核醫(yī)學(xué) 02第2章 七年核儀器學(xué)習(xí)資料

第2章核醫(yī)學(xué)儀器核醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展簡史井型晶體閃爍計(jì)數(shù)器閃爍掃描機(jī)19741979195719501951γ照相機(jī)

PETSPECT2001

PET/CTSPECT/CT閃爍掃描機(jī)電離作用熒光現(xiàn)象感光作用第一節(jié)核探測儀器的基本原理一、放射性探測的基本原理

放射性測量原理就是建立在射線與物質(zhì)相互作用的基礎(chǔ)上。核醫(yī)學(xué)測量放射性機(jī)制常用以下幾種電離輻射效應(yīng)。①電離現(xiàn)象各種射線均可引起物質(zhì)電離，并產(chǎn)生相應(yīng)的電信號，電信號與射線種類、活度、能量有關(guān)，收集和計(jì)錄這些電信號，就可得知該種射線的性質(zhì)。②感光現(xiàn)象射線也與普通的光線一樣，可以作用于感光乳膠，再經(jīng)過顯影、定影處理后，形成黑影。我們就可根據(jù)黑影的有無、濃淡程度和所在部位，來對放射性進(jìn)行定位和定量的診斷。③熒光現(xiàn)象帶電粒子能直接激發(fā)閃爍物質(zhì)［如NaI（Tl）晶體］發(fā)出熒光。γ射線是先在閃爍體中產(chǎn)生光電子、電子對和康普頓電子，再由它們激發(fā)熒光，這種熒光光子通過光電倍增管產(chǎn)生并放大成電信號，從而得知該種射線的性質(zhì)。

射線探測的基本原理射線探測器（又稱探頭）射線探測器有很多種類，用于核醫(yī)學(xué)檢查目的的有閃爍探測器、氣體探測器、半導(dǎo)體探測器等。

1．閃爍探測器（又稱閃爍探頭）主要是由閃爍體、光電倍增管及前置放大器構(gòu)成。

2．氣體探測器核醫(yī)學(xué)中常用的氣體探測器有G-M計(jì)數(shù)管和電離室。

3．半導(dǎo)體探測器是一種比較先進(jìn)的核輻射探測器。二、放射性探測器的種類閃爍型探測器3.光電倍增管（photomultipliertube，PMT）

2.光導(dǎo)（lightguide）：硅油，有機(jī)玻璃1.閃爍體(scintillator)：

NaI（Tl），BGO，GSO，LSO光電倍增管工作原理三、核探測器的電子學(xué)線路（一）放大器前置放大器（preamplifier）主放大器（mainmplifie）作用：對電脈沖進(jìn)行放大、整形、倒相的電子學(xué)線路（二）脈沖高度分析器（pulseheightanalyzer，PHA）

輸出信號B上甄別器下甄別器AC反符合線路BB輸入信號C輸入信號B,C單道脈沖高度分析器工作原理核射線測量儀器的組成框圖核射線閃爍體光導(dǎo)光電倍增管前置放大器主放大器脈沖高度分析器記錄裝置工作電源核醫(yī)學(xué)顯像儀器與X線顯像儀器的區(qū)別

第二節(jié)γ照相機(jī)1957年，由HalAnger研制成功，因此，也稱為Anger型γ照相機(jī)(γ-Camera)γ照相機(jī)的組成：準(zhǔn)直器（collimator）閃爍晶體光電倍增管（PMT）預(yù)放大器、放大器X、Y位置電路總和電路脈沖高度分析器（PHA）顯示或記錄器件等準(zhǔn)直器準(zhǔn)直器由具有孔道的γ射線吸收材料構(gòu)成，這類材料主要包括鉛或鎢。其作用是讓一定視野范圍內(nèi)的及一定角度方向上的γ射線通過小孔達(dá)到晶體，以保證探頭能對射線的發(fā)生位置做準(zhǔn)確的空間定位。

準(zhǔn)直器的類型準(zhǔn)直器1.空間分辨率

半峰值全寬度(FullWidthatHalfMaximum，F(xiàn)WHM)，簡稱半高寬。2.靈敏度

配置該準(zhǔn)直器的γ照相機(jī)探頭測量單位活度(如1MBq)的放射性核素的計(jì)數(shù)率(計(jì)數(shù)／s)。3.適用能量范圍孔間壁厚度與γ射線能量：0.3mm適用于低能（≤150kev）1.5mm適用于中能（150～350kev）

2.0mm適用于高能（＞350keV）。

準(zhǔn)直器性能高靈敏度型孔徑大，孔深度淺與分辨率成相反關(guān)系

高分辨率型10cm距離分辨率6-12mm（FWHM）孔徑小，孔較深的鉛柵分辨率與放射源距離密切相關(guān)準(zhǔn)直器的孔徑大小決定了準(zhǔn)直器的空間分辨率和靈敏度準(zhǔn)直器

保證投影圖的正確基本結(jié)構(gòu)距離對圖像的影響空間分辨率與靈敏度25mm1.2mm準(zhǔn)直器由鉛鑄造射向鉛柵的g射線被吸收五、脈沖高度分析器六、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）四、X、Y位置電路三、光電倍增管（PMT）二、閃爍晶體

NaI（Tl）晶體NaI

晶體對g射線具有相當(dāng)靈敏度單塊薄型晶體(40x50cm)厚度可分為3/8，5/8和1英寸將g射線轉(zhuǎn)變成可見光易碎：對碰撞和溫度敏感光陰極陽極打拿極可見光光電倍增管(PMT)將可見光信號轉(zhuǎn)換成電脈沖通過打拿極進(jìn)行信號放大總增益約為106可見光打到光陰極后釋放出電子，電子經(jīng)過打拿極逐級放大，獲得足夠強(qiáng)度的電脈沖信號.全數(shù)字電路ADCADCADCADCADCADCADCADCADCADCADC數(shù)字信號處理器信號加權(quán),定位計(jì)算,能量計(jì)算,歸一化和脈沖高度分析全都由軟件完成.數(shù)字X坐標(biāo)數(shù)字Y坐標(biāo)模式圖位置信號能量信號脈沖高度分析XYZ圖像顯示準(zhǔn)直器NaI(Tl)晶體.......PMTARRAY探頭光電倍增管γ射線位置信號能量信號脈沖高度分析器XYZ圖像顯示準(zhǔn)直器NaI(Tl)晶體.......PMTARRAY1YX核醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)核醫(yī)學(xué)顯像過程：

第三節(jié)SPECT及SPECT/CT一、SPECTSPECT：SinglePhotonEmissionComputedTomography單光子發(fā)射型電子計(jì)算機(jī)斷層γ照相機(jī)與電子計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合發(fā)展起來的一種核醫(yī)學(xué)顯像檢查儀器，在γ照相機(jī)平面顯像的基礎(chǔ)上，應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)技術(shù)增加了斷層顯像功能主要提供組織器官的功能和代謝變化信息組成：探測器（探頭）、機(jī)架、檢查床和圖像采集處理工作站探頭是SPECT的核心部件，探頭數(shù)通常為1~3個(gè)（一）單探頭SPECT（二）雙探頭SPECT（三）三探頭SPECT（四）雙探頭符合線路斷層顯像儀二、SPECT/CT（一）SPECT/CTSPECT和CT兩種成熟技術(shù)相結(jié)合形成的一種新的核醫(yī)學(xué)顯像儀器實(shí)現(xiàn)了SPECT功能代謝影像與CT解剖形態(tài)學(xué)影像的同機(jī)融合

一次顯像檢查可分別獲得SPECT圖像、CT圖像及SPECT/CT融合圖像可以采用X線CT圖像對SPECT圖像進(jìn)行衰減校正（二）SPECT與CT結(jié)合的兩種方式SPECT和CT位于同一機(jī)架：在SPECT探頭機(jī)架上安裝一個(gè)X線球管，對側(cè)安裝探測器SPECT與CT位于不同的機(jī)架：在SPECT機(jī)架后再并排安裝一個(gè)高檔螺旋CTSPECT/CT三、SPECT的圖像采集（一）采集方式靜態(tài)采集與動態(tài)采集平面采集與斷層采集局部采集與全身采集門控采集（二）斷層采集SPECT探頭繞患者旋轉(zhuǎn)180°～360°每隔一定角度（3°～6°）采集1幀圖像獲得靶器官各個(gè)方向的放射性分布信息經(jīng)過電子計(jì)算機(jī)重建斷層圖像。由已知不同方向的物體投影值求該物體內(nèi)各點(diǎn)的分布稱為圖像重建，也就是利用物體在多個(gè)軸向投影圖像重建目標(biāo)圖像的過程。

濾波反投影法（filteredbackprojection，F(xiàn)BP）濾波(Filter)，反投影(Backprojection)。濾波：Ramp，Hann，Hanning，Butterworth重建方法：四、SPECT的圖像重建反投影重建按照投影方向把投影數(shù)據(jù)反投向來的方向。濾波反投影重建用濾波函數(shù)去除反投影重建圖像偽影。衰減校正方法為什么要進(jìn)行衰減校正？在探頭的對側(cè)設(shè)置放射源，利用放射源發(fā)射出的γ射線由患者體外穿透人體，在SPECT探頭上成像。在同一臺SPECT上同時(shí)獲得透射(transmission)圖像和發(fā)射(emission)圖像，從透射圖像求得被顯像部位的三維衰減系數(shù)分布圖，對發(fā)射型斷層圖像進(jìn)行衰減校正。目前，SPECT/CT可采用X線進(jìn)行圖像衰減校正。顯像用放射性核素γ射線的能量主要在80~500keV之間人體組織的衰減(Attenuation)對投影值有較大影響。SPECT斷層重建算法忽略了組織對γ射線的衰減作用，使圖像定量不準(zhǔn)，出現(xiàn)偽影。圖像衰減校正(AttenuationCorrection，AC)是解決人體衰減的主要方法。五、圖像的衰減校正空間分辨率2空間線性4均勻性31平面源靈敏度33六、SPECT的質(zhì)量控制和性能評價(jià)最大計(jì)數(shù)率5固有能量分辨率7其他：斷層均勻性、空間分辨率、斷層厚度、斷層靈敏度等

9多窗空間位置重合性36旋轉(zhuǎn)中心38顯像系統(tǒng)的綜合評價(jià)109EmissionComputedTomography功能代謝成像第四節(jié)PET、PET/CT及圖像融合技術(shù)一、PET

PET:PositronEmissioncomputedTomography正電子發(fā)射型電子計(jì)算機(jī)斷層（一）PET的組成

機(jī)架（Gantry）、掃描床、電子柜、操作工作站、分析工作站及打印設(shè)備等。

1.機(jī)架探測器環(huán)、棒源（pinsource）、射線屏蔽裝置、事件探測系統(tǒng)（theeventdetectionsystem）、符合線路（thecoincidencecircuitry）及激光定位器等組成。主要功能為數(shù)據(jù)采集。（1）探測器環(huán)若干個(gè)晶體排列而成，是決定PET性能的最重要部分。探頭晶體的材料不同，接收光子并轉(zhuǎn)化為可見光的性能也有差異。晶體主要有：鍺酸鉍（bismuthgerminate，BGO）硅酸釓（gadoliniumorthosillicate，GSO）硅酸镥（lutetiumoxyorthosillicate，LSO）LYSO等。臨床型PET（C-PET）采用NaI（Tl）晶體。

碘化鈉晶體探測器示意圖（2）棒源（pinsource）將68鍺（68Ge）均勻地封裝在中空的小棒內(nèi)；也有使用半衰期較長的137Cs。作用：對PET掃描儀進(jìn)行質(zhì)量控制透射掃描進(jìn)行圖像衰減校正（3）隔板（speta）隔板包括2部分：一部分是探測器環(huán)兩邊的厚鉛板，作用是屏蔽探測器外的射線；另一部分為厚度為1mm的環(huán)狀鎢板，位于探測器環(huán)與環(huán)之間，將軸向視野分隔成若干環(huán)，鎢隔板的作用是屏蔽其他環(huán)視野如射的光子對，與準(zhǔn)直器的作用相似；3D采集時(shí)，將鎢隔板撤出顯像視野，取消屏蔽作用。目前，僅有3D采集模式的PET已經(jīng)無隔板。

5.打印設(shè)備

4.操作工作站及分析工作站

3.電子柜

2.掃描床PET的原理當(dāng)正電子核素或正電子核素標(biāo)記的化合物注入人體內(nèi)后，它們隨血液循環(huán)分布至全身。由于正電子核素為貧中子核素，它們在衰變的過程中，質(zhì)子衰變?yōu)橹凶樱瑫r(shí)發(fā)射出1個(gè)正電子β+，正電子在組織中飛行極短的距離后便與周圍組織內(nèi)的電子相遇并發(fā)生湮沒輻射，正、負(fù)電子消失，其物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)?個(gè)方向相反（互成180°）、能量皆為511keV的γ光子，穿透人體并被環(huán)繞人體的PET掃描儀探測到。PET掃描儀利用γ光子對的直線性和同時(shí)性兩個(gè)特性來進(jìn)行符合探測，然后通過圖像重建處理，得到的斷層圖像便為PET圖像。18F+

（二）PET顯像原理-γγ濾波反投影法OSEM法濾波反投影與OSEM法圖像質(zhì)量比較（五）圖像重建濾波反投影法（filteredback-projection）有序子集最大期望值法（orderedsubsetsexpectationmaximization，OSEM）

4.歸一化校準(zhǔn)（normalizationcalibration）5.井型計(jì)數(shù)器校準(zhǔn)（wellcountercalibration）

3.光電倍增管增益調(diào)節(jié)（PMTSingleUpdategainadjustment）

2.符合計(jì)時(shí)校準(zhǔn)（coincidenceTimingcalibration）

1.空掃（blankscan）（六）PET的質(zhì)量控制二、PET/CTPET/CTCT數(shù)據(jù)可用于PET圖像的透射衰減校正顯像檢查時(shí)間大大減少。同時(shí)獲得全身PET、CT及PET/CT圖像。實(shí)現(xiàn)了PET（功能）與CT（形態(tài)）圖像同機(jī)融合舉例：衛(wèi)星云圖與地圖（一）PET/CT的結(jié)構(gòu)及功能

由PET和多排螺旋CT組合而成同一個(gè)機(jī)架內(nèi)有PET探測器、CT探測器和X線球管共用同一個(gè)掃描床、圖像采集和圖像處理工作站可以采用X線CT圖像對PET圖像進(jìn)行衰減校正PET/CT是一個(gè)全新的系統(tǒng)PET影像（功能）CT影像（形態(tài)）一體化的機(jī)架系統(tǒng)一體化的檢查床一體化的操作工作站系統(tǒng)1+1>2不是簡單的“PET+CT”PET/CT圖CT掃描&PET掃描PET采集，發(fā)射掃描與前面所述的PET圖像采集相同采用棒源進(jìn)行的透射掃描可由X線CT掃描代替CT掃描：通常先進(jìn)行CT掃描CT掃描的目的：衰減校正、解剖定位、CT診斷僅用于衰減校正和解剖定位，可采用低毫安/秒設(shè)置，減少病人輻射劑量用于CT診斷，建議采用標(biāo)準(zhǔn)毫安/秒設(shè)置，以優(yōu)化CT

掃描的空間分辨率調(diào)節(jié)球管的電流將病人受到的輻射劑量最小化。（二）PET/CT的圖像采集三、圖像融合技術(shù)將解剖形態(tài)圖像和功能代謝圖像融合為一體圖像融合是將不同的醫(yī)學(xué)影像或同一類型的醫(yī)學(xué)影像采用不同方法獲得的圖像進(jìn)行空間匹配或迭合使兩個(gè)或多個(gè)圖像數(shù)據(jù)集融合到一幅圖像上PET/CT融合圖像PET圖像CT圖像ImagefusionCT-PETRadionuclideScintigraphy圖象分析的幾個(gè)有關(guān)概念本底background靶／本底比值放射性分布：濃聚，稀疏，缺損感興趣區(qū)(RegionofInterest,ROI)時(shí)間－放射性曲線(time-activitycurve)CT-PET:

IMAGEFUSIONImagefusion

CT-PET第五節(jié)功能測定儀器甲狀腺功能測定儀甲狀腺功能測定儀腎功能測定儀多功能測定儀

探針腎功能測定儀多功能測定儀

探針第六節(jié)體外樣本測量儀器第六節(jié)體外樣本測量儀器γ免疫計(jì)數(shù)器液體閃爍計(jì)數(shù)器活度計(jì)輻射劑量監(jiān)測儀是專門用于放射性工作場所的劑量監(jiān)測裝置，具有劑量率、累計(jì)劑量測量、超劑量聲光報(bào)警、閾值記憶和多點(diǎn)掃描數(shù)據(jù)管理等功能。

第七節(jié)輻射防護(hù)儀器表面污染檢測儀便攜式劑量儀熱釋光個(gè)人劑量儀一、半導(dǎo)體探測器與SPECT（一）半導(dǎo)體探測器碲鋅鎘（Cadmium-Zinc-Telluride，CZT）:最新研制的半導(dǎo)體探測器探測效率高、能量分辨率好CZT探測器可以直接將

射線轉(zhuǎn)化成電信號探測原理：射線和CZT晶體作用時(shí)晶體內(nèi)部產(chǎn)生帶負(fù)電荷的電子和帶正電荷的空穴對產(chǎn)生的電子和空穴對的數(shù)量和入射光子的量成正比電子和空穴向不同的電極運(yùn)動形成電荷脈沖經(jīng)過前放大變成電壓脈沖經(jīng)過再放大，由后續(xù)電子學(xué)線路處理進(jìn)行圖像重建第八節(jié)核醫(yī)學(xué)儀器研究進(jìn)展（二）心臟專用SPECT探頭是采用半環(huán)狀（180°）排列的CZT半導(dǎo)體探測器心肌斷層顯像時(shí)，探頭無需旋轉(zhuǎn)，避免了運(yùn)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4～8mm提高到2.46mm；能量分辨率由9.5～12％提高到