醫(yī)學成像原理核醫(yī)學成像第1頁/共56頁主要內(nèi)容第一節(jié)概述第二節(jié)核醫(yī)學成像的基本原理和技術第三節(jié)成像設備工作原理第2頁/共56頁第一節(jié)概述核醫(yī)學的定義：核醫(yī)學是核技術與醫(yī)學相結合的學科核醫(yī)學的任務是用放射性核素及核技術來診斷、治療及研究疾病。核醫(yī)學涉及的學科：核物理、核電子、核探測、計算機控制及圖像處理、數(shù)學、放射化學、醫(yī)學的各科等。第3頁/共56頁核醫(yī)學成像過程：先把某種放射性同位素標記在藥物上，形成放射性藥物并引入體內(nèi)，當他被人體的臟器和組織吸收以后，就在體內(nèi)形成了輻射源。用γ射線檢測裝置可以在體外檢測體內(nèi)放射性核素在衰變過程中放出的γ射線，從而構成放射性同位素在體內(nèi)分布密度的圖像。由于放射性藥物與一般天然元素或化合物一樣，能夠參與機體的物質代謝，因此核醫(yī)學成像的圖像不僅反映了臟器和集體組織的形態(tài)，更重要的是提供了有關臟器功能及相關的生理、生化信息。第4頁/共56頁核醫(yī)學發(fā)展簡史：序幕：

1896年法國物理學家貝可勒爾發(fā)現(xiàn)鈾的放射性，第一次認識到放射現(xiàn)象。1898年居里夫婦成功提取放射性釙和鐳1926年美國內(nèi)科醫(yī)師Blungare首先應用氡研究循環(huán)時間第一次應用了示蹤技術，后來又進行了多領域的生理、病理及藥理方面的研究，因此，被稱為“核醫(yī)學之父”。1934年居里夫婦第一次人工獲得了放射性30P，從此人們開闊了眼界，看到了核子和平利用的前景。第5頁/共56頁初具規(guī)模：1942年費米在芝加哥大學建立了世界上第一座核反應堆，開始生產(chǎn)131I、32P等少量放射性核素，到1946年生產(chǎn)品種和量都有了增加.核醫(yī)學儀器也在不斷地研制，51年第一臺γ-掃描儀制成，實現(xiàn)了心、腎、肝、膽功能測定，腎、脾、骨、甲狀腺的掃描。從此核醫(yī)學的臨床應用初步具備了自己的理論基礎方法和手段，為今后的發(fā)展奠定了基礎。迅速發(fā)展階段：60年代始主要是利用加速器和發(fā)生器生產(chǎn)出更多，更符合臨床要求的放射性核素。γ-相機問世。Yalow和Berson教授開創(chuàng)體外放射性核素，對醫(yī)學產(chǎn)生了巨大影響。第6頁/共56頁現(xiàn)代核醫(yī)學階段

70年代后期，研制成功核素斷層顯像SPECT裝置及心、腦功能顯像劑和單克隆技術的應用，計算機的廣泛應用、99Mo-99mTc發(fā)生器廣泛應用使核醫(yī)學進入了特色鮮明的新階段。

1975年第一臺PET研制成功，相繼實現(xiàn)了利用PET正電子發(fā)射體（11C、13N、15O和18F）標記化合物進行腦和心肌灌注氧耗量、葡萄糖代謝、蛋白質、脂肪代謝顯像，神經(jīng)受體顯像也獲得成功，開創(chuàng)了在分子水平無創(chuàng)性活體研究人腦功能，心肌存活等，進入了分子核醫(yī)學的新時代。成為80年代后的核醫(yī)學前沿。第7頁/共56頁放射性核素顯像

Radionuclearimaging,RNI■將放射性藥物通過注射或口服引入體內(nèi)，吸收后能在某一器官內(nèi)積聚而成為放射源。用核素成像儀器探測處理，顯示核素濃度分布，反映人體代謝（功能）動態(tài)變化（物質的輸運、集聚、排泄、物質代謝及其分布）●RNI是四大醫(yī)學影像之一■功能性顯像為主，形態(tài)解剖結構顯像為輔第8頁/共56頁●主要技術：①γ相機；②單光子發(fā)射型計算機斷層（SPECT）；③正電子發(fā)射型計算機斷層（PET）；●RNI技術特點：①檢測靈敏度高；10-14～10-18g，一般化學方法難以測出；②定性、定量、定位；③測量簡便：只對放射性核素示蹤物進行測量；④準確性高：微量示蹤物，不干擾研究對象的正常生理、生化過程；⑤功能性顯像；一、放射性核素顯像的技術特點第9頁/共56頁●示蹤的基本根據(jù)：①同一元素的同位素化學性質相同，在生物體內(nèi)的化學變化和生物學過程相同，生物體不能區(qū)別，可以用放射性核素代替同位素中的穩(wěn)定性核素；②放射性核素能放射出易被探測到的射線（示蹤原子），放射性測量儀器可以對它標記的物質進行定性、定量及定位測量?！龇派湫院怂胤植挤从沉梭w內(nèi)臟器的功能和代謝情況。?如：甲狀腺有攝取或濃集131I的功能，131I的攝取速度和攝取量與甲狀腺功能狀態(tài)有關。二、核素示蹤第10頁/共56頁核醫(yī)學檢查項目統(tǒng)計情況檢查項目所占比例(%)

骨顯象25腦顯象2心肌血流灌注顯象35腫瘤定位顯象15肝膽/腎臟顯象5呼吸系統(tǒng)顯象12甲狀腺顯象5其他1注:骨和心肌顯象占60%的總檢查第11頁/共56頁

三、放射性制劑

放射性藥物是能夠安全用于診斷的放射性標記化合物

標記物放射性核素

被標記物化合物（藥物）在特定組織內(nèi)選擇性積聚參與生理、生化代謝過程125I125I-胰島素18F18F-脫氧葡萄糖（FDG)例如：第12頁/共56頁●

核素要求

1.能量適中：100～400KeV，一般臨床應用50～500KeV

太低易被機體吸收，探測效率低；太高準值效果差（屏蔽困難），空間分辨率低

2.半衰期適中：①T1/2盡可能短——減少輻射劑量；②核素在靶器官有合適的存留時間，保障探測采集足夠的數(shù)據(jù)；③顯像后，放射性藥物應盡快地從體內(nèi)清除掉，減少輻射危害。一、核醫(yī)學成像用放射性核素第二節(jié)核醫(yī)學成像的物理基礎第13頁/共56頁4.穩(wěn)定性好：①化學結構穩(wěn)定，不易發(fā)生分解、氧化還原等化學反應；②核素與化合物結合穩(wěn)定，不因體內(nèi)介質條件或生物活性物質的改變（如酶作用）而發(fā)生分解、變性和脫落；③對自身輻射作用耐受能力高。5.無毒害：核素的衰變產(chǎn)物應該是穩(wěn)定產(chǎn)物。3.易標記：合適的化學價態(tài)和較強的化學活性。第14頁/共56頁2.碘(I)：γ98%;668KeV(伴有β射線)；

能量(偏高，探測效率低，分辨率差）；

T1/28.04h?！襁m合于甲狀腺、腎、肝、腦、肺、膽顯像，功能測量和治療■

常用于臨床的放射性核素

1.锝（Tc)：γ90%;不伴有β輻射；

能量140KeV(適合探測）；

T1/26.02h●適合所有器官顯像。第15頁/共56頁3.正電子衰變類（用于PET)

11C20.3min;13N10min;15O123s;18F110min

●優(yōu)點：

①人體的基本元素，易于標記各種生命所必需的化合物及其代謝產(chǎn)物，且易于參與人體生理、生化代謝過程；②T

?短，檢查時可給予較大的劑量，提高對比度和分辨率；③反映人體生理、生化、病理和功能等方面的改變。反映精神情感、思維、行為等人腦的活動。第16頁/共56頁二、γ能譜光電效應(PE)→全部能量→光電峰（全能峰）。表征核素特征康普頓散射→部分能量、散射角→脈沖幅度低、范圍分布寬義：①計數(shù)率測定時，避免其他能量γ射線的干擾；②鑒定放射性同位素種類和含量第17頁/共56頁1956年Anger發(fā)明了閃爍γ相機①同時紀錄各臟器核素的射線，成像時間短；②探頭靈活，可進行多體位成像，使用方便；③Polaroid相機一步顯、定影，定時相機連續(xù)拍攝，

反映代謝過程的動態(tài)變化；Thetumorsarethedarkareas第三節(jié)γ相機第18頁/共56頁探頭位置信號能量信號照相示波器XYZγ射線源一、γ照相機的基本結構第19頁/共56頁（一）探頭裝置第20頁/共56頁1、準直器

——空間定位●作用：允許特定方向γ光子進入探測器，屏蔽與孔角不符的散射光子?！癫牧希恒U或鉛合金；屏蔽效果好；易加工（一）探頭裝置第21頁/共56頁不同類型準值器臨床應用類型特點臨床應用備注針孔準直器對小臟器具有放大作用,計數(shù)率高主要用于甲狀腺顯像準直器到臟器的距離影響臟器圖像的大小平行孔準直器準直器到臟器的距離影響圖像質量,但不影響臟器大小.臨床上最常用的準直器,適用于各臟器扇型準直器明顯提高計數(shù)率,圖像分辨率不受影響常用于腦顯像使用扇型準直器時,不能同時使用實時人體輪廓技術第22頁/共56頁準直器類型孔徑mm

孔數(shù)

（個）長度(mm)壁厚(mm)系統(tǒng)靈敏度kps/mCi系統(tǒng)分辨率(mm)低能通用準直器1.932900350.22708.7低能高分辨準直器1.518100350.21607.9中能通用準直器2.310000331.519010.7高能通用準直器2.65400362.614010.4不同準值器的物理性能第23頁/共56頁2、閃爍晶體●閃爍體：摻入約0.5%鉈(Tl)做激活劑的碘化鈉(NaI)透明晶體。NaI(Tl)晶體優(yōu)點：①γ射線阻滯本領高（探測效率高）；②熒光閃爍時間短（時間分辨力高）；③熒光光子數(shù)與γ射線能量的線性關系好第24頁/共56頁●光學收集系統(tǒng)提高光電轉換傳輸效率（減少反射）反射層（氧化鎂）和光耦合劑（硅油、甘油等）組成光收集系統(tǒng)

光導：非直接耦合

材料：聚乙烯基甲苯、有機玻璃、光導纖維等3、光電倍增管光電轉換：光敏陰極受激產(chǎn)生光電子光電倍增：（106～108）電信號放大；γ光子的數(shù)目越多，相應的脈沖數(shù)目也越多。第25頁/共56頁（二）電子學系統(tǒng)——位置信號和Z信號●將光電倍增管輸出的電脈沖信號轉換為確定晶體閃爍點位置的X、Y信號和確定入射γ射線的能量信號。第26頁/共56頁第27頁/共56頁（三）顯示和記錄基本顯示裝置——示波器記憶示波器——儲存圖像；普通示波器——照相；普通示波器——圖像觀察功能測定裝置——計數(shù)率儀將計數(shù)率轉化為直流電信號，繪制放射性活度隨時間變化曲線，顯示臟器功能狀況第28頁/共56頁二、γ照相機的性能指標及質量控制●測試標準：美國電器制造商會(NEMA)標準NationalElectricalManufacturersAssociation●空間分辨力：兩個點（線）源的分辨距離；半高寬度FWHM；調制傳遞函數(shù)MTF第29頁/共56頁●圖像質量控制：探測靈敏度和圖像的線性?幅度分析器窗位→γ全能峰→探測靈敏度→對比度、均勻性等?準直器、X、Y位置線路→圖像線性→圖像與實物比例、對稱性第30頁/共56頁第四節(jié)

單光子ECTECT類型：ECT利用γ相機原理，加入計算機信息處理功能，可對某一斷層進行成像。據(jù)射線源性質的不同，ECT可分為兩類?！馭PECT(SinglePhotonECT):探測的示蹤核素為放射出γ射線（單光子）的核素；●PECT(PositronECT)：探測的核素為放射出正電子（β+）的核素。第31頁/共56頁1、SPECT成像的本質與方法探頭圍繞病人某一臟器進行360°旋轉的γ相機，在旋轉時每隔一定角度（3°或6°）采集一幀圖片經(jīng)計算機處理，將圖像疊加，利用濾波反投影方法，從一系列投影像重建橫斷層影像。由橫斷層影像的三維信息再經(jīng)影像重新組合可以得到矢狀、冠狀斷層和任意斜位方向的斷層影像?！馭PECT斷層厚度：采集全部數(shù)據(jù)并處理后任意選定●SPECT成像原理：第32頁/共56頁2、數(shù)據(jù)的衰減校正■取決于人體衰減系數(shù)圖(μmap)的獲取和衰減校正的算法。量化精度±25%～50%平均衰減校正：設人體等密度，衰減只與光子路經(jīng)有關；人體或臟器假定為橢圓；據(jù)指數(shù)衰減公式建立斷層衰減圖；據(jù)圖給出的光子通量與路徑的關系對斷層圖像上各像素進行信號強度補償●SPECT是通過γ射線的體外技術來標定體內(nèi)放射性活度，無衰減時計數(shù)率正比于放射性活度●斷層中γ射線的衰減與路經(jīng)和組織成分等因素有關第33頁/共56頁3、旋轉中心偏移檢查

——斷層時加以校正δ<1.5mm（約0.5像素）4、斷層均勻性測量圓柱體模型99mTc溶液555MBq計算模型斷層圖像相對誤差斷層5、斷層分辨力的測量

——采集三個點源斷層數(shù)據(jù)→重建斷面圖像→求FWHM6、總體性能評價

——3600

采集數(shù)據(jù)，經(jīng)均勻度、衰減校正，重建橫向斷層圖像，確定分辨陽模和陰模的極限值第34頁/共56頁●SPECT的臨床應用SPECT影像僅描繪了體內(nèi)組織和臟器斷層中放射性核素的濃度（生理、生化過程）分布，這種分布不是有關斷層的解剖學形態(tài).1、全身骨顯像:

1）惡性腫瘤骨轉移的早期診斷:骨顯像可較X線片提前3-6個月發(fā)現(xiàn)病變2）原發(fā)性骨骼腫瘤累及范圍的判斷和療效觀察。

3）股骨頭無菌性壞死的早期診斷。第35頁/共56頁2、局部腦血流灌注斷層顯像(rCBF):

1.TIA:發(fā)作后CT和MRI多為陰性,rCBF顯像可發(fā)現(xiàn)近50%的患者腦內(nèi)有缺血性改變。

2.腦梗死:診斷陽性率近100%,在發(fā)病早期病變區(qū)無明顯結構變化時即可顯示異常。

3.神經(jīng)科疾病病灶的定位診斷:發(fā)作間期顯像陽性率約60%,遠高于CT(約25%)和MRI檢查。

4.早老性癡呆(Alzheimer病)和多發(fā)性梗塞性癡呆的鑒別診斷

BrainImagingThisfigureisatransverseSPECTimageofthebrain.

Notethehotspotspresentintherightposteriorregion.Scanindicatingmalfunctionoftheleftkidney

第36頁/共56頁第五節(jié)正電子發(fā)射型計算機斷層（PET）●PET采用貧中子的短壽命同位素11C、13N、15O、18F，是構成人體的主要元素，放射出的β+

射線產(chǎn)生的湮沒光子實現(xiàn)斷層顯像。便于“跟蹤”、“探測”人體生理、生化活動，不干擾機體結構和生物變化過程一、概述第37頁/共56頁正電子湮滅前在人體組織內(nèi)行進1-3mm同時產(chǎn)生互成180°的511keV的γ光子。●利用符合計數(shù)法探測淹沒輻射的光子第38頁/共56頁1、自準直符合計數(shù)方法●位于掃描斷層兩側的一對探頭同時接收到湮沒光子時，符合計數(shù)探測要求，才有信號輸出（符合事件，否則為無效輻射）。二、PET成像原理探頭探頭能量、時間鑒別能量、時間鑒別與門符合檢測電路符合測定符合探測時間10－8s①直線性：一對互成1800

的探頭，探測體內(nèi)發(fā)射出的互成1800

的γ光子，電子準直探測效率高?！暇€路②同時性：15ns

內(nèi)進入的2個γ光子視為同時發(fā)生的γ光子，予以探測

———高精度時間控制器第39頁/共56頁符合探測原理PET第40頁/共56頁各種符合事件同時同地；互成1800；511keV無時間與空間相互關系能量小于511MkeV,不成1800事件第41頁/共56頁PET的電子準直1964年環(huán)狀頭部PET第42頁/共56頁省去了沉重的鉛制準直器，改進了點響應函數(shù)的靈敏度和均勻性。不再因準直器的使用損失了很大部分探測效率。避免了準直器對分辨率和均勻性不利的影響。利用了一部分被準直器擋住的γ光子，極大地提高了探測靈敏度。PET的靈敏度比SPECT高10倍以上。使用鉛準直器的SPECT系統(tǒng)分辨率為8－16mm，而電子準直的PET系統(tǒng)分辨率為3－8mm。

a)SPECTdetectionsystem;

b)PETdetectionsystem.PET電子準直的特點第43頁/共56頁●環(huán)繞360°排列多組配對探頭，探頭對間符合線路檢驗判定每只探頭信號，排除其它來源射線的干擾，得到探頭對連線上的一維信息；●用濾波反投影方式，將信號按探頭對的空間位置向中心點反投射，便可形成與探頭組連線軸平行的斷層面正電子發(fā)射示蹤劑分布圖像?！裉綔y方式一次只反映一個層面的信息，實用中常用多層排列的探頭對，配合層間符合線路，以利探測并重建更多層面的圖像。n個環(huán)2n－1個斷層像：n個同環(huán)符合探測；n－1

個鄰環(huán)符合探測IllustrationofabrainPETscannerbasedon12cameramodules2、PET圖像重建第44頁/共56頁PET系統(tǒng)工作流程回旋加速器產(chǎn)生同位素

熱配室化學合成同位素示蹤劑注射入人體PET掃描采集投影數(shù)據(jù)重建獲得的濃度分布像臨床分析診斷第45頁/共56頁三、投影數(shù)據(jù)誤差校正1、衰減校正符合探測器測得射線強度均勻衰減量只與符合線穿過組織厚度相關校正：用體外線源（如68Ga棒）

繞成像體旋轉，測得I

空掃測得原始強度I0衰減率校正因子：第46頁/共56頁2、假符合校正①設置隔片阻擋射線；②采用閃爍時間短的晶體；③增設偶然符合電路等第47頁/共56頁粒子的動量的變化導致511keV光子在探測野中產(chǎn)生約4‰弧度的不確定性偏離。對探測環(huán)橫斷面視野直徑為70cm的PET，導致2－3mm的位置不確定性。對大視野PET而言，最高分辨率約為3－4mm。校正：圖像重建之前，由待測區(qū)輪廓和掃描路程精確進行校正3、電子能量的影響第48頁/共56頁●PET的技術優(yōu)勢①應用人體自身分子的主要元素的放射性核素制備示蹤分子。準確地反映機體的代謝情況，可提供獨特的生理性示蹤研究和活體生化顯像。因而被稱為“生化斷層”或“生命斷層”。

②正電子核素半衰期極短，如11C、13N、15O和18F的半衰期分別為20、10、2和110min。對人體的輻射劑量甚低，需要時可在一次研究中多次重復檢查。

③采用符合線路（CoincidenceCircuit），以電子準直取代鉛準直探頭，故靈敏度高（不受探測深度限制）、對比度好，如PET的靈敏度較常規(guī)γ相機高10～100倍，分辨率（FWHM）達4mm，可有效地檢出1cm大小的病灶④均勻度好，有利于數(shù)學重建圖像，可作組織的衰減校正和時間校正，校正后數(shù)據(jù)準確可靠，便于作定量分析，探測效率高。

⑤真正的3D探測技術，顯示全身的橫斷、冠狀和矢狀斷面各方位的斷層影像。PET三維重建圖像四、PET的優(yōu)勢及其缺點第49頁/共56頁●ＰＥＴ的應用評價和發(fā)展趨勢

主要應用于神經(jīng)系統(tǒng)（15％～35％）、心血管疾?。?5％～25％）、腫瘤學研究（65％～85％）等。1.ＰＥＴ在神經(jīng)系統(tǒng)疾病的應用

PET顯像用于腦血管疾病（CVD）、神經(jīng)科疾病、老年性癡呆、帕金森?。≒D）、神經(jīng)退行性疾病、神經(jīng)精神藥物研究與腦功能研究等很有價值。2.ＰＥＴ在心臟病學研究中的應用

PET主要用于隱性、高危和疑難冠心病診斷，心肌存活的檢測、介入治療前后監(jiān)測、心臟移植、心肌病等的診斷及治療隨訪觀察等。應用18F－FDG－PET顯像觀察心