医学成像技术第六章核医学成像
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第六章 核医学成像
Nuclear Medical Instrument
人 体 骨 骼 的 全 身
γ
成
伽玛照相机
像
概述
• 介绍 – 核医学仪器的分类
• 放射性核素及其衰变规律 – 三种基本的放射性衰变，以及放射性指数衰变 规律。
• 射线探测系统 – 介绍射线测量的探测器以及电路基本原理
• 核医学成像系统介绍 – 同位素扫描仪 – 伽玛照相机 – 发射型计算机断层扫描仪ECT(SPECT和PET)
核医学仪器分类
• 用于放射性药物的活度测量的活度计
– 活度计又称强度计、同位素刻度计、居里计
• 用于个人剂量监测和防护监测的仪器
– 个人剂量计、热释光剂量计、表面沾染仪、环境监测 仪等
• 用于体外样品分析的样品测量装置
– 放射免疫测计数器、液体闪烁计数器
• 用于脏器功能测定的仪器
– 甲状腺功能仪、肾功能仪、心功能仪、肺密度仪、骨 密度仪等
伽玛照相机电路结构
伽 玛 照 相 机 的 探 头 结 构
显示：如果该伽玛射线的能量属于需要 纪录的伽玛射线，则根据计算出的位置 值(x,y)，在示波器的相应点上显示， 经过一定时间后，就会形成一幅闪烁图 像。
定位电路：与PMT配合计算出伽玛射线 的出射位置(x,y)，以及该伽玛射线的能 量值。
光电倍增管(PMT)：将可见光转化为 电信号，PMT以六角蜂窝状排列，以 配合定位电路计算伽玛射线的出射位 置。 NaI(Tl)晶体：使伽玛射线转化为可见光。
由此可以判断脏器的形态变 化以及生理、生化参数的变化。
扫描仪实例
扫描图：甲状腺癌的转移
例如胶体金（198Au）注射到人体以后，主要被肝网状内皮细胞所含噬（肝脏解 毒），所以示踪药物198Au将会积聚在肝脏内，但对于肝占位性病变处组织积聚示踪 核素的能力与正常组织有很大差别，肝于该部位的放射性活度呈现局部反常（如原 发性肝细胞肝癌患者的网状内皮细胞或多角细胞破坏时），在扫描图上出现放射性 减低或缺损区。这种放射性的减低或缺损，就是判断脏器内有无占位性病变存在以
一的
探头
前
置
探测器 放 大 器
核电
脉
记
主 放 大
或甄 单别 道器
冲
录
计
显
数
示
器
器
系
统
稳定的直流高压电源
稳定的直流低压电源
使用甄别器可以测量射线的强度、活度以及射线的剂量大小等等。 使用单道可以测量某一核素释放的射线能量、半衰期、强度等等。
射线探测器
• 气体探测器
– 工作原理
气体
射线
+
HV
前置放大 C 电路
素脉 甄
产冲 别
将 微 弱 的 电 信 号 预 放 大
号将 放前 大放 到输 几出 伏的 左电 右信
生信 器 的号 让 电通 由 脉过 于 冲， 射 信而 线 号单 作 通道 用 过只 而 。让 产
某生
电将 脉通 冲过 信甄 号别 进器 行或 计单 数道
的
据将 记计 录数 并器 显所 示计 出的 来数
• α衰变
–226 88
Ra
28262Rn
24He
4.88
MeV
• β衰变
–32 15
P
1362
S
1.71MeV
• γ衰变
–
99mTc99Tc
13 7
N
163C
1.19 MeV
核衰变规律
• 核衰变规律公式
N N0et
其中： N为t时刻衰变核的剩余数目 N0为t=0时刻的衰变核数目 λ 为衰变常数
伽玛射线
发光点的总强度： P=P1+P2+P3 即Z信号的值
P1 P2 P3
• 半衰期T1/2：放射性原子核衰变到一半所需要的时间
N
N0 2
N eT1/ 2 0
半衰期T1/2的含义
ln 2 0.693
T1/2
半衰期T1/2与 λ 的关系
例如： Ra的半衰期为1590年， 磷-32的半衰期为14.3天， 铯-135的半衰期为2.8×10-10S。
射线探测系统
将 射 线 能 量 转 化 为 电 能
R
电离电流
射线探测器
• 半导体探测器
– 工作原理
N区 PN结 P区
射线
前置放大电路 C
R
HV
电离电流
射线探测器
• 闪烁探测器
– 工作原理 900V 0V 300V 600V R
γ射线
前置放大器 C
闪烁晶体 NaI (Tl )
荧光光子
150V 450V 750V
光电倍增管
核医学成像设备原理简介之一
同位素扫描仪(Radionuclide Scanner)
工作原理
根据人体脏器对放射性药物 也即示踪核素的选择吸收能力， 利用扫描仪的闪烁探头对准脏器 缓慢地作“弓”字形匀速平面扫 描运动，并逐点探测记录放射性 核素在脏器内的分布情况，将各 点的放射性活度以相应的打点密 度或颜色等方式描绘成脏器中放 射性核素浓度（或放射性活度） 的二维分布图像，即为扫描图。
• 但由于扫描机是通过“顺序定点”的扫描方式来获得人 体器官的静态图像，故成像时间较长（一般要花十几到 几十分钟），不能使用太短半衰期的放射性核素，易形 成运动伪像，不能做动态显像。
• 后逐渐被γ照相机所取代。
核医学成像系统原理简介之二
伽玛照相机
探头支架
数 据 处 理 装 置
及
操 作 控 制 台
探头 病床
及存在的部位和大小的依据。
闪烁扫描机特点
• 扫描机早在50年代国外已普遍使用，我国自60年代以来 也逐渐普及。
• 由于扫描机的设备比较简单、价格低廉、使用方便、检 查费用低以及扫描图具有功能成像的特点，所以被临床 应用价值所肯定。
• 扫描机的空间分辨率约为10mm左右，在其静态显像上 并不亚于后来发展起来的γ照相机，且成像的大小与脏 器实物相等（即成像比为1:1）。
• 用于脏器显像的装置
– 闪烁扫描仪、伽玛照相机、SPECT、PET
一些仪器介绍
功 能 仪 活度计
免疫计数器
一些仪器介绍
闪烁扫描仪
CT
伽玛照相机
PET
全身骨成像
放射性核素及其衰变规律
• 核衰变
– 某些核素能自发地发生结构变化及能量状态 的改变，放出射线并转变为另一种核素的过 程叫核衰变。
准直器：防止散射线进入探测器，即防 止临近组织产生的伽玛射线散射进入测 量部位组织。
PMT的排列方式
每一个边排列3个，总共19个 每一个边排列4个，总共37个 每一个边排列5个，总共61个 每一个边排列6个，总共91个 每一个边排列7个，总共127个
位置计算电路
NaI (Tl)
P1,P2,P3为 PMT的输出信 号值，反映了进 入PMT的光强 X1,X2,X3为 PMT的位置值
Nuclear Medical Instrument
人 体 骨 骼 的 全 身
γ
成
伽玛照相机
像
概述
• 介绍 – 核医学仪器的分类
• 放射性核素及其衰变规律 – 三种基本的放射性衰变，以及放射性指数衰变 规律。
• 射线探测系统 – 介绍射线测量的探测器以及电路基本原理
• 核医学成像系统介绍 – 同位素扫描仪 – 伽玛照相机 – 发射型计算机断层扫描仪ECT(SPECT和PET)
核医学仪器分类
• 用于放射性药物的活度测量的活度计
– 活度计又称强度计、同位素刻度计、居里计
• 用于个人剂量监测和防护监测的仪器
– 个人剂量计、热释光剂量计、表面沾染仪、环境监测 仪等
• 用于体外样品分析的样品测量装置
– 放射免疫测计数器、液体闪烁计数器
• 用于脏器功能测定的仪器
– 甲状腺功能仪、肾功能仪、心功能仪、肺密度仪、骨 密度仪等
伽玛照相机电路结构
伽 玛 照 相 机 的 探 头 结 构
显示：如果该伽玛射线的能量属于需要 纪录的伽玛射线，则根据计算出的位置 值(x,y)，在示波器的相应点上显示， 经过一定时间后，就会形成一幅闪烁图 像。
定位电路：与PMT配合计算出伽玛射线 的出射位置(x,y)，以及该伽玛射线的能 量值。
光电倍增管(PMT)：将可见光转化为 电信号，PMT以六角蜂窝状排列，以 配合定位电路计算伽玛射线的出射位 置。 NaI(Tl)晶体：使伽玛射线转化为可见光。
由此可以判断脏器的形态变 化以及生理、生化参数的变化。
扫描仪实例
扫描图：甲状腺癌的转移
例如胶体金（198Au）注射到人体以后，主要被肝网状内皮细胞所含噬（肝脏解 毒），所以示踪药物198Au将会积聚在肝脏内，但对于肝占位性病变处组织积聚示踪 核素的能力与正常组织有很大差别，肝于该部位的放射性活度呈现局部反常（如原 发性肝细胞肝癌患者的网状内皮细胞或多角细胞破坏时），在扫描图上出现放射性 减低或缺损区。这种放射性的减低或缺损，就是判断脏器内有无占位性病变存在以
一的
探头
前
置
探测器 放 大 器
核电
脉
记
主 放 大
或甄 单别 道器
冲
录
计
显
数
示
器
器
系
统
稳定的直流高压电源
稳定的直流低压电源
使用甄别器可以测量射线的强度、活度以及射线的剂量大小等等。 使用单道可以测量某一核素释放的射线能量、半衰期、强度等等。
射线探测器
• 气体探测器
– 工作原理
气体
射线
+
HV
前置放大 C 电路
素脉 甄
产冲 别
将 微 弱 的 电 信 号 预 放 大
号将 放前 大放 到输 几出 伏的 左电 右信
生信 器 的号 让 电通 由 脉过 于 冲， 射 信而 线 号单 作 通道 用 过只 而 。让 产
某生
电将 脉通 冲过 信甄 号别 进器 行或 计单 数道
的
据将 记计 录数 并器 显所 示计 出的 来数
• α衰变
–226 88
Ra
28262Rn
24He
4.88
MeV
• β衰变
–32 15
P
1362
S
1.71MeV
• γ衰变
–
99mTc99Tc
13 7
N
163C
1.19 MeV
核衰变规律
• 核衰变规律公式
N N0et
其中： N为t时刻衰变核的剩余数目 N0为t=0时刻的衰变核数目 λ 为衰变常数
伽玛射线
发光点的总强度： P=P1+P2+P3 即Z信号的值
P1 P2 P3
• 半衰期T1/2：放射性原子核衰变到一半所需要的时间
N
N0 2
N eT1/ 2 0
半衰期T1/2的含义
ln 2 0.693
T1/2
半衰期T1/2与 λ 的关系
例如： Ra的半衰期为1590年， 磷-32的半衰期为14.3天， 铯-135的半衰期为2.8×10-10S。
射线探测系统
将 射 线 能 量 转 化 为 电 能
R
电离电流
射线探测器
• 半导体探测器
– 工作原理
N区 PN结 P区
射线
前置放大电路 C
R
HV
电离电流
射线探测器
• 闪烁探测器
– 工作原理 900V 0V 300V 600V R
γ射线
前置放大器 C
闪烁晶体 NaI (Tl )
荧光光子
150V 450V 750V
光电倍增管
核医学成像设备原理简介之一
同位素扫描仪(Radionuclide Scanner)
工作原理
根据人体脏器对放射性药物 也即示踪核素的选择吸收能力， 利用扫描仪的闪烁探头对准脏器 缓慢地作“弓”字形匀速平面扫 描运动，并逐点探测记录放射性 核素在脏器内的分布情况，将各 点的放射性活度以相应的打点密 度或颜色等方式描绘成脏器中放 射性核素浓度（或放射性活度） 的二维分布图像，即为扫描图。
• 但由于扫描机是通过“顺序定点”的扫描方式来获得人 体器官的静态图像，故成像时间较长（一般要花十几到 几十分钟），不能使用太短半衰期的放射性核素，易形 成运动伪像，不能做动态显像。
• 后逐渐被γ照相机所取代。
核医学成像系统原理简介之二
伽玛照相机
探头支架
数 据 处 理 装 置
及
操 作 控 制 台
探头 病床
及存在的部位和大小的依据。
闪烁扫描机特点
• 扫描机早在50年代国外已普遍使用，我国自60年代以来 也逐渐普及。
• 由于扫描机的设备比较简单、价格低廉、使用方便、检 查费用低以及扫描图具有功能成像的特点，所以被临床 应用价值所肯定。
• 扫描机的空间分辨率约为10mm左右，在其静态显像上 并不亚于后来发展起来的γ照相机，且成像的大小与脏 器实物相等（即成像比为1:1）。
• 用于脏器显像的装置
– 闪烁扫描仪、伽玛照相机、SPECT、PET
一些仪器介绍
功 能 仪 活度计
免疫计数器
一些仪器介绍
闪烁扫描仪
CT
伽玛照相机
PET
全身骨成像
放射性核素及其衰变规律
• 核衰变
– 某些核素能自发地发生结构变化及能量状态 的改变，放出射线并转变为另一种核素的过 程叫核衰变。
准直器：防止散射线进入探测器，即防 止临近组织产生的伽玛射线散射进入测 量部位组织。
PMT的排列方式
每一个边排列3个，总共19个 每一个边排列4个，总共37个 每一个边排列5个，总共61个 每一个边排列6个，总共91个 每一个边排列7个，总共127个
位置计算电路
NaI (Tl)
P1,P2,P3为 PMT的输出信 号值，反映了进 入PMT的光强 X1,X2,X3为 PMT的位置值