生物医学工程专业医学成像

3、成像原理
各类型的SPECT通常都是由检测器、机 架体层床、控制台、计算机以及外围设备构 成。
图像重建的关键在检测器以及软件处理 方面。
（1）基本成像原理
（2）检测器
目前多探头的SPECT多使用扇形准直 器、圆锥形准直器和发散形准直器。使用 这一类的准直器可同时提高分辨率和灵敏 度，但视野范围要减少。
探头内部电路中，数字型已经取代模
拟型，并都采用了先进的能量、线性和均 匀性等自动校正和补偿的电路，使电路性 能更加精确和稳定，而光电倍增管的数目 却有减少。
（3）旋转机构
SPECT的机架主要用来支撑检测器， 让检测器在其上平稳运动。为了能得到分 辨度及灵敏度都好的图像，在有些装置中， 只有准直器旋转，而其他（如闪烁晶体和 光电倍增管及后继电路）均被固定。
（一）系统构成
由准直器、闪烁晶体、光电倍增管、前 置放大器、定位电路、显著记录装置、机 械支架和床组成。 其中将准直器、闪烁晶 体、光电倍增管、前置放大器、 电子矩阵 电路等固定在一个支架上，组成探测器探 头。
γ相机的基本组成如图所示。
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 γ射线经过准直器射在NaI(TL)晶体上，立即产 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），输出脉冲信号。 这些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。
放射性核素成像系统
生物医学工程教研室 张汇泉
引入内容： Q：核医学成像过程是怎样的？
P73
1.核医学成像的基本条件
① 具有能够选择性聚集在特定脏器或病变 的放射性核素或其标记化合物，使该脏器 或病变与临近组织之间的放射性浓度差达 到一定程度
② 利用核医学成像仪探测到这种放射性浓 度差，并根据需要以一定的方式将它们显 示成像
Q：核医学成像的基本特点
1、核医学成像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、形状和大小，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、核医学具有多种动态成像方式
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。
X、Y位置电路由两个差放组成，分别 接收X+,X-,Y+,Y-信号，这将使得接收X+， X-信号的差放输出决定光点在屏上的X坐标 信号，而接受Y+,Y-信号差放输出决定Y坐 标信号。
（五）脉冲高度分析器与显示装置 P79
三、放射性同位素成像系统的分析
（一）视野
r相机的视野（FOV）是一个重要的性 能，因为它关系到任何一个时刻能够成像 的患者身体的大小范围。FOV取决于晶体 的大小、准直器的类型，在某些系统还取 决于成像物体和照相机晶体之间的距离。
3、医学中的PET（派特）
全称为：正电子发射型计算机断层显 像（Positron Emission Computed Tomography），是核医学领域比较先进的 临床检查影像技术。
递次衰变中，当衰变常数之间存在某 种对比关系时，可出现平衡现象
1、暂时平衡 此种情况，子核B将按母核A的衰变规
律变化，这时两者的数目都减少，它们之 间保持固定比例，叫暂时平衡。
2、长期平衡 只要母核A半衰期比子核B长得多，在
观测时间内，母核数目变化极小，则子核 及活度就会达到饱和，两核活度相等，叫 长期平衡。
（七）空间畸变
由于在图像由晶体传送到观察屏过程 中出现的情况，r相机可能会产生空间畸变， 当图像内不同点在传送过程中彼此间有相 对运动时就会发生畸变，它导致图像内物 体的形状和大小失真。
四、发射性计算机断层摄影
（一） SPECT
1、单光子
相对于双光子而言。在放射性核素成 像中， r光子的检测有两种方法，一种是单 光子检测法（SPC），一种是双光子检测法 （ACD）
目前ECT机中多采用平均衰减校正的 方法。这种校正方法是很粗糙的。
SPECT可以提供建立三维图像的信息， 也可以建立任意方位的断层图像，这为临 床诊断提供了方便。SPECT在空间分辨力、 定位的精确度、计算病变部位的大小和体
积等方面远优于照相；而且与照相比较，
断层图像受脏器大小、厚度的影响大为降
低，对一些深度组织的探测能力也显著提 高。SPECT有利于发现早期的病变，在这 方面SPECT明显优于X-CT和B超，甚至MR。
中、高能量的灵敏度，却降低了固有分辨率， 因此，早期γ相机的性能不甚理想。
பைடு நூலகம்
随着锝-99m（99mTc）放射性核素的 广泛应用，金-198、碘-131等中高能放射性 核素已基本不在γ相机上使用，使γ相机的
晶体有可能减薄，现在大多采用厚度为 0.95cm的晶体。随之探头视野增大，更多 的γ相机采用有效视野（U-FOV）为 500×400mm的矩形探头，光电倍增管由开
用于脊椎
（4）针孔型 适用于较表浅的小脏器和小病变 甲状腺
（三）闪烁晶体
P77 闪烁晶体是γ相机探头很重要的组成部分。 基本功能： 1、吸收r光子 2、将r图像转变为光学图像
要求：
1、对入射光子有较高的俘获效率 2、与入射光子相互作用后的发光效率高，但
发光的持续时间较短
3、材料的发光效率高，具有良好的光学性能， 对荧光的传播呈透明且折射小等等
2、类型与探头特点
（1）扫描型SPECT
多探头环形，结构与X线CT类型，由 数量众多的探头围成环形，同时分别检测 各个方向的r线。
这类型的设备体层灵敏度高，空间分辨 率好，成像时间短，甚至可以进行快速动 态成像，但价格昂贵，而且不能全身显像 和平面显像兼顾，因此不易推广。
（2）r照相机型SPECT
（二）准直器
1、地位：它决定γ相机的系统均匀性、分辨 率、灵敏度等重要性能指标，是探头的很 重要的组成部分。
2、组成：因为碘化钠晶体价格昂贵，又脆弱 易碎，经不起机械撞击和挤压，经不起 ±2℃的温度变化，铅制的准直器又成为它 的最好的保护层。即准直器是铅质，多孔 的探头前端的覆盖物。
3、发展：早期的探头受工艺限制大多数为圆形， 视野也小（有效直径约350mm）。为了适应 早期（60～70年代）使用的放射性药物的能量 （如364keV的碘－131、410keV的金－198等）， 所用的晶体较厚（＞1.27cm）。厚晶体增加了
（二）系统的灵敏度
1、准直器的影响 2、闪烁晶体厚度的影响 3、脉冲高度分析器中能量阈值的设定 4、时间影响
（三）模糊度或分辨力
1、造成图像模糊的因素 （1）运动模糊 （2）系统固有模糊 2、准直器引起的模糊 （1）孔的大小 （2）厚度 （3）照相机与成像物体间的距离
（四）对比度
（五）均匀性
（六）系统噪声
3、不成平衡 母核半衰期远小于各代子核。易知给
定时间后，母核将几乎全部转换为子核， 然后，子核按自己的方式衰减。
二、 γ照相机
γ扫描机逐点扫描，成像时间长，不能 获得动态图像。
γ照相机是一种快速显像设备，它不仅 能提供静态图像，而且可提供动态图像， 了解血流和代谢过程，是诊断肿瘤和循环 系统疾病的重要设备。
A.探头固定型
4台r相机互成90°固定安装而成。检 测准直器采用多孔准直器或旋转斜孔准直 器，采集不同角度的r射线投影进行图像重 建。由于角度有限，空间分辨率和均匀度 都较差，容易产生伪影。
B.探头旋转型
r相机的探头围绕身体旋转360°或 180°进行完全角度或有限角度取样，所得 到的投影数据丰富，可以重建各个方向的 符合临床要求的体层影像。这种旋转的r相 机型的SPECT，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、双探头和三探头旋 转型SPECT。
系统流程：
人体→ → 准直器→ → 闪烁晶体→ → 光电倍增管→ → 前置放大器→ →定位器→ →图象处理电路→ → 显示器→ →照相机
γ相机的结构和主要部件
如图所示，γ相机主要由探头、电子线 路和显示系统三部分组成。
探头
探头是γ相机的核心部件，它包括准直 器、闪烁晶体、光电倍增管、前置放大电 路、光导和定位网络电路等。
同量异位素：具有相同质量素（中子和 质子的总数），但原子序数不同的核 素。
同中子异核素：具有相同数目中子的核 素。
（二）衰变 物理半衰期，生物半衰期 （三）射线性质 （四）放射性材料的选择
1、放射性方面 2、生产成本方面 3、子体核素分离技术 4、防护与污染
（五）递次衰变规律
不稳定原子核 → 子核（仍然有放射性） → 新代子核→ ……→ 稳定核素 （六）放射平衡
旋转装置在体层成像时，除了圆形和
椭圆形轨道外，还可以沿体表轮廓进行旋 转；另，自动轮廓旋转系统能够自动调节 探头和病人的距离，使检测器与被检部分 尽可能贴近，良好地自动对体表轮廓跟踪 扫描，简化操作，减少采集时间，有效地 提高成像分辨率，适用于脑成像和全身成 像。
（4）控制台与计算机
SPECT的工作条件及所有数据都由计 算机统一控制和管理。
（四）光电倍增管阵列与位置计算电路
P78 1、光电倍增管阵列 （1）光电倍增管构成平面矩阵 （2）结构 光电阴极，窗材料，聚焦电极，
倍增极，阳极（P78图4.6） （3）作用：将微弱的光成比例的转换为较大
的电脉冲
（闪烁晶体激起）荧光→ → 光电倍增管→ → 闪烁点的二维分布→ →各光电管的光电 子数→ →电路矩阵电路（使屏上亮点的位 置和光电管编码有对应关系）
始的十余只增加到数十只，甚至近百只，
准直器由针孔型、平行孔型、扩散孔型又 增加了扇型准直器。这些改进或进展使γ相 机的系统性能指标得到较大提高。
4、作用：实现空间定位 5、分类（P75） （1）平行孔型 常用，灵敏度高。肝脏 （2）张角型（扩散型）用于全身显像 （3）聚焦型（会聚型）灵敏度、分辨率高
（5）外围设备
主要任务是将检查结果显示、记录和 进行储存，它包括彩色显示器、激光打印 机、多幅照相机等装置。此外，还有生理 信号检测设备、检查床，以及用于仪器校 正和质量检测的专用器材和模型等。
4、数据的衰减校正
和照相机一样，射线转变成的电流脉
冲要经过各自的放大器和单道脉冲幅度分 析器进行处理，但处理后的数据还不能用 于成像，还要进行射线的衰减校正。 SPECT中不希望穿出人体的射线有衰减， 因为SPECT是通过射线的体外计数来标定 体内放射性活度。衰减是不可避免的，它 的存在严重影响了活度的精度。
5、优缺点 P83
（二）PET 拓展： 1、化工中的PET 聚对苯二甲酸乙二醇酯 英文名: polyethylene terephthalate，简称PET
2、英语考试PET
剑桥通用英语证书 PET
PET（Preliminary English Test）是剑桥通用英语 五级系列英语证书考试的第二级，该系列证书考 试是为初级至高级各个水平的英语学习者设计的 高质量的国际英语考试，是终生有效的英语能力 证明。PET考核考生的实用英语技能，无论是对 学习还是工作，PET考试都能促进考生语言能力 的发展，并为希望参加剑桥第一证书英语考试 （FCE）的考生打下坚实基础。PET计算机考试 也已在全球推出。
２．核医学成像设备发展史 P73
一、放射性核素成像的物理基础
P73 （一）同位素
1、放射性 放射性有无？
大多数放射性转变是分步转变的：
同量异位转变（包括β发射，正电子 发射，电子俘获），之后是同质异能转变 （包括r发射，内转换）和沿轨道运行电子 相互作用
2、概念
同质异能素：具有相同组成但是能量不 同的核素。
2、电子电阻矩阵电路
矩阵分为X+,X-,Y+,Y-四行，每一光电 管的电流脉冲都将输入到矩阵对应的一列 四个电阻上，从这个电阻上形成电压脉冲， 该脉冲又分两路。
（1）送入脉冲加法电路，叠加为Z脉冲
Z脉冲幅度由r射线的能量决定，经脉 冲高度分析后去控制示波器电子枪的阴极 或控制栅极。
（2）由四个电阻上输出脉冲进入X、Y电路