核医学PPT医学课件
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6
核医学最重要的特点: 能提供身体内各组织功能性的变化，
而功能性的变化常发生在疾病的早期。
7
核医学发展历史
1931年发明了回旋加速器；
1934年Joliot和Curie研发成功第一个人工放射性核 素32P，从此真正揭开了放射性核素在生物医学应用的 序幕。之后10年为初期阶段，相继发现并获得了放射 性核素99Tcm和131I；
释放更多的有用信息
57
符合探测原理
符合探测技术能在符合电路的时间分辨范 围内，检测同时发生的电子对湮灭事件。 使用符合探测技术，起到电子准直作用， 大大减少随机符合事件，同时提高了探测 灵敏度。
58
PET的电子准直 利用湮灭辐射的特点和两个相对探 测器的符合来确定闪烁事件位置和时 间的方法称电子准直。
37
1964年环状头 部PET
38
2001年 GE DISCOVERY-LS PET
39
PET的物理基础 正电子放射性核素在衰变时会发射正
电子。 原子核中的质子释放正电子和中微子，
并衰变为中子：
40
PET的物理基础
正电子的质量与电子相等，电量与电 子的电量相同，只是符号相反。
通常正电子(β＋)衰变都发生于人工 放射性核素。
15
（physical half life） （biological half life）
（effective half life）
16
17
二、ECT与XCT异同
18
CT
穿透型CT TCT(XCT) （TRANSMISSION）
发射型CT ECT (EMISSION)
单光子CT SPECT 正电子CT PET
由此制成的放射性核素标记化合物即为放 射性药物。
46
放射性药物性质取决于两个基本成分： 放射性核素(标记物): γ射线或ß射线 药盒(被标记物):选择性聚集在特定的
组织器官或病变部位的药物。
47
放射性核素(radionuclide)
放射性核素适用于ECT显像的条件： 能发射中等能量的γ射线（80-200keV）； 合适的生物半衰期 几小时至数天； 合适的化学价态和较强的化学活性； 无毒无害。
48
常用放射性核素
SPECT ：最常用的放射性核素目前为 99Tcm，其次为 131I
PET ： 最常用的放射性核素目前为 18F ，其次为 11C、 13N 、15O
49
PET所应用的显像剂如C-11、N-13， O-15等都是人体组织的基本元素，易于 标记到各种生命必须的化合物、代谢产 物上，而不改变它们的生物活性，且可 以参与人体的生理、生化代谢过程。
例如：发射正电子的18F + 脱氧葡 萄糖DG = 18F-FDG
作为一种葡萄糖类似物，FDG将为葡萄糖高利用率细胞所摄取，如脑、肾 脏以及癌细胞。在FDG发生衰变之前，FDG的代谢分解或利用会因为其分 子之中的氟而受到抑制。不过，FDG发生衰变之后，其中的氟将转变为18O； 而且，在从环境当中获取一个H+之后，FDG的衰变产物就变成了葡萄糖-6磷酸，这样，该衰变产物就可以按照普通葡萄糖的方式进行代谢。
99Mo
99mTc
54
PET的结构
flash 55
PET的数据采集
符 ≤一正环1每这个合5电上n个些正线s对子)探定，电路称湮测时同子设位灭器脉时湮置置作接冲落灭了上用收分入事一的产到别时件个两生输γ间中时光个的入窗产间子探湮符的生常后测灭合定的数产器γ线时光很γ生。光路脉子小一子进冲同的个对行被时时定，符认击间时从合为中窗脉而甄是探(冲通被别同测，常符，器 合挑电选路真记符录合。事作件用:时间窗排除了很多散射光子的
19
ECT与XCT异同
1、采用的射线不同:
CT:
X射线
SPECT： γ射线
2、成像原理不同；
3、影像的重建参数和诊断依据不同。
XCT:衰变系数
组织的物理密度变化
ECT:放射性浓度变化 组织的代谢功能差异
20
4、影像构成成分不同； 5、空间分辨率不同: XCT机:1－3mm ECT机:4－10mm 6 、功能不同: XCT －－精细解剖结构 ECT－－功能显像＋解剖结构
10
一、核物理基础
11
基本概念
核素 (nuclide)：凡核Baidu Nhomakorabea具有相同的质子 数、中子数以及相同能量状态的原子为同 一种核素。
同位素 (isotope)：凡质子数相同，而中 子数不同的核素，彼此互为同位素。在元 素周期表中， 同位素处于同一位置。如1H 2H 3H
同质异能素 (isomer):质子数相同、中子 数相同，而能量状态不同的核素，彼此互 为同质异能素。如99mTc, 99Tc
核医学
实验核医学
临床核医学
诊断核医学
治疗核医学
体外诊断核医学 体内诊断核医学
放射性核素显像
非影像检查法
5
放射性核素显像
SPECT
PET
SPECT(single photon emission computed tomography) 单光子发射型计算机断层。
PET(positron emission tomography) 正电子发射型计算机断层。
核医学概论
1
主要内容
ECT概论 PET基本原理 SPECT基本原理
2
第一节 ECT概论
(emission computed tomography outline)
3
什么是核医学(Nuclear medicine)?
伽玛射线
γ
核医学是将放射性核素用于医学诊断和治疗的一门学科!
4
核医学的分类
1939年Hamiton、Soley和Evans首次用131I诊断疾病；
1941年和1946年分别开始用131I治疗甲亢和甲状腺癌；
1946年核反应堆投产，获得了大量新的放射性核素及 其标记化合物；
8
1957年99Mo-99Tcm发生器问世，标记技术 得到不断提高和新的标记化合物研发成 功，这对放射性药物和核医学的发展起 了很大推动作用；
32
PET简介
过程：需在病人身上注射放射性药物， 放射性药物在病人体内发出γ射线，而 被体外的PET扫瞄仪所接收，重建， 形成断层影像。
可显现出器官或组织(如肿瘤)的化学 变化，指出某部位的新陈代谢异于常 态的程度。
33
PET的发展 20世纪20年代物理学家就从理论上推断
有带正电荷的正电子存在。 20世纪30年代开始对放射性核素的物理、
化学性能进行了深入研究，发现了它们 在生物学和医学领域的应用价值。
34
1953年Dr. Brownell和Dr. Sweet研制了 用于脑正电子显像的PET显像仪
60年代末出现了第一代PET扫描仪， 可进行断层面显像
35
1976年由Dr. Phelps和Dr. Hoffman设计， 由ORTEC公司组装生产了第一台用于临 床的商品化的PET
1957年，安格（Hal O. Anger）研制出 第一台γ照相机，并于60年代初应用于 临床。γ照相机成为最基本的核医学显 像仪器；
9
1959年，他又研制了双探头的扫描机进行 断层扫描，并首先提出了发射式断层的技 术，从而为日后发射式计算机断层扫描 机—ECT的研制奠定了基础。
20世纪80年代推出了SPECT以及PET，实现 了全身显像和断层显像，从而大大提高了 图像的空间分辨率和诊断的灵敏度及准确 性，进一步加速了临床核医学的发展。
41
正电子湮灭
正电子在人体内移 动大约1-3mm后与 人体内的负电子结 合发生湮灭现象。
湮灭作用产生互成 180度的511 keV的 光子。
视频
42
PET影像的设备
正电子核素设备 正电子示踪剂设备 PET影像获取
回旋加速器 放化标记设备 PET影像系统
43
核医学诊断 --示踪原理
示踪剂 = 产出γ射线的核素 +参与 体内某一生理代谢过程的物质。
44
核医学诊断 --示踪原理
代谢过程：进入人体的示踪剂，有些直 接参与体内代谢，有些则被限制在某 些特定的组织区域。
探测：探测示踪剂发出的辐射信号，就 可以确定示踪剂在体内的位置，以及 在体内的代谢过程和分布图像。
45
放射性核素与药物的“+” “+”的过程叫放射性标记
(Radiolabeling)： 通过一些物理的、化学的或生物学的方法， 将放射性核素的原子“引入”特定的化合 物的分子结构中，这个过程称为标记。
21
7 、电离辐射损伤不同； 8 、探测技术都采用闪烁探测技术； 9、影像重建技术都采用滤波反投影法。
22
显像原理比较
CT:利用外来的X射线作为放 射源穿透人体，由于正常和 病变组织的物理密度不同， 构成一副反应人体组织密度 差异的解剖图像。
X 射线
探测器
SPECT：利用注入体内的放射 性药物发出的γ光子成像；放 γ射线 射药物可选择性聚集在特定的 组织器官或病变部位中，使该 脏器或病变与邻近组织之间有 放射性浓度差，构成一副反应 人体器官组织功能的解剖图像。
①原子反应堆
反应堆: 131I
52
②回旋加速器：18F, 11C, 13N,
15O, 123I, 111In
53
③放射性核素发生器
一种从半衰期较长的母体核素中制备，由母体 核衰变产生的半衰期较短的子体核素的装置。 放射性核素发生器在其有效期内，每隔一段合 适的时间间隔就可从中分离一次子体核素，好 像从母牛身上挤奶一样，所以放射性核素发生 器又称为“母牛”。
50
医用放射性核素的生产方式
①反应堆 (Reactor): 131I ②回旋加速器 (Accelerator):
18F, 11C, 13N, 15O, 123I, 111In
③放射性核素发生器 (Generator):
99Mo-99mTc
113Sn-113mIn
Sn-锡 (tin) In-铟(indium) 51
23
24
25
26
疾病的发生发展时序及各种影像的诊断能力
表达异常
代谢异常
功能异常
f-MR
功能影像 分子影像
结构改变
MR/C T
临床表现 灵敏度（mol） 解剖显像10-3
功能解剖显像 10-5
功能显像10-9 分子显像10-13
27
核医学仪器
γ照相机
可同时记录脏器内各个部份的射线，以快速形成一 帧器官的静态平面图像
形成一 幅闪烁 图像
29
γ照相机的探测原理：
γ射线
经准直器照射 在NaI晶体，产 生闪烁光点
微弱荧光 被光电倍 增管放大
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
形成一 幅闪烁 图像
30
第二节 PET 简介
(Introduction to PET)
31
PET简介
• PET是核医学发展的一项新技术， 主要用来确定癌症的发生与严重性、 神经系统的状况，及心血管方面的 疾病。
12
基本概念
稳定性核素 ： 凡核素的半衰期大于 1018年的核素，为稳定性核素。
放射性核素 ： 凡核的素半衰期小于 1018年的核素，为放射性核素。
13
14
基本概念-核衰变
核衰变规律：N=N0e-λt
设t＝0时刻的放射性核数为N0，t时刻 放射性核数为N，式中λ称为衰变常数， 表示单位时间内放射性核的衰变概率， 它反映了放射性核衰变的快慢。λ值 越大，衰变越快；反之则相反。
可观察脏器的动态功能及其变化 既是显像仪又是功能仪
ECT(Emission Computed Tomography)
SPECT PET
28
γ照相机的探测原理：
γ射线
经准直器照射 在NaI晶体，产 生闪烁光点
微弱荧光 被光电倍 增管放大
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
进入。
56
PET的数据采集
t2 = 1.7 ns
t2-t1
t1 = 1.3 ns
BEFORE (Conventional PET)
信息平均分布在多个 像素上， 通过重建确定正电子 位置， 重建噪声大
NOW (Time-of-Flight PET)
通过飞行时间测量， 中心位置信息量最多； 并且分布在局部，重 建噪声小
20世纪80年代更多公司投入了PET研制， 岛津(1980)、CTI公司(1983)、西门子公司 (1986)、 GE公司(1989)、日立公司(1989) 和ADAC公司(1989)
36
PET系统已日趋成熟，许多新技术用 于PET产品，如：采用晶体探测器、 引用了数字化正电子符合技术、切割 晶体的探测器模块等，使PET系统的 分辨率小于4mm。
59
PET电子准直的特点
电子准直是PET的一大特点，它省去 了沉重的铅制准直器；
不再因准直器的使用损失了很大部分 探测效率。
核医学最重要的特点: 能提供身体内各组织功能性的变化，
而功能性的变化常发生在疾病的早期。
7
核医学发展历史
1931年发明了回旋加速器；
1934年Joliot和Curie研发成功第一个人工放射性核 素32P，从此真正揭开了放射性核素在生物医学应用的 序幕。之后10年为初期阶段，相继发现并获得了放射 性核素99Tcm和131I；
释放更多的有用信息
57
符合探测原理
符合探测技术能在符合电路的时间分辨范 围内，检测同时发生的电子对湮灭事件。 使用符合探测技术，起到电子准直作用， 大大减少随机符合事件，同时提高了探测 灵敏度。
58
PET的电子准直 利用湮灭辐射的特点和两个相对探 测器的符合来确定闪烁事件位置和时 间的方法称电子准直。
37
1964年环状头 部PET
38
2001年 GE DISCOVERY-LS PET
39
PET的物理基础 正电子放射性核素在衰变时会发射正
电子。 原子核中的质子释放正电子和中微子，
并衰变为中子：
40
PET的物理基础
正电子的质量与电子相等，电量与电 子的电量相同，只是符号相反。
通常正电子(β＋)衰变都发生于人工 放射性核素。
15
（physical half life） （biological half life）
（effective half life）
16
17
二、ECT与XCT异同
18
CT
穿透型CT TCT(XCT) （TRANSMISSION）
发射型CT ECT (EMISSION)
单光子CT SPECT 正电子CT PET
由此制成的放射性核素标记化合物即为放 射性药物。
46
放射性药物性质取决于两个基本成分： 放射性核素(标记物): γ射线或ß射线 药盒(被标记物):选择性聚集在特定的
组织器官或病变部位的药物。
47
放射性核素(radionuclide)
放射性核素适用于ECT显像的条件： 能发射中等能量的γ射线（80-200keV）； 合适的生物半衰期 几小时至数天； 合适的化学价态和较强的化学活性； 无毒无害。
48
常用放射性核素
SPECT ：最常用的放射性核素目前为 99Tcm，其次为 131I
PET ： 最常用的放射性核素目前为 18F ，其次为 11C、 13N 、15O
49
PET所应用的显像剂如C-11、N-13， O-15等都是人体组织的基本元素，易于 标记到各种生命必须的化合物、代谢产 物上，而不改变它们的生物活性，且可 以参与人体的生理、生化代谢过程。
例如：发射正电子的18F + 脱氧葡 萄糖DG = 18F-FDG
作为一种葡萄糖类似物，FDG将为葡萄糖高利用率细胞所摄取，如脑、肾 脏以及癌细胞。在FDG发生衰变之前，FDG的代谢分解或利用会因为其分 子之中的氟而受到抑制。不过，FDG发生衰变之后，其中的氟将转变为18O； 而且，在从环境当中获取一个H+之后，FDG的衰变产物就变成了葡萄糖-6磷酸，这样，该衰变产物就可以按照普通葡萄糖的方式进行代谢。
99Mo
99mTc
54
PET的结构
flash 55
PET的数据采集
符 ≤一正环1每这个合5电上n个些正线s对子)探定，电路称湮测时同子设位灭器脉时湮置置作接冲落灭了上用收分入事一的产到别时件个两生输γ间中时光个的入窗产间子探湮符的生常后测灭合定的数产器γ线时光很γ生。光路脉子小一子进冲同的个对行被时时定，符认击间时从合为中窗脉而甄是探(冲通被别同测，常符，器 合挑电选路真记符录合。事作件用:时间窗排除了很多散射光子的
19
ECT与XCT异同
1、采用的射线不同:
CT:
X射线
SPECT： γ射线
2、成像原理不同；
3、影像的重建参数和诊断依据不同。
XCT:衰变系数
组织的物理密度变化
ECT:放射性浓度变化 组织的代谢功能差异
20
4、影像构成成分不同； 5、空间分辨率不同: XCT机:1－3mm ECT机:4－10mm 6 、功能不同: XCT －－精细解剖结构 ECT－－功能显像＋解剖结构
10
一、核物理基础
11
基本概念
核素 (nuclide)：凡核Baidu Nhomakorabea具有相同的质子 数、中子数以及相同能量状态的原子为同 一种核素。
同位素 (isotope)：凡质子数相同，而中 子数不同的核素，彼此互为同位素。在元 素周期表中， 同位素处于同一位置。如1H 2H 3H
同质异能素 (isomer):质子数相同、中子 数相同，而能量状态不同的核素，彼此互 为同质异能素。如99mTc, 99Tc
核医学
实验核医学
临床核医学
诊断核医学
治疗核医学
体外诊断核医学 体内诊断核医学
放射性核素显像
非影像检查法
5
放射性核素显像
SPECT
PET
SPECT(single photon emission computed tomography) 单光子发射型计算机断层。
PET(positron emission tomography) 正电子发射型计算机断层。
核医学概论
1
主要内容
ECT概论 PET基本原理 SPECT基本原理
2
第一节 ECT概论
(emission computed tomography outline)
3
什么是核医学(Nuclear medicine)?
伽玛射线
γ
核医学是将放射性核素用于医学诊断和治疗的一门学科!
4
核医学的分类
1939年Hamiton、Soley和Evans首次用131I诊断疾病；
1941年和1946年分别开始用131I治疗甲亢和甲状腺癌；
1946年核反应堆投产，获得了大量新的放射性核素及 其标记化合物；
8
1957年99Mo-99Tcm发生器问世，标记技术 得到不断提高和新的标记化合物研发成 功，这对放射性药物和核医学的发展起 了很大推动作用；
32
PET简介
过程：需在病人身上注射放射性药物， 放射性药物在病人体内发出γ射线，而 被体外的PET扫瞄仪所接收，重建， 形成断层影像。
可显现出器官或组织(如肿瘤)的化学 变化，指出某部位的新陈代谢异于常 态的程度。
33
PET的发展 20世纪20年代物理学家就从理论上推断
有带正电荷的正电子存在。 20世纪30年代开始对放射性核素的物理、
化学性能进行了深入研究，发现了它们 在生物学和医学领域的应用价值。
34
1953年Dr. Brownell和Dr. Sweet研制了 用于脑正电子显像的PET显像仪
60年代末出现了第一代PET扫描仪， 可进行断层面显像
35
1976年由Dr. Phelps和Dr. Hoffman设计， 由ORTEC公司组装生产了第一台用于临 床的商品化的PET
1957年，安格（Hal O. Anger）研制出 第一台γ照相机，并于60年代初应用于 临床。γ照相机成为最基本的核医学显 像仪器；
9
1959年，他又研制了双探头的扫描机进行 断层扫描，并首先提出了发射式断层的技 术，从而为日后发射式计算机断层扫描 机—ECT的研制奠定了基础。
20世纪80年代推出了SPECT以及PET，实现 了全身显像和断层显像，从而大大提高了 图像的空间分辨率和诊断的灵敏度及准确 性，进一步加速了临床核医学的发展。
41
正电子湮灭
正电子在人体内移 动大约1-3mm后与 人体内的负电子结 合发生湮灭现象。
湮灭作用产生互成 180度的511 keV的 光子。
视频
42
PET影像的设备
正电子核素设备 正电子示踪剂设备 PET影像获取
回旋加速器 放化标记设备 PET影像系统
43
核医学诊断 --示踪原理
示踪剂 = 产出γ射线的核素 +参与 体内某一生理代谢过程的物质。
44
核医学诊断 --示踪原理
代谢过程：进入人体的示踪剂，有些直 接参与体内代谢，有些则被限制在某 些特定的组织区域。
探测：探测示踪剂发出的辐射信号，就 可以确定示踪剂在体内的位置，以及 在体内的代谢过程和分布图像。
45
放射性核素与药物的“+” “+”的过程叫放射性标记
(Radiolabeling)： 通过一些物理的、化学的或生物学的方法， 将放射性核素的原子“引入”特定的化合 物的分子结构中，这个过程称为标记。
21
7 、电离辐射损伤不同； 8 、探测技术都采用闪烁探测技术； 9、影像重建技术都采用滤波反投影法。
22
显像原理比较
CT:利用外来的X射线作为放 射源穿透人体，由于正常和 病变组织的物理密度不同， 构成一副反应人体组织密度 差异的解剖图像。
X 射线
探测器
SPECT：利用注入体内的放射 性药物发出的γ光子成像；放 γ射线 射药物可选择性聚集在特定的 组织器官或病变部位中，使该 脏器或病变与邻近组织之间有 放射性浓度差，构成一副反应 人体器官组织功能的解剖图像。
①原子反应堆
反应堆: 131I
52
②回旋加速器：18F, 11C, 13N,
15O, 123I, 111In
53
③放射性核素发生器
一种从半衰期较长的母体核素中制备，由母体 核衰变产生的半衰期较短的子体核素的装置。 放射性核素发生器在其有效期内，每隔一段合 适的时间间隔就可从中分离一次子体核素，好 像从母牛身上挤奶一样，所以放射性核素发生 器又称为“母牛”。
50
医用放射性核素的生产方式
①反应堆 (Reactor): 131I ②回旋加速器 (Accelerator):
18F, 11C, 13N, 15O, 123I, 111In
③放射性核素发生器 (Generator):
99Mo-99mTc
113Sn-113mIn
Sn-锡 (tin) In-铟(indium) 51
23
24
25
26
疾病的发生发展时序及各种影像的诊断能力
表达异常
代谢异常
功能异常
f-MR
功能影像 分子影像
结构改变
MR/C T
临床表现 灵敏度（mol） 解剖显像10-3
功能解剖显像 10-5
功能显像10-9 分子显像10-13
27
核医学仪器
γ照相机
可同时记录脏器内各个部份的射线，以快速形成一 帧器官的静态平面图像
形成一 幅闪烁 图像
29
γ照相机的探测原理：
γ射线
经准直器照射 在NaI晶体，产 生闪烁光点
微弱荧光 被光电倍 增管放大
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
形成一 幅闪烁 图像
30
第二节 PET 简介
(Introduction to PET)
31
PET简介
• PET是核医学发展的一项新技术， 主要用来确定癌症的发生与严重性、 神经系统的状况，及心血管方面的 疾病。
12
基本概念
稳定性核素 ： 凡核素的半衰期大于 1018年的核素，为稳定性核素。
放射性核素 ： 凡核的素半衰期小于 1018年的核素，为放射性核素。
13
14
基本概念-核衰变
核衰变规律：N=N0e-λt
设t＝0时刻的放射性核数为N0，t时刻 放射性核数为N，式中λ称为衰变常数， 表示单位时间内放射性核的衰变概率， 它反映了放射性核衰变的快慢。λ值 越大，衰变越快；反之则相反。
可观察脏器的动态功能及其变化 既是显像仪又是功能仪
ECT(Emission Computed Tomography)
SPECT PET
28
γ照相机的探测原理：
γ射线
经准直器照射 在NaI晶体，产 生闪烁光点
微弱荧光 被光电倍 增管放大
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
进入。
56
PET的数据采集
t2 = 1.7 ns
t2-t1
t1 = 1.3 ns
BEFORE (Conventional PET)
信息平均分布在多个 像素上， 通过重建确定正电子 位置， 重建噪声大
NOW (Time-of-Flight PET)
通过飞行时间测量， 中心位置信息量最多； 并且分布在局部，重 建噪声小
20世纪80年代更多公司投入了PET研制， 岛津(1980)、CTI公司(1983)、西门子公司 (1986)、 GE公司(1989)、日立公司(1989) 和ADAC公司(1989)
36
PET系统已日趋成熟，许多新技术用 于PET产品，如：采用晶体探测器、 引用了数字化正电子符合技术、切割 晶体的探测器模块等，使PET系统的 分辨率小于4mm。
59
PET电子准直的特点
电子准直是PET的一大特点，它省去 了沉重的铅制准直器；
不再因准直器的使用损失了很大部分 探测效率。