核医学成像设备

第八章核医学成像设备§8-1 概述概念：是一种以脏器内外或脏器正常组织与病变组织之间的放射性浓度差别为基础的脏器或病变组织的显像方法。

一、核医学成像的过程和基本条件：(1)、先把某种放射性同位素标记在药物上，形成放射性药物并引人人体内，当它被人体的脏器和组织吸收后，就在体内形成了辐射源。

(2)、用γ射线检测装置可以从体外检测体内放射性核素在衰变过程中放出的γ射线，从而构成放射性同位素在体内分布密度的图像。

由于放射性药物与一般天然元素或其他化合物一样，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，更重要的是提供了有关脏器功能及相关的生理、生化信息。

二、核医学成像的基本特点如下：(1)、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，而且还提供了包括整体或局部组织功能，以及脏器功能的每个微小局部变化和差别。

(2)、核医学成像具有多种动态成像方式。

由于脏器对放射性药物的摄取、吸收、排泄等作用，使脏器、病变的血流和功能情况得以动态且定量地显示出来，同时提供多种功能参数以反映机体及组织的血流功能、代谢和受体等方面的信息。

(3)、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。

三、核医学成像设备分类及特点(一)、γ相机1、组成：(1)、闪烁探头：包括准直器、闪烁探测器、光电倍增管等。

(2)、电子线路：包括前置放大器、单脉冲高度分析器、校正电路等。

(3)、显示装置：示波器、照相机等。

(4)、附加设备：2、特点：（见书P226）(1)、通过连续显像，追踪和记录放射性药物通过某脏器的形态和功能进行动态研究；(2)、由于检查时间相对较短，方便简单，特别适合儿童和危重病人检查；(3)、由于显像迅速，便于多体位、多部位观察；(4)、通过对图像相应的处理，可获得有助于诊断的数据或参数。

(二)、单光子体层成像设备（SPECT ）1、成像原理：利用γ照相机围绕着诊断感兴趣的人体区域，采集各种不同角度上放射出的γ光子并计数，然后利用X-CT 中所使用的图像重建方法，得到人体某一体层上的放射性药物浓度的分布，即可得到多层面的各方位的体层图像或三维立体像。

目前SPECT 的能量测量范围为50~600keV ，空间分辨率6~11mm 。

2、与X-CT 的区别：(1)、图像粗造，空间分辨率低。

(2)、属发射型体层摄影；(三)、正电子发射体层成像设备(PET)1、使用发射正电子的放射性核数，如：O N C 151311,,等都是人体组织的基本元素，易于标记各种生命必需的化合物及其代谢产物或类似物而不改变它们的生物活性，且可参与人体的生理、生化代谢过程；其次这些核素的半衰期都比较短，检查时可给予较大的剂量，从而提高图像的对比度和空间分辨力。

因此它所获得的图像是反映人体生理、生化或病理及功能的图像。

2、由于采用的是发射正电子的放射性核素，电子在物质中射程短并只能瞬间存在，不足以穿透较厚的脏器或组织，故测定正电子的基本方法是测量湮没辐射产生的γ光子；缺点：推广应用方面受到以下两点的制约：①由于发射正电子的放射性核素半衰期短，且都是由迥旋加速器生产的，故使用PET的单位附近，应有生产这些短半衰期放射性核素的医用迥旋加速器；②应有快速制备这些短半衰期核素标记放射性药物的设备和实验室。

§8-2 核医学成像物理学基础原子核是由两种质量几乎相等的基本粒子组成——质子和中子。

凡质子相同的原子为同一种元素。

把属于同一种化学元素，但具有不同中子数的元素称为同位素。

若原子核在不受外力的作用时，核内的成分及能级不发生变化，为稳定性核素。

若原子核需要通过核内结构或能级调整才能趋于稳定，这种核素被称为不稳定核素。

这种核内能级和结构的调整过程称为核衰变(nuclear decay)。

核衰变的同时，将释放出一种或一种以上的射线，这种性质叫做放射性。

因此，不稳定的核素又称为放射性核素，在自然界中放射性同位素大约有1300种，人工制造的同位素都有放射性。

放射性同位素的核衰变主要包括：α衰变、β口衰变、γ衰变等。

核素在上述的衰变过程中相应释放α粒子、β粒子、正电子或γ射线。

从电磁波的角度来看，X射线和γ射线几乎具有相同的频段，但两种射线的来源不同。

x射线来自核外，而γ射线则来自核内。

放射性衰变的发生是随机的。

放射性衰变的过程中，放射性核素的量随时间的增加而减少，不同的放射性核素原子核衰变速率不同，有的核素衰变快，有的核素衰变慢，这是放射性核素的一个特征。

核衰变的速率按指数规律衰减，任何一种放射性核素经过一段时间后，其强度可表示为：tIλ-=Ie式中：I为时间t=0时的射线强度；I为经过一定时间t以后(即t时刻)的射线强度；λ为该放射性核素的衰变常数。

因为放射线强度与原子核数成正比，所以原子核数可由下式求出：t e N N λ-=0式中：N 0为t=0时放射性核素的原子核数；N 为经过一定时间t 的放射性核素的原子核数。

任何放射性原子核数衰减到原来的一半所需要的时间，称为该核素的物理半衰期21T ，由上面的式子可得λ/2ln 21=T 。

在核医学中放射性同位素或放射性化合物除了物理半衰期之外，还有生物半衰期。

当进入人体后，放射性药物由于排泄、分泌使其在体内的含量减少到原来的一半所用的时间，称为生物半衰期。

所以放射性药物在体内的有效半衰期应由物理衰变和生物体代谢衰变共同决定。

放射性核素在他们的衰变过程中要产生放射性射线，射线中只有γ射线穿透力较强，引人体内后能在体表检测到，同时它在体内的电离密度较低，引起的电离辐射损伤较小，所以核医学成像中主要是检测γ射线。

§8-2 核医学成像设备一、 γ相机(一)、基本结构：整个系统构成由准直器、γ射线检测器的检测介质（闪烁晶体）、光电倍增管阵列、前置放大器、位置计算电路、脉冲高度分析器、图像处理电路及显示装置等。

(二)、基本原理：1、人体吸收放射性药物后放射出γ光子，经准直器入射到闪烁晶体上。

闪烁晶体紧贴在准直器后面，将入射的γ光子转换为光电子。

2、由于光电子的能量很低，不能用于照相，因此在检测介质后面用光电倍增管阵列，它可以有效地将输入的光电子信号放大。

光电倍增管输出的电脉冲信号的幅度与入射的γ光子能量相对应，同时还带有与入射的γ射线位置相关的信息。

3、光电倍增管输出的电脉冲信号经前置放大器放大后分成两路，一路经“高精度坐标计算装置”进一步处理，可得到了光子入射到闪烁晶体介质上的准确坐标；另一路信号送入能量信号通道，脉冲总和电路输出的Z 信号(其大小与闪烁光的荧光量成正比)经过脉冲高度分析器的处理，除去大部分的散射γ射线和天然本底，按预先设定的能量范围对信号进行能量的加工处理。

4、将能量信号与位置坐标信号结合起来，X 、Y 信号决定了闪烁点的位置， Z 信号决定了显像点的光的亮度。

形成γ相机的图像信号。

图像既可以显示在监视器的屏幕上，又可以用光学照相机把显示图像记录在胶片上。

(三)、位置计算电路：每个光电倍增管都分别被连接到各自的前置放大器上，放大器输出信号电压分别接到4个权重电阻-+-+Y Y X X R R R R ,,,上，各电阻的阻值根据管的位置不同而异。

以19个光电倍增管阵列为例，经过权重电阻后19个输出被连在一起形成4个合成的电信号：-+-+Y Y X X ,,,。

这4个信号分别同时送入位置通道和能量通道。

位置通道分x 坐标位置电路和y 坐标位置电路两部分，两部分的电路结构相同。

由放大器输出的-+-+Y Y X X ,,,信号，经位置坐标电路，根据信号的大小，就可以计算出闪烁点的坐标位置x 和y ，即：-+-+-+-++++=-=-=Y Y X X Z ZY Y Y ZX X X /)(/)(（式8-2-1）X ，Y 为位置信号，Z 为能量信号。

例1：对于P10光电倍增管，4个相连接的权重电阻阻值各为20k ，则根据8-2-1计算：80202020200202002020=+++==-==-=Z Y X 例2：对于P8光电倍增管，K Y Y X X 20,40,0====-+-+，代入8-2-1计算：（略）(四)、准直器：1、作用：滤除非规定范围和非规定方向的γ射线。

2、准直器分类：(1)、根据几何形状分类：1)、针孔形：灵敏度低；2)、平行孔型：灵敏度高；3)、扩散型：扩大了有效视野，但周边部位的灵敏度和分辨率低。

4)、汇聚型：放大倍数小，灵敏度和分辨率高。

(2)、根据适用的γ射线能量分类：(3)、根据灵敏度和分辨力分类：3、准直器的主要性能参数：(1)、空间分辨率：(2)、灵敏度：(3)、适用能量范围：二、 单光子发射型计算机体层设备(一)、γ相机和SPECT 设备的对比：γ相机所提供的图像是放射性药物在三维人体组织中分布情况的二维投影图像，其中不足的是前后组织的放射性分布重叠。

由于计算机辅助体层技术在核医学中的应用，在20世纪70年代的后期核医学成像设备有了新的发展。

在1979年第一台实用的单光子发射型计算机体层成像设备研制成功，它继承了γ照相机的优点和功能，而又实现了类似X线CT的体层成像。

SPECT利用从体外不同角度检测采集到的二维图像数据，经计算机处理后重建图像。

SPECT图像首先是消除了复杂结构的重叠，给出了一个体层或多个体层的定向图像，该图像表示出生理放射性同位素示踪的三维分布。

经过20余年的技术发展和经验积累，SPECT已成为心、脑显像，尤其是脑血流和功能显像不可缺少的重要方法。

(二)、什么是单光子单光子的概念是相对于双光子而言的。

在放射性核素成像中，γ光子的检测有两种方法：一是单光子检测法(SPC)；二是符合检测法，也称双光子检测法(ACD)。

131这类的放普通的γ照相机使用的放射性核素一般是用反应堆生产的，如I射性核素，是富中子的。

因为在生产过程中，由于中子轰击母靶，使母核得到了多余、过剩的中子而变得不稳定，母核在衰变过程中发生了中子和质子的转化，β粒子(称为-β衰变)，即n(中子)——〉P(质一个中子转化为质子，同时产生一个-β。

-β衰变后的原子核从高能级的能量跃迁到基态时，释放出多余的能量，子)+-多余的能量以光子的形式放出，由此产生的γ光子是单方向的，也是单个的，即单光子。

(三)、分类：1、多探头环形：该类机型的探头结构为多探头环型，结构与X线CT类似，由数量众多的探头围成环状，同时分别检测各个方向的γ射线。

成像时探头做平动和转动两种运动，首先检测器沿病人某一层面在不同方向上做直线扫描，将每一条线上的体内示踪核素放出的射线总和记录下来，形成一个投影数据(放射性药物沿投影线浓度分布的线积分)，这些投影数据的集合形成一个“投影截面”；然后探头旋转一定角度，再作直线扫描，取得另一个“投影截面”。