核医学仪器(影像班).ppt

核 医 学 仪 器中国医科大学附属盛京医院核医学科于 树 鹏核物理基础 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、功能核医学显像仪器的发展历程核医学显像仪器的发展历程扫描机 1951年美国加州大学Cassen照相机 1958年H.Anger SPECT 1979年 Kuhl等 PET 2001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/CTMicro PET、Micro SPECT、Micro PET/CTPET/MRI闪烁探测器闪烁探测器（scintillation detector）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（晶体（crystal）碘化钠（铊），NaI（Tl）、光电倍增管光电倍增管（photomultiplier tube，PMT）和前置放大器组成。Scintillation；Scintigraphy扫描机扫描机 Scanner照相机（照相机（camera）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。探头是探头是照相照相机的核心机的核心，其性能的好坏决定了整台机器性能机图像性能的好坏。探头的构成准直器 定向准直晶体 波长转换器光电倍增管 光电转换器准直器（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。为什么要用准直器？准直器有什么缺点？准直器的功能参数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准直器的空间分辨率准直器的空间分辨率定定义义：描描述述区区别别两两个个邻邻近近点点源源的的能能力力，通通常常以以点点源源或或线线源源扩扩展展函函数数的的半半高高宽宽（full width at half maximum,FWHM）表表示示，半半高高宽宽度度越越小小，表表示示空空间间分辨率越好。分辨率越好。平平行行孔孔准准直直器器，FWHM由由下式估算：下式估算：（D为准直孔的直径，为准直孔的直径，L为准直器厚度，为准直器厚度，z0为准直器表面至源的距离）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。越近分辨率越高，获得的图像质量越好。准直器的灵敏度与探测的射线能量准直器的灵敏度与探测的射线能量准直器的灵敏度：准直器的灵敏度：反反映映能能通通过过准准直直器器的的光光子子占占入入射射到到准准直直器器的的光光子子的的比比率率。准准直直孔孔越越大大，准准直直器器越越薄薄，灵灵敏敏度度越越高高，孔孔间间壁壁越越厚厚，灵灵敏敏度越低。度越低。适用能量范围：适用能量范围：由由孔孔长长和和孔孔间间壁壁厚厚度度决决定定。高高能能准准直直器器孔更长，孔间壁也更厚。孔更长，孔间壁也更厚。准直器准直器(collimator)的分类的分类孔的形状：针孔型、平行孔型、发散型、会聚型及斜孔型。能量范围：低能（350Kev）。灵敏度和空间分辨：高灵敏、高分辨及通用型。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。晶体晶体NaINaI晶体的特点晶体的特点 优优点点：密密度度大大(p=3.67g/cm(p=3.67g/cm3 3)，对对射射线线的的阻阻止止本本领领高高，即即吸吸收收率率高高；荧荧光光转转换换效效率率高高；荧荧光光衰衰减减时时间间短短 (0.25s)(0.25s)，得得到到高高的的时时间间分分辨辨率率，约约为为1010-6-6s s；制制备备较较为为方方便便，大大小小和和形形状状可可满满足足临床要求；临床要求；价格低廉。价格低廉。缺缺点点：易易于于潮潮解解,使使其其透透明明度度降降低低，性性能能变变坏坏；薄薄晶晶体体制制造造困困难难；易易潮潮、易易碎碎，使使用用时时应应特特别别小小心，不用时一定要加准直器保护。心，不用时一定要加准直器保护。目前目前SPECTSPECT晶体多为边长为晶体多为边长为40cm40cm左右大晶体。左右大晶体。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600400mm2。晶体厚度用毫米表示(传统用英寸)。目前目前相机和相机和SPECT探头的晶体一般在探头的晶体一般在6.4mm(1/4英寸英寸)25.4mm（1英寸）范围内英寸）范围内对对Tc-99m（140keV 射线）等低能核素，大部分相互作用射线）等低能核素，大部分相互作用发生在晶体前端发生在晶体前端25mm内，应该使用薄晶体内，应该使用薄晶体如果将晶体从如果将晶体从12.5mm降到降到6.5mm，空间分辨率可提高，空间分辨率可提高70%，而相应的灵敏度仅损失，而相应的灵敏度仅损失15%SPECT探头通常使用探头通常使用9.525mm（3/8英寸）英寸）带符合探测的多功能带符合探测的多功能SPECT（SPECT/PET），为兼顾高），为兼顾高能射线（能射线（511keV射线）的探测，通常使用射线）的探测，通常使用15.875mm(5/8英寸英寸)25.4mm（1英寸）的厚晶体。英寸）的厚晶体。晶体厚度选择考虑的因素光电倍增管光电倍增管(PMT)(PMT)晶体的后面是光电倍增管。光电倍增管成各种阵列排列，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依晶体的形状而定。光电倍增管的个数随视野大小和PMTPMT的大小而变。的大小而变。相应的探头相应的探头PMTPMT的总数最少为的总数最少为1919，最多可达，最多可达9191或更多。或更多。增加增加PMTPMT的个数可改善空间分辨，但影响探头的均匀性。的个数可改善空间分辨，但影响探头的均匀性。常用的常用的PMTPMT为圆形，光阴极直径为圆形，光阴极直径7.5mm7.5mm或或50mm50mm，近来采用，近来采用六角形或方形六角形或方形PMTPMT的机器也不少。的机器也不少。晶体与晶体与PMTPMT间有光导。间有光导。电子学线路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光子事件位置的确定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；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各个光电倍增管接收的闪烁光子的数目随其离闪烁中心（其离闪烁中心（光子处）的距离增加而减光子处）的距离增加而减少；少；由位置电路和能量电路根据不同位置的光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电倍增管接收到的闪烁光的强度来确定光光子的位置。子的位置。光子能量甄别光子能量甄别脉冲幅度高度分析器脉冲幅度高度分析器PHAPHA光子能量甄别光子能量甄别脉冲幅度高度分析器脉冲幅度高度分析器PHAPHAPHAPHA用来选择放射性核素的能量和能谱范围。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。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伽玛照相机的道宽经常选在20%20%，包括了放射包括了放射性核素光电峰的位置，可用来选择伽玛照相机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。所用的放射性核素。选择设定核素能量窗的选择设定核素能量窗的光子被记录，剔除低光子被记录，剔除低能能光子（例如，散射光子）及高能光子（例如，散射光子）及高能光子光子 。单道脉冲幅度高度分析器其他辅助电路其他辅助电路1 1、放大电路放大电路2 2、取样保持线路取样保持线路3 3、均匀性校正电路均匀性校正电路伽玛照相机的工作原理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。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。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。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，即为一幅体放射性浓度分布图像，即为一幅相机图像相机图像single photo emission computed tomography(SPECT)单光子发射型计算机断层仪单光子发射型计算机断层仪CT(computed tomography)计算机断层仪计算机断层仪TCT Transmission CTECT Emission CTSPECT(single photon emission computed tomography)单光子发射型计算机断层仪单光子发射型计算机断层仪PET(positron emissiontomography)正电子发射型计算机断层仪正电子发射型计算机断层仪SPECT成像原理是一台高性能的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（transverse section）、冠状面（coronal section）和矢状面（sagittal section）及其它斜断面的断层影像。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（FBP filtered backprojection）。对于一些不完全角度投影可以采用迭代法（迭代法（OSEM）重建图像。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 6464、128128、256256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图象重建的预备知识SPECT断层图像校正断层图像校正衰减校正及散射校正衰减校正及散射校正衰减校正：衰减校正：补偿组织对光子的衰减，以提高图象补偿组织对光子的衰减，以提高图象质量和准确质量和准确软件校正：假想组织对光子的衰减是均匀的，对软件校正：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：用放射源或透射扫描校正法：用放射源或CT投射扫描获得成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具体的衰减分布进行的,所以对于非均匀衰减的情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。况能校正出较为理想的重建图像。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SPECT/CT SPECT/CTnuclear medicineunclear medicine解剖图像与功能图像融合nuclear medicine clear medicine软件融合硬件同机融合SPECT探头X线管球、探测器SPECT/CT中CT的作用衰减校正、解剖定位及诊断功能GE Discovery VHGE infinia VCpositron emission tomography正电子发射型计算机断层仪正电子发射型计算机断层仪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正电子发射型计算机断层仪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。PET的工作原理正电子衰变与淹没辐射符合窗与符合探测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符合探测(coincidence detection)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。符合探测符合探测(coincidence detection)PET不能区分的三种符合n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。和对比度，影响图像质量。n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。以平方级数增加。nPETPET药物活性度增高到一定程度时，图像质量反而严重下降。药物活性度增高到一定程度时，图像质量反而严重下降。PET的结构的结构扫描机架、主机柜、操作控制台和检查床探头是机架、仪器的核心部件 一个晶体组块和与其相连的光电倍增管组成一个探测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器组块(detector block)。每一晶体组块又被分割成多块小晶体每一晶体组块又被分割成多块小晶体6 68 8，其，其中每一个小晶体块为一个探测器。中每一个小晶体块为一个探测器。PET晶体晶体晶体性能：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使用锗锗酸酸铋铋(Bi4Ge3O12,BGO)、掺铈的氧化正硅酸钆（Gd2SiO5Ce,GSO）、掺铈的氧化正硅酸镥（Lu2SiO5Ce,LSO）低档PET主要使用碘化钠（NaI(Tl)）晶体。PET主要性能指标主要性能指标 能量分辨率(energe resolution)与能窗(energy window)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1/3 Emax左右，不同的核素Emax不同，其正电子飞行的平均距离也不同。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主要性能指标主要性能指标 灵敏度灵敏度 系系统统灵敏度取决于灵敏度取决于扫扫描描仪仪的的设计设计构造及数据的构造及数据的采集方式。如在采集方式。如在2D方式方式时时，至多有，至多有3%的湮的湮灭辐灭辐射事件可被探射事件可被探测测；在；在3D时时，灵敏度可增加，灵敏度可增加5倍倍 示踪剂剂量一定时，灵敏度越高，所需的扫描示踪剂剂量一定时，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，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，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。降低病人所接受的辐射剂量，有利于辐射防护。PET主要性能指标主要性能指标 PET图像的采集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 PET的的2D和和3D采集模式采集模式n2D采采集集时时探探头头环环与与环环之之间放置栅隔（间放置栅隔（septa）。）。n栅栅隔隔由由铅铅或或钨钨等等重重金金属属屏屏蔽蔽材材料料制制成成，防防止止错错环符合事件发生。环符合事件发生。n3D采采集集收收进进环环间间栅栅隔隔，系系统统会会记记录录探探测测器器之之间间任何组合的符合事件任何组合的符合事件。n移取栅隔使随机和散射计数所占比例增大移取栅隔使随机和散射计数所占比例增大（30%)。0200400600800100012001400160018002000Septa InSepta OutScatter EventsTrue Eventsn屏蔽栅屏蔽栅隔的存隔的存在减少在减少随机和随机和散射符散射符合计数合计数(10)。PET的的2D和和3D采集模式采集模式n3D形成的符合线数比2D方式多出812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。n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。2D采集：采集：信噪比高，随机符合和散射符合计数较小信噪比高，随机符合和散射符合计数较小图像校正和图像重建简单，定量处理准确图像校正和图像重建简单，定量处理准确轴向轴向FOV均匀性较好均匀性较好灵敏度较低，采集时间较长灵敏度较低，采集时间较长3D采集：采集：灵敏度较高，节省采集时间灵敏度较高，节省采集时间随机符合和散射符合计数较高随机符合和散射符合计数较高图像校正和图像重建复杂，定量精度很差图像校正和图像重建复杂，定量精度很差轴向轴向FOV均匀性较差均匀性较差PET的的2D和和3D采集模式采集模式2D和3D图像比较探测器归一化探测器归一化放射性核素的衰败校正放射性核素的衰败校正组织衰竭校正组织衰竭校正散射校正散射校正随机符合校正随机符合校正死时间校正死时间校正PET原始数据原始数据的校正的校正PET影像的重建影像的重建Backprojected ratios“True Image”Data(noiseless)First ImageForward-Projected DataRatio of Data to Estimate Updated ImageEM迭代重建迭代重建10(0.75+1.25+1.00)/3=10为加快为加快EM迭代收敛，采用迭代收敛，采用OS-EM算法算法Ordered subsets expectatinn maximization,有序子集最大期望值法有序子集最大期望值法PET影像的重建影像的重建“True Image”Iteration 0Iteration 1Iteration 5Iteration 10Iteration 20PET的定量分析的定量分析（一）像素值（一）像素值（pixel value）像素像素计计数数 一个像素中的真符合事件的数量一个像素中的真符合事件的数量 放放射射性性浓浓度度 像像素素的的放放射射性性浓浓度度反反映映该该像像素素组组织织对示踪剂的摄取程度对示踪剂的摄取程度 标标准准摄摄取取值值(standard uptake value,SUV)将将放放射射性性浓浓度度除除以以单单位位体体重重的的用用药药量量，称称为为“标准摄取值标准摄取值”。（二）感兴趣区（二）感兴趣区（region of interest，ROI）的像素）的像素平均值平均值（三）靶本比（三）靶本比（target-to-background ratio,target-to-background ratio,T/BT/B）（四）放射活度（四）放射活度-时间曲线（时间曲线（time-activity time-activity curvecurve，TACTAC）PET的定量分析的定量分析SPECTPETSPECT/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/PET也称兼容性PET（hybrid PET）GE Millennium VGSPECTPET的特点在双探头SPECT仪器基础上除去准直器，加以符合探测电子学线路进行双光子探测。显像时间相对较长。图像质量较PET为差。不能进行PET的定量计算及动态显像。较适合目前中国“初级阶段”国情。PET/CTSIEMENT biography 一一 16HR PET/CTGE discovery-ST PET/CTPET-CT融合示意图CT图像图像何处何处有病有病灶？灶？PET-CT融合示意图PET图像图像病灶病灶在何在何处？处？PET-CT融合示意图PET-CT图像图像融合融合病灶病灶原来原来在这在这里里解解剖剖图图像像功功能能图图像像融融合合图图像像PET/CT中的PET、CTPET PET/CT的主体CT的作用：为PET提供衰减校正为PET提供解剖位置信息提供诊断信息PET/CT的特点2000年PET/CT 在RANA正式问世，导致当年FUSION成最流行词语。明显提高PET的空间定位准确性。诊断性CT子系统可以大大增加诊断信息量，与PET的功能显像互补，提高诊断能力。CT图像可用于AC，提高图像质量同时缩短采集时间。应用迅速普及，发展前景无限。Micro PET