核医学仪器(影像班)

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。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（OSEM） 重建图像。
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ຫໍສະໝຸດ Baidu衰变与淹没辐射 • 符合窗与符合探测
核医学仪器
中国医科大学附属盛京医院核医学科
于树鹏
基因 受体 代谢
形态结构、血流、功能
核 医 学 仪 器
放 射 性 药 物
核物理基础
医学知识
核医学显像仪器的发展历程
扫描机 γ照相机 1951年美国加州大学Cassen 1958年H.Anger
SPECT
PET SPECT/PET
• 晶体与PMT间有光导。
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
γ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 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 其离闪烁中心（γ光子处）的距离增加而减 少； • 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γ光 子的位置。
（D为准直孔的直径，L为准直器厚度， z0 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 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： 反映能通过准直器的γ 光子占入射到准 直器的γ 光子的比率。准直孔越大，准直 器越薄，灵敏度越高，孔间壁越厚，灵敏 度越低。 • 适用能量范围： 由孔长和孔间壁厚度决定。高能准直器 孔更长，孔间壁也更厚。
单道脉冲幅度高度分析器
其他辅助电路
1、 放大电路 2、 取样保持线路 3、 均匀性校正电路
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 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 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 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。 • 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。 • 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γ相机图像
图象重建的预备知识
• 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 64×64、128×128、256×256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。
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β ＋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(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。
• •
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600×400mm2。晶 体厚度用毫米表示(传统用英寸)。
晶体厚度选择考虑的因素
• 目前γ相机和SPECT探头的晶体一般在6.4mm(1/4英 寸)~25.4mm（1英寸）范围内 • 对Tc-99m（140keV γ射线）等低能核素，大部分相互作 用发生在晶体前端2~5mm内，应该使用薄晶体 • 如果将晶体从12.5mm降到6.5mm，空间分辨率可提高 70%，而相应的灵敏度仅损失15% • SPECT探头通常使用9.525mm（3/8英寸） • 带符合探测的多功能SPECT（SPECT/PET），为兼顾高 能射线（511keVγ射线）的探测，通常使用15.875mm(5/8 英寸)~25.4mm（1英寸）的厚晶体。
电脉冲信号。主要部件由晶体（crystal ）
［碘化钠（铊），NaI（Tl）］ 、光电倍增管 （photomultiplier tube，PMT）和前置放大
器组成 。
Scintillation； Scintigraphy
扫描机
Scanner
γ照相机（γ camera）
γ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 。
SPECT断层图像校正
• 衰减校正及散射校正
• 衰减校正：补偿组织对光子的衰减，以提高图象 质量和准确
• 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 • 透射扫描校正法：用放射源或CT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, 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。
光子能量甄别——脉冲幅度高度分析器PHA
光子能量甄别——脉冲幅度高度分析器PHA
• PHA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 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20%， 包括了放射 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。 • 选择设定核素能量窗的γ光子被记录，剔除低 能γ光子（例如，散射光子）及高能γ光子 。
• 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 VH
GE infinia VC
positron 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
single photo emission computed tomography (SPECT)
单光子发射型计算机断层仪
CT (computed tomography) 计算机断层仪
TCT Transmission CT
ECT Emission CT
SPECT (single photon emission computed tomography ) 单光子发射型计算机断层仪
符合探测(coincidence detection)
PET不能区分的三种符合

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。

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。
PET药物活性度增高到一定程度时，图像质量反而严重下降。
光电倍增管(PMT)
• 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 PMT的大小而变。 • 相应的探头PMT的总数最少为19，最多可达91或更多。 增加PMT的个数可改善空间分辨，但影响探头的均匀性。 • 常用的PMT为圆形，光阴极直径7.5mm或50mm，近来采用 六角形或方形PMT的机器也不少。
NaI晶体的特点
• 优点： ①密度大(p=3.67g/cm3)，对射线的阻止 本领高，即吸收率高；②荧光转换效率高；③荧 光衰减时间短 (0.25μ s)，得到高的时间分辨率， 约为10-6s；④制备较为方便，大小和形状可满足 临床要求；⑤价格低廉。
• 缺点：易于潮解,使其透明度降低，性能变坏； 薄晶体制造困难；易潮、易碎，使用时应特别小 心，不用时一定要加准直器保护。 • 目前SPECT晶体多为边长为40cm左右大晶体。
准直器(collimator)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（<150Kev）、中能
（150Kev－350Kev）高能（> 350Kev）。
灵敏度和空间分辨：高灵敏、高分辨及通用型。
晶体
• 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。
1979年 Kuhl等
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/CT; PET/CT
Micro PET、Micro SPECT、Micro PET/CT
PET/MRI
γ闪烁探测器 （γ scintillation detector ）
γ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
探头是γ照相 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
光电倍增管
波长转换器
光电转换器
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。
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
γ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
枕形失真
桶形失真
SPECT/CT
SPECT/CT
• • • • • nuclear medicine－unclear 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
为什么要用准直器？准直器有什么缺点？
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
• 定义：描述区别两个邻近 点源的能力，通常以点源 或线源扩展函数的半高宽 （ full width at half maximum, FWHM）表示， 半高宽度越小，表示空间 分辨率越好。 • 平行孔准直器，FWHM由 下式估算：
PET (positron emission tomography) 正电子发射型计算机断层仪
SPECT成像原理
是一台高性能的γ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。