1、醫(yī)學影像設(shè)備學,第八章 核醫(yī)學影像設(shè)備,重點難點,核醫(yī)學成像設(shè)備的基本部件 準直器、晶體的基本結(jié)構(gòu)、特點 SPECT的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 PET的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 雙模式分子影像技術(shù)和設(shè)備,第一節(jié) 概 述,目錄,一、發(fā)展簡史 二、分類及應(yīng)用特點,核醫(yī)學定義 核醫(yī)學是研究核技術(shù)在醫(yī)學中的應(yīng)用及理論的學科。 應(yīng)用放射性核素或核射線診斷疾病、治療疾病或進行醫(yī)學研究的學科。 核醫(yī)學是醫(yī)學與核物理學、核電子學、化學、生物學以及計算機技術(shù)等學科相結(jié)合的產(chǎn)物。 也是和平利用原子能的重要方面。,第一節(jié) 概述,核醫(yī)學成像 是一種以臟器內(nèi)外正常組織與病變組織之間的放射性濃度差別為基礎(chǔ)的臟器或病變的顯像方法。 將

2、放射性核素或其標記化合物引入體內(nèi)，利用核醫(yī)學成像儀器在體外探測體內(nèi)放射性藥物的分布并成像。 亦稱為功能成像或代謝成像，這是其他技術(shù)難以實現(xiàn)的。,第一節(jié) 概述,第一節(jié) 概述,一、發(fā)展簡史,1951年，第一臺閃爍掃描儀（Benedict Cassen） 1957年，第一臺照相機（Hal O Anger） 1964年，商品化照相機 1976年，第一臺商業(yè)化PET（ECAT） 1979年，第一臺實用SPECT（ David Kuhl和Edwards ） 1998年，SPECT/CT（美國GE公司） 2000年，PET/CT（美國CTI公司） 2010年，全身一體化PET/MR（德國西門子公司）,Lan

3、dmark in the history of radionuclide imaging,第一節(jié) 概述,Cassen and scanner(掃描儀),1951年美國加州大學的 Cassen研制出第一臺閃爍掃描儀（Scintillation Scanner）； 逐點打印方式獲得器官的圖像； 促進了顯像的發(fā)展； 美國核醫(yī)學會專門設(shè)立了 “Cassen award”。,第一節(jié) 概述,David Kuhl,1952年美國Pennsylvania大學一年級醫(yī)學生David Kuhl設(shè)計了掃描機光點打印法。 1959年用雙探頭掃描機進行斷層掃描，并進一步研制和完善斷層顯像儀器，使得SPECT和PET成為

4、核醫(yī)學顯像的主要方法。 1996年獲得“Cassen award”，被稱為 The Father of Emission Tomography 可以認為，沒有他的遠見，核醫(yī)學有可能不會發(fā)展成為具有特色的專業(yè)。,The father of emission tomography,第一節(jié) 概述,Robert Newell,1952年Robert Newell發(fā)明了聚焦多孔準直器； 提出了Nuclear 一詞。,第一節(jié) 概述,Anger and camera,1957年Anger研制出第一臺照相機，稱之為 Anger照相機。 1963年在日內(nèi)瓦原子能和平會議上展出?？朔酥瘘c掃描打印的不足，使核醫(yī)學

5、顯像走向現(xiàn)代化階段。,第一節(jié) 概述,二、分類及應(yīng)用,第一節(jié) 概述,SPECT/CT PET/CT PET/MR,Fusion image,第一節(jié) 概述,（一）照相機 結(jié)構(gòu)： 閃爍探頭、電子線路、顯示記錄裝置以及一些附加設(shè)備。 優(yōu)勢： 通過連續(xù)顯像可進行臟器動態(tài)研究； 檢查時間相對較短，方便簡單，特別適合兒童和危重病人檢查； 顯像迅速，便于多體位、多部位觀察； 通過圖像處理，可獲得有助于診斷的數(shù)據(jù)或參數(shù)。 已逐步被SPECT以及之后的SPECT/CT所替代。,大視野 一次快速成像,第一節(jié) 概述,（二）SPECT 結(jié)構(gòu)： 在一臺高性能照相機的基礎(chǔ)上增加了探頭旋轉(zhuǎn)裝置和圖像重建的計算機軟件系統(tǒng)。 優(yōu)

6、勢： 發(fā)現(xiàn)較小的病灶和深部病變，幫助定量分析。 在心肌血流灌注、腦血流灌注、骨盆顯像、全身顯像等方面比相機具有明顯的優(yōu)勢。 兼有多種顯像方式。 提高靈敏度，縮短斷層采集的時間，提高圖像質(zhì)量。,第一節(jié) 概述,（二）SPECT 不足： 靈敏度低。 衰減及散射影響較大：體內(nèi)發(fā)射的光子碰到高密度物質(zhì)(例如骨、準直孔邊緣等)發(fā)生的散射同樣也會使正常圖像疊加上一幅完全不均勻的偽像。這一直是發(fā)射顯像明顯存在的固有缺陷。 重建圖像的空間分辨率低：固有空間分辨率為 34mm半高寬度（full width at half maximum，F(xiàn)WHM），重建圖像固有空間分辨率為 68mm。,第一節(jié) 概述,（三）雙探頭

7、符合線路SPECT 結(jié)構(gòu)： 在常規(guī)雙探頭SPECT上通過改進探頭設(shè)計、電子線路、圖像校正和圖像重建等方面，實現(xiàn)對正電子核素探測的影像設(shè)備。,雙探頭SPECT符合探測外形圖及原理示意圖,第一節(jié) 概述,優(yōu)勢： 其在保證探測靈敏度和分辨率的前提下，兼顧常規(guī)低能核素顯像與正電子核素顯像（主要是18F-FDG），有效完成PET所具有的部分臨床診斷任務(wù)。 不足： 空間分辨率、靈敏度、圖像對比度和進行動態(tài)顯像的能力顯然不如專用PET； 進行18F-FDG顯像的檢查時間較長，無法使用超短半衰期正電子核素（11C和15O等）。,（三）雙探頭符合線路SPECT,第一節(jié) 概述,（四）PET 結(jié)構(gòu)： 探測器和電子學線

8、路、掃描機架和同步檢查床、計算機及其輔助設(shè)備。,第一節(jié) 概述,（四）PET 優(yōu)勢： 所用正電子放射性核素（如11C、13N、15O等）可參與人體的生理、生化代謝過程；半衰期比較短。 PET對射線的限束是電子準直（Electronic Collimator），其靈敏度比SPECT高10100倍；改善了分辨率（可達4mm），圖像清晰，診斷準確率高。 衰減校正更準確。 可進行三維分布的“絕對”定量分析，遠優(yōu)于SPECT。,核醫(yī)學史上劃時代的里程碑,第一節(jié) 概述,（五）動物核醫(yī)學顯像儀器 分類： 動物SPECT（micro-SPECT）和動物PET（micro-PET）。 特點： 設(shè)計及工作原理與臨床

9、SPECT和PET設(shè)備一樣。 應(yīng)用對象：實驗動物。 具有更高的靈敏度和空間分辨率。 目前主要應(yīng)用于藥物研發(fā)和疾病研究等生物醫(yī)學基礎(chǔ)研究。對動物進行活體、定量檢查，獲得活體內(nèi)的動態(tài)信息，實驗結(jié)果可直接類推至臨床。,第一節(jié) 概述,第二節(jié) 核醫(yī)學成像設(shè)備 的基本部件,目錄,一、基本結(jié)構(gòu)與工作原理 二、準直器 三、閃爍晶體,第二節(jié)核醫(yī)學成像設(shè)備的基本部件,一、基本結(jié)構(gòu)與工作原理 準直器 閃爍晶體 光電倍增管 放射性探測器 前置放大器 定位電路 顯示記錄裝置 機械支架和床,探測器結(jié)構(gòu)示意圖,照相機的組成： 準直器（collimator） 閃爍晶體 光電倍增管（PMT） 預放大器、放大器 X、Y位置電路

10、總和電路 脈沖高度分析器（PHA） 顯示或記錄器件等,第二節(jié)核醫(yī)學成像設(shè)備的基本部件,第二節(jié)核醫(yī)學成像設(shè)備的基本部件,核醫(yī)學成像設(shè)備基本部件示意圖,射線通過鉛準直器孔道投射到晶體上； 晶體產(chǎn)生的閃爍熒光可同時經(jīng)光導傳輸?shù)剿械墓怆姳对龉苌?，靠近熒光點的光電倍增管接收到的光子多，輸出的電脈沖幅度大； 晶體中發(fā)生一個閃爍事件就會使排列有序的光電倍增管陽極輸出眾多的幅度不等的電脈沖信號，對這些信號經(jīng)過權(quán)重處理，就可得到這一閃爍事件的位置信號P。,閃爍熒光傳輸?shù)礁鞴怆姳对龉艿氖疽鈭D,第二節(jié)核醫(yī)學成像設(shè)備的基本部件,定位電路 在每個光電倍增管的輸出端加一個與位置有關(guān)的權(quán)重電阻或權(quán)重延遲線，每個管輸出的信

11、號進行位置權(quán)重，再利用加法電路和減法電路將所有經(jīng)過的位置權(quán)重的信號總和，利用比分電路得出這一事件將有的位置信號P。,第二節(jié)核醫(yī)學成像設(shè)備的基本部件,光電倍增管工作原理,第二節(jié)核醫(yī)學成像設(shè)備的基本部件,每一個光電倍增管都與4個電阻相連接，各電阻的阻值根據(jù)管的位置不同而異。任何閃爍事件發(fā)生在晶體的某個部位，相對應(yīng)的光電倍增管通過位置權(quán)重電阻矩陣就會輸出特有的位置信號和能量信號。 每一個管都輸出經(jīng)過位置權(quán)重的X+、X、Y+和Y值，最后需由加法電路將各管的輸出值按X+、X、Y+和Y分別總和起來而給出此事件的X、Y、Z信號。,位置權(quán)重電阻矩陣示意圖,第二節(jié)核醫(yī)學成像設(shè)備的基本部件,二、準直器 安置在晶體

12、前方的一種特制屏蔽，使非規(guī)定范圍和非規(guī)定方向的射線不得入射晶體，起定位采集信息的作用。,第二節(jié)核醫(yī)學成像設(shè)備的基本部件,（一）準直器的主要性能參數(shù) 1. 幾何參數(shù) 2.空間分辨率 3.靈敏度 4. 適用能量范圍,第二節(jié)核醫(yī)學成像設(shè)備的基本部件,1. 幾何參數(shù) 包括孔數(shù)、孔徑、孔長、孔間壁厚度，它們決定準直器的空間分辨率、靈敏度和適用能量范圍等性能參數(shù)。,準直器結(jié)構(gòu)示意圖,第二節(jié)核醫(yī)學成像設(shè)備的基本部件,2.空間分辨率 對兩個鄰近點源加以區(qū)別的能力，通常以準直器一個孔的線源響應(yīng)曲線的FWHM作為分辨率（R）的指標，R越小表示空間分辨率越好。 空間分辨率隨被測物與準直器外口距離的增加而減低（因此，

13、顯像時應(yīng)盡量將探頭貼近受檢者體表）。準直器孔徑越小，分辨率越好。準直器越厚，分辨率也越高。,第二節(jié)核醫(yī)學成像設(shè)備的基本部件,3.靈敏度 靈敏度（S）為配置該準直器的探頭實測單位活度（如1MBq）的計數(shù)率（計數(shù)s） S=106feE f為所測射線的豐度 e為光電子峰探測效率 E為準直器幾何效率 此公式中未考慮射線在被檢物體內(nèi)的衰減。,第二節(jié)核醫(yī)學成像設(shè)備的基本部件,4. 適用能量范圍 主要由孔長及孔間壁厚度決定。 高能準直器孔更長，孔間壁也更厚。 厚度0.3mm左右者適用于低能（150keV）射線探測 1.5mm左右者適用于中能（150keV350keV）射線探測 2.0mm左右者適用于高能（3

14、50keV）射線探測,第二節(jié)核醫(yī)學成像設(shè)備的基本部件,（二）準直器的類型 1.按幾何形狀：針孔型、平行孔型、擴散型、會聚型 2.按適用的射線能量：低能、中能、高能準直器 3.按靈敏度和分辨率：高靈敏型、高分辨型、通用型,準直器類型,第二節(jié)核醫(yī)學成像設(shè)備的基本部件,第二節(jié)核醫(yī)學成像設(shè)備的基本部件,某型準直器參數(shù),第二節(jié)核醫(yī)學成像設(shè)備的基本部件,三、閃爍晶體 閃爍晶體是將射線或X射線轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽獾奈镔|(zhì)。射入NaI:Tl閃爍晶體的射線在閃爍晶體內(nèi)與NaI:Tl晶體發(fā)生光電效應(yīng)和康普頓散射，這時射線失去能量，發(fā)出近似紫色的閃爍光。 NaI:Tl閃爍晶體是在NaI中摻入微量的Tl而形成的晶體；原子量大，

15、對射線吸收效率高，能制成大型晶體。 NaI:Tl閃爍晶體不耐急劇變化的溫度，1小時內(nèi)3的環(huán)境溫度變化即可使其破損（將此稱為潮解性）。 NaI:Tl晶體的厚度一旦增加，其吸收射線的靈敏度也會升高，但分辨率會下降。,第三節(jié) 單光子發(fā)射型計算機斷層掃描儀,Single Photon Emission Computed Tomography,目錄,一、基本結(jié)構(gòu)與工作原理 二、探測器 三、機架 四、檢查床 五、控制臺和計算機 六、外圍設(shè)備,第三節(jié) 單光子發(fā)射型計算機斷層掃描儀,一、基本結(jié)構(gòu)與工作原理 （一）基本結(jié)構(gòu) 探測器（探頭）、旋轉(zhuǎn)機架、檢查床、圖像采集控制臺和圖像處理的計算機工作站以及外圍輔助設(shè)備

16、。 （二）工作原理 多探頭型（亦稱掃描機型）和照相機型。,單探頭 雙探頭 三探頭,第三節(jié) 單光子發(fā)射型計算機斷層掃描儀,二、探測器 （一）探測原理 由準直器、NaI（Tl）閃爍晶體、光電倍增管（PMT）、前置放大器和計算電路等組成。 傳統(tǒng)SPECT實際上與相機的探測器相同。,第三節(jié) 單光子發(fā)射型計算機斷層掃描儀,二、探測器 （二）技術(shù)進展 采用新型準直器（PMT）。 優(yōu)勢： 降低探頭和SPECT機架整體的重量； 提高了SPECT系統(tǒng)分辨率和圖像的信噪比； 在SPECT探測器整體性能提高的基礎(chǔ)上，大幅提高分辨率：如配置LEHR準直器后SPECT系統(tǒng)分辨率可達到7.5mm（使用NEMA推薦的重建方

17、法）。,第三節(jié) 單光子發(fā)射型計算機斷層掃描儀,二、探測器 （二）技術(shù)進展 采用碲鋅鎘（CdZnTe，CZT）半導體探測器。 原理：當具有電離能力的射線和CZT晶體作用時，晶體內(nèi)部產(chǎn)生電子和空穴對，并且數(shù)量和入射光子的數(shù)量成正比。帶負電的電子和帶正電的空穴朝不同的電極運動，形成的電荷脈沖經(jīng)過前置放大變成電壓脈沖，其強度與入射光子的能量呈正比。前置放大輸出的信號經(jīng)過后續(xù)電路處理，然后進行圖像重建。,第三節(jié) 單光子發(fā)射型計算機斷層掃描儀,二、探測器 （二）技術(shù)進展 CZT半導體探測器的優(yōu)勢： 對射線探測具有極高的系統(tǒng)靈敏度。 可以直接將射線轉(zhuǎn)化成電信號，具有更高的探測效率和能量分辨率（10 keV6

18、 MeV）。 采用較厚的CZT晶體陣列（至少6mm）和小尺寸像素面元電極設(shè)計的面元陣列探測器，能同時得到好的能譜特性和高的空間分辨率，提高系統(tǒng)靈敏度從而減少放射性示蹤劑的用量，縮短掃描時間，提高圖像信噪比。 高度集成化后可減輕整個SPECT設(shè)備探頭的重量。,第三節(jié) 單光子發(fā)射型計算機斷層掃描儀,二、探測器 （二）技術(shù)進展 采用碲鋅鎘（CdZnTe，CZT）半導體探測器。,基于CZT探測器SPECT的性能,心臟專用SPECT,心臟專用SPECT 探頭是采用半環(huán)狀（180）排列的CZT半導體探測器； 心肌斷層顯像時，探頭無需旋轉(zhuǎn)，避免了運動偽影，提高了儀器的性能； 空間分辨率明顯提高： 固有空間分辨率由48mm提高到2.46mm； 能量分辨率由9.512提高到6.2。,第三節(jié) 單光子發(fā)射型計算機斷層掃描儀,乳腺專用顯像儀,乳腺專用顯像儀 探頭是采用兩個互成180的平板CZT半導體探測器構(gòu)成； 采用99mTc-MIBI等為顯像劑，對乳腺進行顯像檢查。,第三節(jié) 單光子發(fā)射型計算機斷層掃描儀,第三節(jié) 單光子發(fā)射型計算機斷層掃描儀,三、機架 由機械運動組件、機架運動控制電路、電源保障系統(tǒng)、機架手控盒及其運動狀態(tài)顯示器、實時監(jiān)視器等組成。 （一）旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu) 圓環(huán)型機架SPECT旋轉(zhuǎn)機架的主要形式。 懸臂形機架。 懸吊式機架。 龍門型機架。,第三節(jié) 單光子發(fā)射型計算機斷