一、核医学成像概述,4、核医学成像方法: X射线和超声成像都是由外部向人体发射某种形

5、式的能量，根据能量的衰减或反射情况来成像。 现在讨论另一种成像方法：核医学影像则是向人体注射放射性核素示踪剂，使带有放射性核素的示踪原子进入人体内要成像的脏器或组织，使它们变成射线源，然后通过测量放射性核素在人体内的分布来成像。,9,一、核医学成像概述,4、核医学成像方法: 在进行脏器显像和/或功能测定时，医生根据检查目的，给病人口服或静脉注射某种放射性示踪剂，使之进入人体后参与体内特定器官组织的循环和代谢，并不断地放出射线。 这样我们就可在体外用各种专用探测仪器追踪探查，以数字、图像、曲线或照片的形式显示出病人体内脏器的形态和功能。,10,5、核医学成像的过程： 核医学成像的过程是先把某种放

6、射性同位素标记在药物上，形成放射性药物并引入人体内，当它被人体的脏器和组织吸收后，就在体内形成了辐射源。用 射线检测装置可以从体外检测体内放性核素在衰变过程中放出的 射线，从而构成放射性同位素在体分布密度的图像。由于放射性药物能够正常地参与机体的物质代谢，因此核医学成像的图像不仅反映了脏器和机体组织的形态，更重要的是提供有关脏器功能的生理、生化信息。,一、核医学成像概述,11,一、核医学成像概述,6、发展简史 1896年，法国物理学家贝克勒尔在研究铀矿时发现，铀矿能使包在黑纸内的感光胶片感光，这是人类第一次认识到放射现象。 1898年，马丽居里与她的丈夫皮埃尔居里共同发现了镭，此后又发现了钚和

7、钍等许多天然放射性元素。 1926年，美国波士顿内科医师布卢姆加特（Blumgart）首先应用放射性氡研究人体动、静脉血管之间的循环时间，在人体内第一次应用了示踪技术。,12,一、核医学成像概述,1951年，美国加州大学的卡森（Cassen）研制出第一台扫描机，通过逐点打印获得器官的放射性分布图像，促进了显像的发展。 1957年，安格（Hal O. Anger）研制出第一台照相机，称安格照相机，使得核医学的显像由单纯的静态步入动态阶段，并于60年代初应用于临床。 1959年，他又研制了双探头的扫描机进行断层扫描，并首先提出了发射式断层的技术，从而为日后发射式计算机断层扫描机ECT的研制奠定了基

8、础。,13,一、核医学成像概述,1972年，库赫博士应用三维显示法和18F-脱氧葡萄糖，测定了脑局部葡萄糖的利用率。他的发明成为正电子发射计算机断层显像（PET）和单光子发射计算机断层显像（SPECT）的基础，人们称库赫博士为“发射断层之父”。 目前，绝大多数照相机不是真正数字式的，在探头内部仍以模拟为主，探头输出位置信号开始进入数字式。 随着计算机在核医学中的应用，核医学仪器趋向于“智能化”。,14,一、核医学成像概述,7、 当前核医学影像设备的应用概况 (1)目前广泛使用的单光子发射计算机断层（SPECT），已从单探头、双探头和三探头，直至现在发展为带衰减校正的能进行符合线路成像的SPEC

9、T. SPECT并不是一种很新的设备，于1979年研制成功。经多年不断改进，产生了许多不同型号、不同档次的产品，其显像的基本原理没有变化，仍属于比较低端的核医学设备。国内三级以上医院都已经配备SPECT，数量达300台以上。 主要用途：用于全身骨骼、心肌血流、脑血流、甲状腺等显像。,15,一、核医学成像概述,（2）PET：所应用的显像剂如C-11、N-13，O-15等都是人体组织的基本元素，且可以参与人体的生理、生化代谢过程，能够深入分子水平反映人体的生理、生化过程，从功能、代谢等方面全面评价人体的功能状态，达到早期诊断疾病、指导治疗的目的。 定性准确和一次性完成全身显像的特点极大地促进了PE

10、T在肿瘤、脑神经系统疾病以及心脏病等方面的应用。PET最大的缺点是解剖结构显示分辩率低。,16,一、核医学成像概述,（3）PET/CT：把擅长功能显像的PET与擅长显示解剖结构的全身CT结合起来，在2000年世界上第一台同机一体PET/CT在美国CTI公司研制成功，被选为年度最伟大的发明创造。 PET/CT是目前最先进的PET与最好的多排螺旋CT的完美组合，达到了一加一大于二的效果，成为目前最豪华的医学影像诊断设备。PET/CT的出现使医学影像技术进入了一个新的阶段。 PET与CT的同机组合把两种设备的图像融合起来进行分析，极大地提高了临床医生诊断准确性，一经问世便在世界范围内高速增长。200

11、2年第一台PET/CT在国内安家落户，目前PET/CT在国内已经呈献快速发展的趋势。,17,一、核医学成像概述,SPECT的最高探测效率仅为PET的1%-3%左右，图像质量远不能与PET/CT相比，诊断效能上差距较大。 比较：二者一种是普及型的低端产品，价格较低；一种是世界上公认的最高档次的医学影像诊断设备，价格昂贵、投资巨大，很难普及和推广。,18,一、核医学成像概述,（4）PET和其他检查的区别： 1)单纯X线CT成像的基础：根据人体组织对外源X线的吸收 程度不同来判断人体组织器官的结构改变情况； 2)磁共振检查:将人体置入外加磁场内，然后探测人体内 组织成分的磁信号变化情况； 3)医学超

12、声成像：依靠超声在人体内传播，遇到不同的组织和器官时，因其声特性阻抗不同而产生声强有差异的回波（超声在人体组织上的反射波）来建立影像; 4)PET检查：探测人体内物质（或药物）代谢功能的动态变化。 包括精确的定位和定性等，是其他检查不能比拟的。 四者的成像原理有本质的区别。,19,二、核诊断用放射性同位素,(1)同位素：原子核中质子数相同而中子数不同的化学元素。 放射性同位素与非放射性同位素在化学性质上是相同的，不同的是前者可以衰变，同时放出射线，放射性同位素又称为放射性核素（Radionuclide）。 (2)衰变：放射性同位素自发地放射出 射线后，本身转化为另一种核素，这种现象称为“衰变”

13、。 (3)放射射线：放射性核素放出的射线有三种： ，在核医学中主要用射线（光子）和 正电子射线来进行诊断，为什么？ 注： 射线穿透力不强，对人体辐射危害较大，而、 射线穿透力强，对人体辐射危害较小。,20,二、核诊断用放射性同位素,(4)放射射线的性质： 1.能使气体电离； 2.能激发荧光物质； 3.能使照相底片感光；4.具有穿透性，射线足够强时，还会破坏生物组织的细胞。 (5)射线能量要求：为了保证成像的质量而对患者的辐射剂量维持在容许的水平上，对射线的能量有一定的要求。 一般认为，发射能量在25-511kev范围内的X射线或射线的放射性核素，对成像目的有用，而且要求放射性核素的纯度必须足够

14、高。,21,二、核诊断用放射性同位素,(6)核医学中用的放射性核素：一般是人工制造的，利用原子反应堆或离子加速器产生的高能一碰撞粒子轰击某些原子核来产生，然后用化学的方法进行分离。 (7)放射性核素的化学载体：放射性核素必须要有适当的化学载体，即制成放射性药物。 (8)放射性药物的要求：放射性药物要能对靶器官有定位特性和衰减（清除）率特性，即能被靶器官特定吸收而又能及时排出，要求无菌、无毒性（通过注射或口服）。,22,二、核诊断用放射性同位素,常用放射性核素: SPECT最常用的放射性核素为99Tcm 其次为 131I PET 最常用的放射性核素为 18F 其次为 11C、 13N 、15O,

15、23,三、核物理学中的一些概念,(1)核物理中的基本粒子：在核物理中以基本粒子为单位参加核反应，基本粒子有：质子、中子、 粒子、 粒子、 粒子等。 (2)蜕变：原子核的质量或电荷的变化称为蜕变。 (3)自动核衰变：特殊核蜕变称为自动核衰变。 (4)放射性核素：核能够自动（发）衰变者称为放射 性核素。 (5)半衰期：放射性核素由于衰变而使原有的质量 （或电荷）剩下一半所需的时间。,24,四、核诊断学的检测手段,(1)核诊断的计数与定位：核诊断需要对发射粒子进行计数和定位。由于核蜕变不能直接观察到，必须通过探头测量其产生的效果。 (2)发射粒子的探测：利用发射粒子的吸收效果，有两种方法进行探测：

16、（一）由电离而产生的电导性测量； （二）物质中产生的闪烁光的测量。 (3)探测器的分类： 一是电离探测器； 二是闪烁探测器。,25,四、核诊断学的检测手段,(4)电离探测器：利用发射粒子的电离效应，离子在电场的作用下将产生电流的特性。在随机碰撞所产生的重新组合发生之前，离子在电场中所通过路径越长，检测的灵敏度越高，气体材料是适用于电离探测器。由于气体材料组成的探头物质的密度很低，对粒子的检测效率很低，因此气体电离探测器在核诊断中的作用是次要的，主要用于X射线的探测。 另外：半导体材料组成的探测器也属于离子探测器，发射粒子在半导体中并不形成离子，而只形成电子空穴对，优点是灵敏度高，电离能量只需气

17、体材料的十分之一。,26,四、核诊断学的检测手段,(5)闪烁探测器：辐射能量被吸收将引起电子层的重新排列，使能量转换成紫外线或可见光，这种现象称为闪烁，闪烁探测器常使用碘化钠晶体材料，并用光电倍增管来实现光能到电信号的转换。每一个发射粒子引起的闪烁效应将产生一个电脉冲信号，对这个电脉冲进行计数，就可得到蜕变速率。 放射性的检测主要是蜕变速率的检测。 (6)脉冲高度分析器：为了能与蜕变速率成正比，去掉随机产生的噪声，必须对脉冲幅度（与发射粒子的能量有关）进行选择，选择那些由全部吸收均在探头中发生的发射粒子引起的脉冲，这在电路上称为“脉冲高度分析器”。,27,四、核诊断学的检测手段,(7)脉冲高度

18、分析器的原理：如果没有康普顿效应而只有光电效应，则发射粒子的放射性物质的密度谱只在一定能量处有一峰值。因此，用加“窗口”技术来进行脉冲选择，选择具有一定幅值的脉冲通过而其它幅值的脉冲被滤掉，可以保证计数率的准确性。,28,五、核诊断仪器的组成,核诊断仪器的组成：探测器、线性放大器、脉冲高度分析器（鉴别器）、脉冲计数器、显示打印部分，以及探测器装置、病人床的机械运动机构、复杂的计算机控制与图像处理系统。,29,五、核诊断仪器的组成,(1)探测器：由准直器、NaI（T1）晶体、光电倍增管及前置放大器等组成，其作用是将射线的能量转换成电压脉冲信号，其幅度与射线的能量成正比。 (2)线性放大器：将探测

19、器来的电信号进一步放大及处理。 (3)脉冲高度分析器：利用加窗技术，选择具有一定幅值的脉冲通过而其它幅值的脉冲抑制下去。,30,五、核诊断仪器的组成,(4)脉冲记数器：对脉冲高度分析器出来的脉冲进行测量，有两种测量方法：一种计数法，称为计数器； 另一种是对脉冲序列进行平均，称为速率计。 不同类型的核诊断仪器，对 射线光子的能量范围也有一定要求，一般认为，25511KeV范围内的X射线或 射线的放射性核素，对成像目的有用。对于Anger单晶闪烁照相机， 光子的能量范围为75-300KeV成像最有效；正电子发射断层成像则利用正电子湮灭过程中解释放出的511KeV的光子。,31,六、核诊断仪器分类及

20、应用特点,1.照相机 (1)照相机是核医学影像设备中最基本、最重要的一种，照相机，又称闪烁照相机是一种能对脏器中的放射性核素分布进行一次成像和连续动态观察的仪器。 (2)该仪器主要由四部分组成，即闪烁探头、电子线路、显示记录装置以及附加设备。 (3)照相机可同时记录脏器内各个部份的射线，快速形成一帧器官静态平面图像，亦可用于获取反映脏器内放射性分布变化的连续照片，经数据处理后，可观察脏器的动态功能及其变化，因此照相机既是显像仪又是功能仪。,32,2.发射式计算机断层（ECT）是利用仪器探测人体内同位素动 态分布成像，并通过计算机进行数据处理和断层重建，来获得 脏器或组织的横断面、矢状面以及冠状

21、面的三维图像。 可以做功能、代谢方面的影像观察，是由电子计算机断层 （CT）与核医学示踪原理相结合的高科技技术。 ECT分为两大类： 一类：以发射单光子的核素为示踪剂的，即单光子发射计算 机断层显像仪（SPECT）； 另一类：是以发射正电子的核素为示踪剂的，即正电子发射 计算机断层显像仪（PET）。,六、核诊断仪器分类及应用特点,33,3.SPECT: SPECT是一个探头可以围绕病人某一脏器进行360旋转的相机，在旋转时每隔一定角度（通常是6）采集一帧图片，然后经计算机自动处理，将图像叠加，并重建为该脏器的横断面、冠状面、矢状面或任何需要的不同方位的断层、切面图像。 近年来为提高诊断灵敏度、

22、分辨率和正确性，缩短采集时间，双探头、三探头的SPECT也相继应用于临床中。 SPECT同时也具有一般相机的功能，可以进行脏器的平面和动态（功能）显像。,六、核诊断仪器分类及应用特点,34,4.PET：PET是目前在分子水平上进行人体功能显像的最先进的医学影像技术，它的空间分辨率明显优于SPECT。 PET的基本原理是利用加速器生产超短半衰期同位素，如氟-18、氮-13、氧-15、碳-17等作为示踪剂注入人体，参与体内的生理生化代谢过程。这些超短半衰期同位素是组成人体的主要元素，利用它们发射的正电子与体内的负电子结合释放出一对伽玛光子，被探头的晶体所探测，得到高分辨率、高清晰度的活体断层图像，

23、显示人脑、心脏、全身其它器官以及肿瘤组织的生理和病理的功能及代谢情况。 PET在临床医学的应用主要集中于神经系统、心血管系统、肿瘤三大领域。,六、核诊断仪器分类及应用特点,35,七、具体核诊断仪器,整个系统由准直器、闪烁晶体、光电倍增管阵列、位置计算电路、脉冲高度分析器与相应的显示装置构成。,第一类：照相机 (1)系统构成,36,相机的探头结构,37,38,A.准直器-最重要部件之一 准直器的作用：实现空间定位，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闪烁晶体，而视野外的与准直器孔角不符的射线则被准直器所屏蔽，起到空间定位选择器的作用。闪烁晶体与准直器具有相同的直径，并紧贴安

24、装在准直器的背后。 在照相机中使用的准直器是一块开了许多小孔的有一定厚度的铅板，根据小孔的不同形式可将其分为平行孔型、张角型、聚焦型与针孔型等几种类型。,第一类：照相机,39,(一)平行孔型准直器,平行孔型准直器中所开的孔是相互平行的。 使用平行孔型准直器时，照相机的视野与准直器的直径相当。晶体上的图像大小与人体放射源的实际大小相同。人体与探测器的距离发生变化时，所得的图像大小并不会发生变化。 注：灵敏度不会因为探查物距离的远近而发生明显变化。,40,张角（发散）型准直器，小孔面向探查对象呈扇形。 张角型准直器可以扩大视野，得到比晶体尺寸更大的放 射源图像。被探查对象离准直器越远，或者准直器的

25、发散 角越大，则系统的视野就越大。由于人体是一个三维空间 结构，不同的放射源离准直器有不同的距离，各部位的放 大倍数不同将造成图像的失真。 另外：系统灵敏度也会随着放射源与照相机之间的距离增 大而降低。,(二)张角（发散）型准直器,41,（三）聚焦型准直器,把张角型准直器反转过来就是一个聚焦型准直器，如下图 所示： 放大像 使用聚焦型准直器将得到放大的图像，放大的程度与照 相机和人体的距离有关，由于聚焦型准直器具有图像放大 与灵敏度高的优点，因此常被用来做小器官的成像。,42,(四)针孔型准直器,针孔型准直器只开有一个小孔，可以保证体内不同位置来的 辐射光子被限定到达晶体的一个固定的对应点上，

26、而不至于 发生图像的模糊。如图所示： 辐射源 针孔型准直器的视野取决于辐射源与准直器之间的距离，它的灵敏度要比一般的多孔准直器低，源与准直器的距离越大则灵敏度越低，加大小孔的尺寸可以提高系统的灵敏度，但却会导致图像模糊。,43,B.闪烁晶体,闪烁晶体也是照相机探测器中的关键部件。 作用： 是将射线转化为荧光光子。射线射入闪 烁晶体后，使晶体原子、分子电离和激发，受激 发的原子或分子在退激时（退激回到基态） 发出大量荧光光子，这些荧光光子进入光电倍增 管产生光电子。 理想的闪烁晶体应满足以下要求：,44,(一)对入射的射线光子有较高的俘获效率 闪烁晶体选用高密度、高原子序数的材料，尽可能多地俘

27、获入射光子，以便产生足够多的可见光光子。一般闪烁晶 体常用铊激活碘化钠NaI(TL)、锗酸铋和氟化铯(CsF)等。在 NaI(TL)晶体中，铊(TL)是活性元素，具有较高的光转换效率. 闪烁晶体面积可达520mm400mm，闪烁晶体的厚度为6.3mm、 9mm和12.7mm等,常用6.3mm厚闪烁晶体。 (二) 发光效率高，发光的持续时间较短 相机要求逐次记录发生闪烁的事件，必须在时间上提高鉴别 两次不同闪烁的分辨能力。 (三)材料发光效率高，良好的光学性能，对荧光的光损失小。,45,C.光导,作用：把闪烁体中的荧光有效地传递 给PMT光阴级； 光导常用材料：石英玻璃、 聚苯乙烯、玻璃纤维光导

28、。,46,D.闪烁检测器,47,D.闪烁检测器,工作原理：当高能的光子与闪烁晶体相互作用时，会发出荧光。在闪烁晶体和光电倍增管之间加有光导耦合，可提高光的传导效率。当入射的 光子进入闪烁体时激发闪烁体发射荧光，荧光透过光导入射到光电倍增管的阴极上，经光电倍增管转换为电子并进行倍增放大，在阳极上产生一个电脉冲，经前置放大器放大后输出，电脉冲的幅度与入射光子的能量成正比，单位时间输出的电脉冲与单位时间入射的光子数(即射线的强度)成正比，所以闪烁检测器可以检测射线的强度和能量。,48,E.光电倍增管（PMT）,功能：是一种光电转换器件，将闪烁晶体产生的微 弱荧光信号转换成放大的电信号。一般在相机中

29、采用多个光电倍增管排成阵列，以便覆盖整个闪烁 晶体。,(1000-2000V),49,F. PMT工作原理,1、PMT的A-K极间加有高压（1000-2000V)，A为+，K为-， 且各分压电阻加有电压（且逐级提高一倍） 2、当荧光光子入射到光阴极K上，使光阴极受光照激发， 发射出电子； 3、电子经光学聚焦及高压加速后入射到第一倍增D1上， 倍增极发射出比入射电子数目更多的二次电子。 4、入射电子经N级倍增后，光电子数就放大了N倍。 5、经过倍增后的二次电子被阳极 A 收集，形成阳极电流 在负载 上产生信号电压 。,50,51,预放大器:对光电倍增管输出的微弱信号作初步放大，再通过线路送到线性

30、放大器继续放大。 为减少外界干扰，预放大器紧靠光电倍增管的上方。 线性放大器:进一步放大信号后，输送到 X+,X-,Y+,Y-位置信号。,G.预放大器与线性放大器,52,M.位置信号和Z信号,功能：是将光电倍增管输出的电脉冲信号转换为确 定晶体闪烁点的X、Y位置信号和确定入射射线的 能量信号。,53,(2)相机成像过程,人体辐射的射线光子准直器与闪烁晶体相互作用产生可见光形成可见光图像通过光电倍增管阵列将光学图像转换成电脉冲图像输出电脉冲信号经过电阻矩阵电路形成幅度与入射光子能量相对应的电信号, 同时还可以得到与发生闪烁的位置相关的信号位置信号经“位置计算电路”处理准确给出闪烁点的坐标能量信号

31、与位置坐标信号组合形成核医学图像。,准直器,Na(T1)闪烁晶体,光电倍增管,前置放大器,定准电路,图像处理电路,显示器,照相机,54,(3)相机数据后处理功能及图像分析功能,相机装有小型计算机或高档微机，有丰富的数字图像后处理功能: 1.二维数字低通滤波，常用滤波器或平滑滤波器或维纳滤波器。 2.多幅显示、有单幅、双幅、4幅、16幅、64幅显示形式。 3.各种尺度的伪彩色增强功能。 4.统计图像显示。 5.窗口显示、感兴趣区显示及黑白反转显示。 图像分析功能主要用于对心脏及肾等器官的功能分析，主要有： 1.心室壁的运动分析 2.心脏血指数分析 3.心脏输出量分析 4.心脏分流分析 5.心脏时

32、相分析 6.心脏的发射CT图像重建 7.肾功能分析 8.大脑血流分析 9.肺功能分析,55,照相机,56,当受检者注射放射性同位素标记药物后，放射性核素有选择地浓聚在被检脏器内，该脏器就成了一个立体射线源，该射线源放射出的射线经过准直器射在NaI(TL)晶体上，产生闪烁光点。闪烁光点发出的微弱荧光被光导耦合至光电倍增管（PMT），PMT输出电脉冲信号。这些电脉冲信号经后面的电子线路处理形成能量和位置两个通道的信号，位置信号确定显示光点的位置，能量信号确定该光点的亮度。经过一定时间的积累，便形成一幅闪烁图像，并可用照相机拍摄下来，就完成了一次检查。 相机把人体脏器内的放射性核素的三维分布变成一张

33、二维分布的图像。,重点总结：相机成像原理,57,第二类：发射性计算机断层成像,照相机所构成的图像是放射性药物在人体组织中分布情况的二维投影结果。用相机不能获得准确的断面图像，即不能获得放射性药物在某截面上的分布。 发射型计算机断层投影技术（emission computed tomography 简称：ECT）克服了上述困难，所得的图像是放射性药物在人体内某一断面上的分布图。 发射性计算机断层摄影有两种：单光子发射计算机断层成像（single photon emission computed tomography，简称SPECT）与正电子发射计算机断层成像（position emission

34、tomography）.由于两者都是对从病人体内放射出的射性成像，因此统称为发射性CT。,58,（1）单光子发射断层摄影（SPECT）,A、 原理： SPECT是通过示踪技术，将具 有选择性聚集在特定脏器或病变 部位的放射性核素（如TC-99m 、 TI-201）引入体内（静注或口服） 从而使该脏器成为射线源，根 据示踪剂在体内器官发射到体表 的射线密度，由探测器检测并 通过计算机重建处理生成断层影 像。,59,（1）单光子发射断层摄影（SPECT）,SPECT成像过程: 类似于X-CT成像，用一台相机围绕着被 探查者作旋转运动，在不同的角度上检测人 体放射出的射线光子并计数，相机旋转一 个角

35、度可得到一组数据，旋转一周可得到若 干组数据，相机在各个不同的角度上投影数 据后，就可沿用在X-CT中使用的图像重建方 法，得到人体某一断面上放射性射线密度 的分布图像。,60,B、SPECT的基本结构,SPECT一般由六部分组成：探头（旋转型相机）、机架、断层床、控制台、计算机和光学照相系统。 目前SPECT均由旋转的相机做为其探头制成SPECT，因此可同时兼有平面显像、体层显像和全身显像的功能，是当今SPECT的主流。目前有单探头、双探头、三探头旋转型SPECT,GE公司生产的SPECT设备及结构,61,单探头SPECT,62,双探头SPECT,63,三探头SPECT,64,C、SPECT

36、主要技术指标,SPECT成像系统的主要技术指标，包括系统灵敏度、空间分 辨率、图像对比度、能量分辨率、系统的线性、均匀性、旋转 中心、噪声等。 1)空间分辨率 空间分辨率是描述成像系统分辨相邻点间能力的物理量， 即能分辨两个相邻点的最小距离，主要由准直器的特性决定。 2)系统的均匀性 是指射线均匀照射探头时，在其所产生的平面影像上计 数光点的均匀分布情况,由探头的非均匀性引起。,65,C、SPECT主要技术指标,3）旋转中心 SPECT的旋转中心(COR)是一个虚设的机械点，它位于旋转轴上，与地面平行，探头的运动绕旋转中心旋转。(数据获取的基准),66,C、SPECT主要技术指标,4）空间非线

37、性：是指进人探头的射线所产生的空间位置的失真。相机的空间非线性主要由探测器和电子线路造成，引起图像的枕形失真或桶形失真。 5）系统灵敏度：是指相机在单位时间内对源所 检测的能力（计数多少）。90%以上的射线被准直器阻挡，对射线的利用率低，因此SPECT的灵敏度较低，空间分辨率要比X-CT差。,67,C、SPECT主要技术指标,6）死时间：NaI(T1)探测器在高计数率下会发生计数丢失。因两个紧跟的脉冲会堆积在一起，其叠合脉冲幅度可能会超出“能窗”范围而被禁止掉；两个低能量的康普顿散射脉冲叠合幅度可能正好在“能窗”范围内而被接受而形成假事件。除堆积外，电子学系统处理每个事件都需要时间，此时出现的

38、下一个事件被忽略掉，这个时间称死时间。,68,D、SPECT优点,1）在没有增加设备成本的情况下，获得了真正的人体断面像； 2）可以作多层面的三维成像，对肿瘤及其他的一些疾病的诊断 很有用。 3）可减少统计噪声。图像中的背景噪声称为统计噪声，为了减 小图像中的统计噪声，可对所记录的图像作平滑滤波等处理。 4）SPECT设备简单，价格便宜。 5）图像重建算法与X-CT类似，有线性叠加反投影法、迭代法、 滤波反投影法等，滤波反投影法是SPECT最普遍采用的算法。 影响SPECT系统性能的重要因素：射线在传播过程中的衰减， 系统很难确定体内辐射源强度的绝对值大小。因辐射源处在人 体内部，所成的像希望

39、是体内辐射源未经衰减的强度分布。,69,E、SPECT缺点,1）SPECT中如果在重建算法中忽略人体对射线产生衰减的因素，就会使所得的图像失去定量的意义或产生伪像。因此，在图像重建之前必须设法消除由于射线在到达检测器之前的衰减所引起的误差，难度大且准确性不高。 2）SPECT空间分辨力比较低，原因是照相机在完成旋转扫描的过程中很难保证始终紧贴被探查的病人。 3）SPECT灵敏度比较低，为保证准确获得沿某一投影线上来的射线光子，必须采用准直器，而使用准直器的结果使大部分光子被挡住不能进入检测器，只有少量的光子被检测到，势必造成较低的灵敏度。,70,F、SPECT的临床应用,SPECT能显示脏器或

40、病变的血流、功能和代谢的改 变，有利于疾病的早期诊断及特异性诊断，在临床 当中的应用十分广泛。 SPECT诊断的应用范围： （1）骨骼显像 （2）心脏灌注断层显像 （3）甲状腺显像 （4）局部脑血流断层显像 （5）肾动态显像及肾图检查 （6）其它的主要临床应用,71,F、SPECT的临床应用,SPECT图象显示的形式: 1、平面显示与断层显示 2、静态显示与动态显示 3、局部显示与全身显示 4、电影显示 5、三维立体显示,72,静态显示,73,动态显示,74,断层显示,75,全身显示,76,G、SPECT与相机的比较,单光子发射计算机断层是核素显象技术中继相机问世后的又一次突破，它属于断层成像

41、的设备。 目前医院中用得最多的SPECT为旋转相机型的，这种SPECT是相机探头加上旋转机构和图像重建软件，它包含了相机的功能，增加了断层图像获取和图像重建功能，而价格只比一般相机贵20一30。,77,H、SPECT与CT比较,（1）CT是透射式成像设备，射线源在人体外部；SPECT 是发射式成像设备，射线源在人体内部。 （2）CT的空间分辨率较高，可达到小于0.5mm，所以图 像清晰；SPECT的图像分辨率只有4mm左右，图像 清晰度不如CT。 (3）CT的射线源是X射线；SPECT的射线源是射线。 （4）CT测得的图像反映的是脏器形态(解剖图像)；而 SPECT测得的图像可反映脏器的结构和

42、功能。 （5）在图像重建方面，SPECT和CT一般都采用滤波反投 影的重建方法。 （6）SPECT的价格一般比CT便宜，约为CT的1/3，为核 磁共振（MRI）的1/5。,78,A、 概述： SPECT探测器接收来自体内的示踪核素发出的射线，而PET探测器接收体内正负电子湮灭辐射所产生的一对511keV 光子，在物理上两者无明显区别，但方法上有很大不同，即成像的机制、对比度形成原理、采集数据方法、解释和分析数据的模型都不同，这些都是由系统硬件和软件来实现的。,(2)正电子发射计算机断层(PET),79,(2)正电子发射型计算机断层成像(PET),B、 PET成像基本原理 有一类放射性同位素（如

43、：11C、13N、15O等）在衰变过程中 释放正电子+ 。当人体内含有发射正电子的核素时，正电子 + 在人体中很短的路程内（小于1mm）即可和周围的负电子 -发生湮灭而产生一对光子，这两个光子的运动方向相 反，能量均为511 keV ，因此，用两个位置相对的探测器分 别探测这两个光子，并进行符合测量即可对人体脏器成像。 临床应用中这类同位素11C、13N、15O是由回旋加速器产生的。,80,(2)正电子发射型计算机断层成像(PET),C、正电子湮灭辐射：放射性同位素在衰变过程中发射出正电子+。正电子+很快就与周围的负电子-相结合发生质量湮灭，并转化为两能量为511keV且传播方向几乎完全相反的

44、射线光子（180度）。,81,D、符合探测：利用两个射线光子相反方向（1800）传播的特征，在探查对象的周围安放一圈检测器。各个检测器的输出被接到一个符合检测电路中，如果符合检测电路在很短时间间隔内，同时获得两个检测器输出的信号，则认为在这两个检测器空间的连线上有释放核素存在。 符合检测起到了电子准直的作用，与SPECT相比，不必使用铅准直器，因而提高了系统的灵敏度。符合检测器的输出将送到计算机中作进一步的处理以获得在体内分布浓度的断面像。,(2)正电子发射型计算机断层成像(PET),82,(2)正电子发射型计算机断层成像(PET),D、符合探测电路,83,(2)正电子发射型计算机断层成像(P

45、ET),E、PET湮灭及符合检测原理：（重点）,发射正电子的核素,84,F、PET的基本结构,PET主要由机架、探测器、电子装置和计算机影像处理系统组成。,PET结构示意图,85,F、PET的基本结构,86,1）机 架,PET由数百个探测器组成环形，环的直径约为100cm。一个PET 系统至少有一个探测器环，可获得一个断层的数据，有的PET 系统有几十个探测器环，可以一次获得整个容积的数据。每个 探测器都有NaI(T1)闪烁晶体和光电倍增管，光电倍增管的输 出信号送放大器放大。 PET的准直器采用电子准直器。 电子准直：利用湮灭辐射产生在一条直线上、方向相反的两个 光子，用两个相对探头来确定闪

46、烁点位置的方法。 透射源：是一个正电子发射核素固体源，用于PET的校正。 倾斜驱动器：用于控制探测器环的角度，达到理想的检测位置。,87,PET的扫描装置是与图像重建直接相关的部分，是耗资最大、决定机器性能的核心部件。 扫描装置由检测器阵列以各种不同的形式排列组成，从它的排列方式上可分为单环、双环、多环。检测器排列在360度圆周上形成环状结构，PET的分代、及性能等多种因素取决于环的多少。 第一代PET为单环，第二代PET为双环和多环，第三代PET 为多环模块结构，第四代PET为多环模块三维结构。 多环扫描器可以同时获得多个断面的数据，从而可以得 到示踪物的三维分布。,2）扫描装置,88,2）

47、扫描装置,扫描器装置的基本单元器件是检测器。检测器是由闪烁晶体、光电倍增管、前端电路及射线屏蔽装置组成，它是PET中湮灭光子符合检测的基本单元。 检测器在结构形式上分为：分离检测元件检测器和块状结构检测器。 现在用块状结构检测器。其结构是采用在大晶体锗酸铋(BGO)上刻成许多槽，把晶体分成48或88小矩阵，后面连接4个光电倍增管。这种结构不但节省了光电倍增管，改善了光的收集效率，其灵敏度、空间分辨率和响应时间都令人满意。,89,3）计算机图像系统,PET的计算机图像系统的硬件设备与SPECT的类似，检测程序为PET专门设计。有静态、动态和门电路三种数据采集方式 检测过程：先对透视扫描，然后给药

48、、采集、图像重建、拍照、发报告。 PET既可得到动态图像，又可得到静态解剖图像，还可得到代谢功能性图像。 PET的图像重建方法也与SPECT类似，采用滤波反投影方法,用二维或三维方式显示。,90,4）PET组成,1.操作台 主要是键盘操作，选择探测条件及图像重建、图 像照相存档及数据处理。 2.检查床 能上、下、内、外准确移动 3.示踪剂的加速器或发生器，药物合成装置. 示踪剂（即放射性药物）是正电子发射体，一般 原子序数低，是人体内固有元素的同位素，可取 代正常生物物质中的相应原子参与体内代谢。常 用的示踪剂有18F、11C、13N、15O等。,91,G、PET的技术优势,1、PET在理论上

49、可以显示机体进行的生理、生化过程。 2、由于采用了贫中子核素（碳、氮、氧、氟），其半衰期极短，以分钟计，有“超短半衰期核素”之称，故对人体的放射性剂量很小，在临床检查上可以进行多次给药、重复成像检查。 3、PET具有自准直符合电路计数方法，省去了准直器，使探测效率即灵敏度大为提高。放射性剂量大为减少，信号的信噪比高，相对SPECT图像质量更高，患者的安全性更高。 4、由于电子对湮灭的距离为1mm左右，所以PET图像空间分辨距离较SPECT提高近十倍，可有效检出13mm的病灶。 5、PET便于做定量分析。 6、PET多环检测技术可以获得大量成像数据，从而可以进行三维图像重建。,92,H、 PET

50、的性能特点,PET显像的特点： 1.灵敏度高、分辨率强； 2.示踪剂具有生物活性； 3.放射性损伤较小； 4.系统复杂，费用昂贵。,93,I、PET与CT、MRI的比较,PET主要测量体内化学变化及新陈代谢 CT或MRI主要用来观察人体组织与结构 在区分癌症与良性组织以及区分恶性或非恶性组 织时，PET比CT或MRI有效。 PET经常和CT及MRI透过“影像融合”的方式更清楚 的看到在三维空间里正确的癌组织位置。,94,J、PET的图像重建,PET的图像重建一般采用两种算法，一种是滤波反投影法；另一种是迭代重建法。 (1)滤波反投影法：该方法首先将探头采集到的二维投影数据经过预滤波（抑制低频又

51、要抑制高频噪声），然后把二维投影数据反投影到预先设定的三维矩阵中，反投影就是将所有经过点(x，y)(该点为物体中任意一点)的投影数据累加起来运算，也就是将各投影值均匀(或加权)分配给投影线经过的每一个像素的运算，即为重建后的图像。 但重建后的图像分辨率较差，图像存在固有星状伪影。特别是小尺寸源的成像效果差，且难以在重建中引入各种校正和约束，造成重建图像模糊。,95,J、PET的图像重建,(2)迭代重建法:该方法是从一个假设的初始图像出发，采用迭代的方法，将理论投影值同实测投影值进行比较，在某种最优化准则指导下寻求最优解。 该方法最大优点是可以根据具体成像条件引入与空间几何有关的或与测量值大小有关的约束和条件因子。 如对空间不均匀的校正、散射衰减校正、平滑性约束等控制迭代的操作。 目前用得最多的是预分组最大期望值图像重建法。,96,要求掌握迭代算法,关键点： 新的像素估计值=原旧值 （实际投影值/估算投影值） 按四个方向计算：水平（00）、450 、900、1350。 估算投影值为上述四个方向计算：像素值相加。 确定迭代终止条件（最优化准则）。,97,J、PET图像重建-迭代算法,26.6,98,K、 临床应用,1. PET临床应用 （1）癌症 （2）神经疾病 （3）心血管疾病 2. PET-CT的临床应用 （1）在肿瘤学方面:主要用于肿瘤定性