核醫(yī)學(xué)影像基礎(chǔ)與設(shè)備第1頁/共57頁核醫(yī)學(xué)成像

第2頁/共57頁第一講緒論核醫(yī)學(xué)影像基礎(chǔ)與設(shè)備放射性藥品及顯像原理第3頁/共57頁緒論定義

影像核醫(yī)學(xué)：利用放射性核素作為示蹤劑進(jìn)行醫(yī)學(xué)成像診斷疾病，探索其機(jī)制與相關(guān)技術(shù)理論，并利用放射性核素治療疾病的醫(yī)學(xué)學(xué)科。第4頁/共57頁影像核醫(yī)學(xué)的特點(diǎn)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像學(xué)技術(shù)及成像原理

影像學(xué)技術(shù)成像原理性質(zhì)

CT衰減系數(shù)（CT值）形態(tài)解剖

B超超聲波反射（回聲）形態(tài)解剖

MR質(zhì)子密度（T1T2）解剖功能

γ照相機(jī)放射性濃度（平面）血流功能

SPECT放射性濃度（半定量）血流代謝功能

PET放射性濃度（定量）血流代謝功能第5頁/共57頁雙腎血流灌注圖影像核醫(yī)學(xué)的特點(diǎn)第6頁/共57頁存活心肌顯像第7頁/共57頁功能顯像分子顯像動(dòng)態(tài)顯像定量分析影像核醫(yī)學(xué)特點(diǎn)第8頁/共57頁診斷核醫(yī)學(xué)臨床核醫(yī)學(xué)治療核醫(yī)學(xué)體外分析體內(nèi)顯像檢查法非顯像檢查法核醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)核醫(yī)學(xué)一級(jí)學(xué)科：臨床醫(yī)學(xué)二級(jí)學(xué)科：影像醫(yī)學(xué)與核醫(yī)學(xué)內(nèi)照射近距離核醫(yī)學(xué)的組成第9頁/共57頁我國影像核醫(yī)學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀

設(shè)備相對(duì)落后，資源分配不均人員素質(zhì)參差不齊，臨床醫(yī)師認(rèn)識(shí)不夠。核醫(yī)學(xué)的優(yōu)勢(shì)和潛力沒有，充分發(fā)揮。第10頁/共57頁核醫(yī)學(xué)影像基礎(chǔ)與設(shè)備核物理基礎(chǔ)元素核素1、放射性核素釋放的射線主要為αβγ2、穩(wěn)定性核素同位素同質(zhì)異能素99mTc第11頁/共57頁核衰變

放射性核素自發(fā)的發(fā)生核內(nèi)結(jié)構(gòu)或能變化，同時(shí)釋放出某種射線而轉(zhuǎn)化為另一種核素的現(xiàn)象，稱為核衰變(nucleardecay)。衰變類型α衰變?chǔ)?衰變?chǔ)盟プ兒怂プ円?guī)律

N=N0e-t

指數(shù)規(guī)律衰變

（半衰期是每一種放射性核素所特有的，可測定半衰期確定核素的種類，甚至可推斷放射性核素混合物中核素的種類）第12頁/共57頁物理半衰期(physicalhalflife)

指放射性核素減少一半所需要的時(shí)間（T1/2）。

生物半排期（biologicalhalflife）指生物體內(nèi)的放射性核素經(jīng)各種途徑從體內(nèi)排出一半所需要的(Tb)

有效半減期（effectivehalflife）指生物體內(nèi)的放射性核素由于從體內(nèi)排出和物理衰變兩個(gè)因素作用，減少至原有放射性活度的一半所需的時(shí)間（Teff）。有效半減期與物理半衰期及生物半排期的關(guān)系：

Teff=T1/2?Tb/(T1/2+Tb)

第13頁/共57頁放射性活度單位時(shí)間內(nèi)原子核的衰變數(shù)量。是核醫(yī)學(xué)中常用的反映放射性強(qiáng)弱的物理量。國際制單位：Bq（貝克），KBq（103Bq），MBq（106Bq），GBq（109Bq）舊的專用單位：Ci（居里），mCi（10－3Ci），Ci（10－6Ci）1Bq=1次衰變/秒1Ci=3.71010Bq第14頁/共57頁輻射劑量及其單位照射量——

輻射場強(qiáng)弱照射量率——

單位時(shí)間內(nèi)的照射量吸收劑量——

被照射物質(zhì)所吸收的能量劑量當(dāng)量——

不同類輻射所引起的生物效應(yīng)當(dāng)量劑量——

生物效應(yīng)第15頁/共57頁輻射劑量及其單位照射量照射量率吸收劑量劑量當(dāng)量當(dāng)量劑量第16頁/共57頁射線與物質(zhì)的相互作用帶電粒子與物質(zhì)的相互作用電離、激發(fā)、散射、軔致輻射、湮滅輻射光子與物質(zhì)的相互作用

光電效應(yīng)、康普頓散射、電子對(duì)生成第17頁/共57頁常用核醫(yī)學(xué)儀器Γ計(jì)數(shù)器液體閃爍計(jì)數(shù)器臟器功能測定儀Γ照相機(jī)單光子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層儀SPECT正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層儀PET用于體外診斷第18頁/共57頁

γ閃爍探測器

（γscintillationdetector）

γ閃爍探測器實(shí)際上是一種能量轉(zhuǎn)換器，其作用是將探測到的射線能量轉(zhuǎn)換成可以記錄的電脈沖信號(hào)。主要部件：晶體（crystal）［碘化鈉（鉈），NaI（Tl）］光電倍增管（photomultipliertube，PMT）前置放大器組成

第19頁/共57頁Γ閃爍探測器示意圖第20頁/共57頁閃爍體——晶體最常見:碘化鈉晶體[NaI(T1)]作用:波長轉(zhuǎn)換器的作用（10-19nm－>400nm左右)晶體的探測效率與靈敏度的矛盾（探測靈敏度越高，分辨率越低。增加晶體的厚度，可增加靈敏度，但會(huì)損失分辨率。如果將晶體從12.5mm降到6.5mm，空間分辨率可提高70%，而相應(yīng)的靈敏度僅損失15%。表1-2）第21頁/共57頁光電倍增管（PMT）作用：光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。光電倍增管的多少與定位的準(zhǔn)確性密切相關(guān)，數(shù)量多探測效率和定位的準(zhǔn)確性就高，圖像的空間分辨率和靈敏度也高，但影響探頭的均勻性。第22頁/共57頁第23頁/共57頁前置放大器

光電倍增管輸出的電脈沖信號(hào)很微弱，形狀不規(guī)整，放大器的作用就是對(duì)電脈沖信號(hào)進(jìn)行放大、整形、倒相的電子學(xué)線路。

第24頁/共57頁單光子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層儀（singlephotonemissioncomputedtomography，SPECT）

是一臺(tái)高性能的γ照相機(jī)的基礎(chǔ)上增加了支架旋轉(zhuǎn)的機(jī)械部分、斷層床和圖像重建軟件，使探頭能圍繞軀體旋轉(zhuǎn)360o或180o，從多角度、多方位采集一系列平面投影像。通過圖像重建和處理，可獲得橫斷面（transversesection）、冠狀面（coronalsection）和矢狀面（sagittalsection）的斷層影像（tomogram）。第25頁/共57頁第26頁/共57頁第27頁/共57頁第28頁/共57頁探頭的構(gòu)成準(zhǔn)直器定向準(zhǔn)直晶體波長轉(zhuǎn)換器光電倍增管光電轉(zhuǎn)換器第29頁/共57頁準(zhǔn)直器（collimator）

準(zhǔn)直器位于探頭的最前端它是由鉛或鉛鎢合金鑄成的機(jī)械裝置，它的作用是把人體內(nèi)四面八方分散的γ射線定向準(zhǔn)直到閃爍晶體的一定部位上。這種采用準(zhǔn)直器的方法稱作機(jī)械準(zhǔn)直，以區(qū)別于電子準(zhǔn)直。第30頁/共57頁準(zhǔn)直器的功能參數(shù)幾何參數(shù)：孔數(shù)、孔徑、孔長及孔間壁厚度決定了準(zhǔn)直器的空間分辨率、靈敏度和適用能量范圍等性能參數(shù)準(zhǔn)直器的空間分辨率與靈敏度是一個(gè)矛盾關(guān)系第31頁/共57頁準(zhǔn)直器的空間分辨率定義：描述區(qū)別兩個(gè)鄰近點(diǎn)源的能力，通常以點(diǎn)源或線源擴(kuò)展函數(shù)的半高寬（fullwidthathalfmaximum,FWHM）表示，半高寬度越小，表示空間分辨率越好。平行孔準(zhǔn)直器，F(xiàn)WHM由下式估算：（D為準(zhǔn)直孔的直徑，L為準(zhǔn)直器厚度，z0為準(zhǔn)直器表面至源的距離）準(zhǔn)直孔越小，準(zhǔn)直器越厚，探頭距病人距離越近分辨率越高，獲得的圖像質(zhì)量越好。第32頁/共57頁第33頁/共57頁X、Y位置電路一個(gè)光子在晶體中產(chǎn)生多個(gè)閃爍光子，被多個(gè)光電倍增管接收；各個(gè)光電倍增管接收的閃爍光子的數(shù)目隨其離閃爍中心（γ光子處）的距離增加而減少；由位置電路和能量電路根據(jù)不同位置的光電倍增管接收到的閃爍光的強(qiáng)度來確定γ光子的位置。

PMT數(shù)目越多，圖像上所有脈沖的X、Y位置精度越好，圖像的空間分辨率越好。第34頁/共57頁脈沖幅度高度分析器PHA——光子能量甄別PHA用來選擇放射性核素的能量和能譜范圍。單道分析器主要由上閾、下閾道寬和構(gòu)成。改變道寬的大小可選擇能譜的范圍。伽瑪照相機(jī)的道寬經(jīng)常選在20%，包括了放射性核素光電峰的位置，可用來選擇伽瑪照相機(jī)所用的放射性核素。選擇設(shè)定核素能量窗的γ光子被記錄，剔除低能γ光子（例如，散射光子）及高能γ光子。第35頁/共57頁單道脈沖幅度高度分析器第36頁/共57頁模數(shù)轉(zhuǎn)換器作用：把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換位數(shù)越多，圖像越清晰第37頁/共57頁雙探頭符合線路斷層顯像儀（DHTC）特點(diǎn)：至少有兩個(gè)探頭，具有X、γ射線的投射衰減校正可以進(jìn)行單光子核素顯像和正電子核素顯像第38頁/共57頁SPECT/CTSPECT與CT的融合，同時(shí)具有功能和結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)第39頁/共57頁SPECT的圖像采集能窗的選擇矩陣采集類型：靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、門控、全身掃描、斷層采集衰減校正散射校正第40頁/共57頁圖像重建

由已知不同方向的投影值來求物體內(nèi)各點(diǎn)的分布稱圖像重建。SPECT成像原理即將通過探頭的旋轉(zhuǎn)得到的各角度投影圖像利用圖像重建的方法重建出各方向的斷層圖像。目前常用的圖像重建方法為濾波反投影法（FBPfilteredbackprojection）。對(duì)于一些不完全角度投影可以采用迭代法（OSEM）重建圖像。第41頁/共57頁在數(shù)字圖像中，圖像單元的大小，是用二進(jìn)制單位比特(Bit)表示的數(shù)字量。圖像可劃分成許多小的方塊或單元，稱矩陣單元。常用圖像矩陣有64×64、128×128、256×256等。在SPECT中，我們事先并不知道各個(gè)矩陣單元的值，我們僅從測量中知道沿某一方向上各矩陣單元的和，稱射線和或投影。從不同方向投影中可以求出矩陣單元的值，這就是圖像重建的任務(wù)。顯然，如果知道了圖像矩陣單元值，一幅圖像性質(zhì)也就知道了。圖象重建的預(yù)備知識(shí)第42頁/共57頁第43頁/共57頁正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層儀PET

主要由探測系統(tǒng)包括晶體、電子準(zhǔn)直、符合線路和飛行時(shí)間技術(shù)，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，圖像顯示和斷層床等組成。

目前最先進(jìn)的PET是探頭多環(huán)型、模塊和3D結(jié)構(gòu)，其中探頭晶體除外經(jīng)典的鍺酸鉍（bismuthgerminate，BGO）晶體，現(xiàn)已推出硅酸镥（lutetiumoxyorthosillicate，LSO）和硅酸釓（gadoliniumorthosillicate，GSO）等新的晶體，大大提高了探測效率，圖像分辨率為3~5mm。

PET與SPECT比較，其具有：①空間分辨率高；②探測效率高；③能準(zhǔn)確地顯示受檢臟器內(nèi)顯像劑濃度提供的代謝影像和各種定量生理參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。第44頁/共57頁質(zhì)量控制原理及方法第45頁/共57頁放射性藥品及顯像原理放射性藥物(radiopharmaceutical)

用于診斷和治療的放射性核素及其化合物的制劑。特點(diǎn)：

放射性藥物不具備普通藥物的藥理作用，其依靠所載的放射性核素起到診斷和治療作用。開放性：放射性藥物區(qū)別于腫瘤放射治療的封閉性外圍輻射源（如60Co、137Cs）的特征。第46頁/共57頁分類診斷類放射性藥物核素特點(diǎn)：核射線中以γ光子為主（能量以100～300keV為宜），引入體內(nèi)后容易被核醫(yī)學(xué)探測儀器在體外探測到，從而適用于顯像；同時(shí)γ光子在組織內(nèi)電離密度較低，從而機(jī)體所受電離輻射損傷較小。代表核素：99Tcm核性能優(yōu)良，為純?chǔ)霉庾影l(fā)射體，能量140keV，T1/2為6.02h、方便易得、幾乎可用于人體各重要臟器的形態(tài)和功能顯像。99Tcm是顯像檢查中最常用的放射性核素，目前全世界應(yīng)用的顯像藥物中，99Tcm及其標(biāo)記的化合物占80%以上，廣泛用于心、腦、腎、骨、肺、甲狀腺等多種臟器疾患的檢查，并且大多已有配套藥盒供應(yīng)。

131I、201Tl、67Ga、111In、123I等放射性核素及其標(biāo)記藥物這類γ光子的核素及其標(biāo)記藥物也有較多應(yīng)用，在臨床中發(fā)揮著各自的特性和作用。正電子放射性藥物11C、13N、15O和18F等短半衰期放射性核素在研究人體生理、生化、代謝、受體等方面顯示出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，其中氟[18F]脫氧葡萄糖（18F-FDG）是目前臨床應(yīng)用最為廣泛的正電子放射性藥物。第47頁/共57頁常用正電子放射性藥物有效半衰期15O2.05min13N9.96min11C20.34min18F110min第48頁/共57頁治療類放射性藥物適宜的射線能量和在組織中的射程是選擇性集中照射病變組織而避免正常組織受損并獲得預(yù)期治療效果的基本保證。第49頁/共57頁各種常用治療放射性藥物的理化性能

核素標(biāo)記T1/2β-最大能量γkeV(%)

最大射主要臨床應(yīng)用化合物MeV程(mm)32P

磷酸鹽14.3d1.71-8真紅,原發(fā)性血小板增膠體磷酸鉻腔內(nèi)治療玻璃微球肝癌動(dòng)脈栓塞

131I

8.06d0.61365(81)2-3甲亢,分化型甲癌及轉(zhuǎn)移灶

MIBG

嗜鉻細(xì)胞瘤153SmEDTMP40.6h0.8103(28%)3.4骨轉(zhuǎn)移癌疼痛89Sr

50.5d1.46-2-3骨轉(zhuǎn)移癌疼186ReHEDP3.8d1.07137(9%)4.7骨轉(zhuǎn)移癌疼痛188ReHEDP19.6h2.12155(10%)

骨轉(zhuǎn)移癌疼痛117mSnDTPA13.6dCE159(86%)0.3骨轉(zhuǎn)移癌疼痛117LuEDTMP6.75d0.4971