核医学成像的物理基础及其设备课件

主要内容主要内容n n概述概述n n核医学成像的物理基础核医学成像的物理基础n n核医学成像设备核医学成像设备n n照相机照相机n n单光子发射型计算机体层设备（单光子发射型计算机体层设备（SPECTSPECT）n n正电子发射型计算机体层设备（正电子发射型计算机体层设备（PETPET）主要内容1一、概述一、概述n n核医学成像的过程：核医学成像的过程：n n将放射线药物引入人体形成发射源。将放射线药物引入人体形成发射源。n n用用射线检测装置射线检测装置可以从体外检测体内放射性核素在可以从体外检测体内放射性核素在衰变过程中放出的衰变过程中放出的射线。射线。n n核医学成像的基本条件：核医学成像的基本条件：n n放射性药物（标记化和物）放射性药物（标记化和物）n n核医学成像设备。核医学成像设备。一、概述核医学成像的过程：2n n核医学成像的特点：核医学成像的特点：n n以脏器内外或脏器内各部分之间的以脏器内外或脏器内各部分之间的放射性核数浓度差放射性核数浓度差别别为基础，显示静态或动态图像。为基础，显示静态或动态图像。n n多种动态成像方式。多种动态成像方式。n n放射性核素具有向脏器或病变组织的特异性聚集。放射性核素具有向脏器或病变组织的特异性聚集。总之，既可以进行解剖成像，又可以提供有关脏器与病总之，既可以进行解剖成像，又可以提供有关脏器与病变的功能和分子水平的信息。变的功能和分子水平的信息。核医学成像的特点：3核医学显像的技术特点核医学显像的技术特点放射核素放射核素引入人体引入人体 参与人体参与人体 新陈代谢新陈代谢 特定脏器特定脏器 组织中聚集组织中聚集 放射性活度放射性活度分布的外部测量分布的外部测量 以图像形式显示以图像形式显示 （功能性显像）（功能性显像）半衰期短半衰期短核素数量少核素数量少灵敏度高灵敏度高核医学显像的技术特点放射核素参与人体特定脏器放射性活度以图像4n n1:1:同位素同位素 指具有相同质子数指具有相同质子数(原子序数原子序数)但具有不同中子数的核但具有不同中子数的核数。一般分为两种，一是同位素性质比较稳定（没有放射数。一般分为两种，一是同位素性质比较稳定（没有放射性），一是具有放射性。性），一是具有放射性。n n2:2:衰变衰变 指核素自发的发生结构和能量状态的改变，放射出指核素自发的发生结构和能量状态的改变，放射出、射线并转变成另一种核素的过程。射线并转变成另一种核素的过程。二二二二.核成像的物理基础核成像的物理基础核成像的物理基础核成像的物理基础1:同位素二.核成像的物理基础5射线的产生：射线的产生：射线的产生：射线的产生：原子核衰变产生原子核衰变产生原子核衰变产生原子核衰变产生射线射线射线射线例如：例如：衰变衰变衰变、衰变、衰变、核裂变过程中伴随衰变、核裂变过程中伴随射线的产生射线的产生=+射线射线射线射线6 61.1.1.1.放射性核素成像的物理基础放射性核素成像的物理基础放射性核素成像的物理基础放射性核素成像的物理基础例如：=+射线61.放射性核素成像的物理基础6核衰变核衰变n n核衰变主要由以下几种核衰变主要由以下几种n n 衰变衰变 反应式：反应式：射线由射线由粒子构成粒子构成,粒子实际上是氦原子核粒子实际上是氦原子核Y Y为子核为子核,Q,Q表示衰变时从核内放出的能量表示衰变时从核内放出的能量-衰变能衰变能n n 衰变衰变 反应式：反应式：粒子实际上是电子，这种衰变是由于放射性核素中有一个中子粒子实际上是电子，这种衰变是由于放射性核素中有一个中子变为质子的结果：变为质子的结果：（中子）（中子）（质质子）子）（中微子）（中微子）（能量）（能量）核衰变核衰变主要由以下几种（中子）（质子）（中微子）（能量）7 核衰变核衰变n n 衰变衰变 当原子核中有一个质子转变为中子时，放射出一个正当原子核中有一个质子转变为中子时，放射出一个正电子电子 反应式：反应式：n n 衰变衰变 原子核由高能态向低能态跃迁时，释放出原子核由高能态向低能态跃迁时，释放出光子的现象。光子的现象。射线的波长和能量根据放射性元素的种类而定。射线的波长和能量根据放射性元素的种类而定。n n性质：性质：同同X XRayRay一致，但是二者的一致，但是二者的来源不一样来源不一样，X X线是原子核外发射线是原子核外发射出来的射线，而出来的射线，而射线是原子核内发射出来的射线。射线是原子核内发射出来的射线。核衰变 衰变8医学放射性核素的来源医学放射性核素的来源 1.1.反应堆生产放射性核素反应堆生产放射性核素 化学处理后生产出化学处理后生产出医用放射性核素医用放射性核素以以235235U U和和239239PuPu为核为核燃料的反应堆燃料的反应堆(n,f)(n,f)裂变反应裂变反应 裂变过程中产裂变过程中产生的中子生的中子(n)(n)来来轰击靶物轰击靶物 (n,(n,)、(n,p)(n,p)、(n,(n,)、(n,2n)(n,2n)等等核反应核反应 丰中子核素丰中子核素第二节第二节 原子核的放射性原子核的放射性医学放射性核素的来源 1.反应堆生产放射性核素 化学处理后生92.2.回旋加速器生产医用放射性核素回旋加速器生产医用放射性核素短和超短寿命贫中子核素短和超短寿命贫中子核素回旋加速器加速回旋加速器加速带电粒子带电粒子p p、d d、3 3 HeHe轰击靶物质轰击靶物质产生核素产生核素化学分离化学分离高纯度的放射性核素高纯度的放射性核素 衰变电子俘获衰变电子俘获 照相机、照相机、SPECTSPECT和和PETPET显像显像医学放射性核素的来源医学放射性核素的来源 2.回旋加速器生产医用放射性核素短和超短寿命贫中子核素回旋加103.3.放射性核素发生器生产医用放射性核素放射性核素发生器生产医用放射性核素 以长半衰期母体核素和短半衰期子体以长半衰期母体核素和短半衰期子体核素的核素的“衰变衰变生长生长”关系为基本原关系为基本原理理“母牛母牛”装装置置最常用最常用9999MMO O 99m99mTcTc发生器发生器医学放射性核素的来源医学放射性核素的来源 3.放射性核素发生器生产医用放射性核素 以长半衰期母体核素和11n n1957195719571957年年年年AngerAngerAngerAnger研制出第一台研制出第一台研制出第一台研制出第一台照相机，称照相机，称照相机，称照相机，称之为之为之为之为 Anger Anger Anger Anger照相机，照相机，照相机，照相机，1963196319631963年在日内瓦原年在日内瓦原年在日内瓦原年在日内瓦原子能和平会议上展出。它克服了逐点扫子能和平会议上展出。它克服了逐点扫子能和平会议上展出。它克服了逐点扫子能和平会议上展出。它克服了逐点扫描打印的不足，使核医学显像走向现代描打印的不足，使核医学显像走向现代描打印的不足，使核医学显像走向现代描打印的不足，使核医学显像走向现代化阶段化阶段化阶段化阶段结构与原理结构与原理结构与原理结构与原理 组成：组成：组成：组成：探头探头探头探头,机架机架机架机架,电子学线路电子学线路电子学线路电子学线路,计算机计算机计算机计算机,显示系统装置显示系统装置显示系统装置显示系统装置 原理：探测到原理：探测到原理：探测到原理：探测到 光子经电子学线路分析形成脉冲信号，经计算机采集光子经电子学线路分析形成脉冲信号，经计算机采集光子经电子学线路分析形成脉冲信号，经计算机采集光子经电子学线路分析形成脉冲信号，经计算机采集,处理处理处理处理,最后以不同灰度或色阶显示二维脏器显影或放射性分布最后以不同灰度或色阶显示二维脏器显影或放射性分布最后以不同灰度或色阶显示二维脏器显影或放射性分布最后以不同灰度或色阶显示二维脏器显影或放射性分布 第三节第三节第三节第三节一、一、相机相机核医学成像设备核医学成像设备1957年Anger研制出第一台照相机，称之为 Anger12核医学成像的物理基础及其设备课件13 （一）结构与原理（一）结构与原理（一）结构与原理（一）结构与原理 组成：组成：组成：组成：在高性能在高性能在高性能在高性能 相机相机相机相机上增加了支架旋转的机械部分、断层床、上增加了支架旋转的机械部分、断层床、上增加了支架旋转的机械部分、断层床、上增加了支架旋转的机械部分、断层床、图像重建软件图像重建软件图像重建软件图像重建软件 二、二、SPECTSPECTn nDavid KuhlDavid KuhlDavid KuhlDavid Kuhl1959195919591959年用年用年用年用双探头的扫描机进行双探头的扫描机进行双探头的扫描机进行双探头的扫描机进行断层扫描，并进一步断层扫描，并进一步断层扫描，并进一步断层扫描，并进一步研制和完善断层显像研制和完善断层显像研制和完善断层显像研制和完善断层显像仪器，使得仪器，使得仪器，使得仪器，使得SPECTSPECTSPECTSPECT和和和和PETPETPETPET成为核医学显像的成为核医学显像的成为核医学显像的成为核医学显像的主要方法主要方法主要方法主要方法单光子计算机发射断层显像仪单光子计算机发射断层显像仪单光子计算机发射断层显像仪单光子计算机发射断层显像仪single photon emission computed tomographysingle photon emission computed tomography（一）结构与原理 二、SPECTDavid Kuhl1914原理：原理：原理：原理：探头围绕受检对象或部位呈探头围绕受检对象或部位呈探头围绕受检对象或部位呈探头围绕受检对象或部位呈180180180180 和和和和/或或或或360360360360 旋转，旋转，旋转，旋转，从从从从多角度、多方位采集一系列平面投影像，经计算多角度、多方位采集一系列平面投影像，经计算多角度、多方位采集一系列平面投影像，经计算多角度、多方位采集一系列平面投影像，经计算 机图像处理系统重机图像处理系统重机图像处理系统重机图像处理系统重建获建获建获建获 得横断层面、冠状面和得横断层面、冠状面和得横断层面、冠状面和得横断层面、冠状面和 矢状面影像。矢状面影像。矢状面影像。矢状面影像。目前已发展到双探头、三探头，且增加了新的功能。目前已发展到双探头、三探头，且增加了新的功能。目前已发展到双探头、三探头，且增加了新的功能。目前已发展到双探头、三探头，且增加了新的功能。原理：探头围绕受检对象或部位呈180 和/或360旋转，15n n（二）应用（二）应用（二）应用（二）应用 n n 各种脏器动静态断层显像及全身显像各种脏器动静态断层显像及全身显像各种脏器动静态断层显像及全身显像各种脏器动静态断层显像及全身显像n n 为核医学最广泛应用的显像仪器，三级甲等医院必备仪为核医学最广泛应用的显像仪器，三级甲等医院必备仪为核医学最广泛应用的显像仪器，三级甲等医院必备仪为核医学最广泛应用的显像仪器，三级甲等医院必备仪器。器。器。器。（二）应用 16三、三、三、三、PETPETPETPET 发射发射发射发射 +正电子放射性核素在体内经正电子放射性核素在体内经正电子放射性核素在体内经正电子放射性核素在体内经湮灭辐射产生两个能量相湮灭辐射产生两个能量相湮灭辐射产生两个能量相湮灭辐射产生两个能量相同、方向相反的同、方向相反的同、方向相反的同、方向相反的511keV 511keV 511keV 511keV 光子同时入射至互成光子同时入射至互成光子同时入射至互成光子同时入射至互成180180180180 环绕人体的多环绕人体的多环绕人体的多环绕人体的多个探测器而被接收，把这些个探测器而被接收，把这些个探测器而被接收，把这些个探测器而被接收，把这些 光子对按不同的角度分组，可获得放光子对按不同的角度分组，可获得放光子对按不同的角度分组，可获得放光子对按不同的角度分组，可获得放射性核素分布在各个角度的投影。常用发射正电子核素主要有：射性核素分布在各个角度的投影。常用发射正电子核素主要有：射性核素分布在各个角度的投影。常用发射正电子核素主要有：射性核素分布在各个角度的投影。常用发射正电子核素主要有：18181818F F F F、碳、碳、碳、碳 11111111CCCC、氧、氧、氧、氧 15151515OOOO、氮、氮、氮、氮 13131313NNNN、嗅、嗅、嗅、嗅 76767676BrBrBrBr等。等。等。等。511 KeV 511 KeV Gamma Gamma RayRay511 KeV 511 KeV Gamma Gamma RayRay+-D DD D（一）结构与原理（一）结构与原理（一）结构与原理（一）结构与原理 PETPET主要由探测系统包括晶体、电子准直、符合线路和主要由探测系统包括晶体、电子准直、符合线路和主要由探测系统包括晶体、电子准直、符合线路和主要由探测系统包括晶体、电子准直、符合线路和飞行飞行飞行飞行 技术，计算机数据处理系统，图像显示和断层床等组成。技术，计算机数据处理系统，图像显示和断层床等组成。技术，计算机数据处理系统，图像显示和断层床等组成。技术，计算机数据处理系统，图像显示和断层床等组成。正电子发射计算机断层显像仪，正电子发射计算机断层显像仪，正电子发射计算机断层显像仪，正电子发射计算机断层显像仪，positron emission tomographypositron emission tomography三、PET 发射+正电子放射性核素在体内经湮灭辐射17（二）应用（二）应用（二）应用（二）应用 动静态断层显像、定量分析，是肿瘤、神经和动静态断层显像、定量分析，是肿瘤、神经和动静态断层显像、定量分析，是肿瘤、神经和动静态断层显像、定量分析，是肿瘤、神经和心血管疾病诊断与临床医学研究应用的重要设备。心血管疾病诊断与临床医学研究应用的重要设备。心血管疾病诊断与临床医学研究应用的重要设备。心血管疾病诊断与临床医学研究应用的重要设备。目前最先进的目前最先进的目前最先进的目前最先进的PETPET是探头多环型、模块和是探头多环型、模块和是探头多环型、模块和是探头多环型、模块和3D3D结构。结构。结构。结构。探头晶体除外经典锗酸铋（探头晶体除外经典锗酸铋（探头晶体除外经典锗酸铋（探头晶体除外经典锗酸铋（BGOBGO），已推出硅酸镥（），已推出硅酸镥（），已推出硅酸镥（），已推出硅酸镥（LSOLSO）硅酸钆（硅酸钆（硅酸钆（硅酸钆（GSOGSO）和混合型晶体，如）和混合型晶体，如）和混合型晶体，如）和混合型晶体，如LYSOLYSO。近年来，近年来，近年来，近年来，PETPET与与与与CTCT合二为一的显像设备问世，称之合二为一的显像设备问世，称之合二为一的显像设备问世，称之合二为一的显像设备问世，称之PET/CTPET/CT（二）应用目前最先进的PET是探头多环型、模块和3D结构。18符合线路符合线路符合线路符合线路PETPET方法方法方法方法放射源技术（铯放射源技术（铯放射源技术（铯放射源技术（铯 137137CsCs、钡、钡、钡、钡 133133BaBa）X-CT X-CT 技术技术技术技术 X-CT X-CT 技术可进行同机解剖结构与功能代谢图像融合，技术可进行同机解剖结构与功能代谢图像融合，技术可进行同机解剖结构与功能代谢图像融合，技术可进行同机解剖结构与功能代谢图像融合，（fusion imagingfusion imaging）对病灶可做出精确定位诊断。）对病灶可做出精确定位诊断。）对病灶可做出精确定位诊断。）对病灶可做出精确定位诊断。图像融合图像融合 是指不同图像是指不同图像是指不同图像是指不同图像(SPECT,PET,CT,MRI)(SPECT,PET,CT,MRI)之间的空之间的空之间的空之间的空间配准或结合。利用各种成像方式的特点，为不同的影像提供间配准或结合。利用各种成像方式的特点，为不同的影像提供间配准或结合。利用各种成像方式的特点，为不同的影像提供间配准或结合。利用各种成像方式的特点，为不同的影像提供互补信息，增加图像质量，以期对临床诊断和治疗的定位、观互补信息，增加图像质量，以期对临床诊断和治疗的定位、观互补信息，增加图像质量，以期对临床诊断和治疗的定位、观互补信息，增加图像质量，以期对临床诊断和治疗的定位、观察提供有效的方法。察提供有效的方法。察提供有效的方法。察提供有效的方法。符合线路PET方法19一、一、照相机原理照相机原理 照相机构造原理照相机构造原理1.1.探头探头 射线源射线源探头探头位置信号位置信号能量信号能量信号照相示波器照相示波器准直器准直器电阻矩阵电阻矩阵光电倍增管光电倍增管闪烁体闪烁体XYXYZ Z 射线射线Z Z 信号信号位置位置 信号信号“复眼复眼”一、照相机原理 照相机构造原理1.探头 射线源探头位置20n n闪烁体闪烁体n n光电倍增管光电倍增管n n电阻矩阵电阻矩阵激发荧光激发荧光荧光荧光n n准直器准直器排除干扰成像的排除干扰成像的 射线射线铅制铅制NaI(Tl)NaI(Tl)晶体晶体电脉冲电脉冲增强增强六角形排列六角形排列 每个并接四个电阻每个并接四个电阻输出输出X X-、X X+、Y Y-、Y Y+四组电流四组电流1.1.探头探头一、一、照相机原理照相机原理 闪烁体光电倍增管电阻矩阵激发荧光荧光准直器排除干扰成像的射21第二节第二节 原子核的放射性原子核的放射性一、一、照相机原理照相机原理 1.1.探头探头第二节 原子核的放射性一、照相机原理 1.探头22 相机结构相机结构相机结构相机结构n n相机准直器（相机准直器（CollimatorCollimator）n n闪烁探测器（闪烁探测器（NaINaI晶体）晶体）n n光电倍增管光电倍增管(PMT)(PMT)n n位置电路位置电路n n数据分析计算机数据分析计算机NaI NaI 晶体晶体晶体晶体 光电倍增管光电倍增管光电倍增管光电倍增管准直器孔准直器孔准直器孔准直器孔探头周围铅屏蔽探头周围铅屏蔽探头周围铅屏蔽探头周围铅屏蔽 准直器固准直器固准直器固准直器固定结构定结构定结构定结构相机结构相机准直器（Collimator）NaI 晶体 光23 相机的工作示意图相机的工作示意图相机的工作示意图相机的工作示意图预放器阵列预放器阵列预放器阵列预放器阵列位置变换电路位置变换电路位置变换电路位置变换电路X+X+X-X-Y+Y+Y-Y-A/DA/DA/DA/D行地址行地址列地址列地址计数式计数式计数式计数式图像帧存图像帧存图像帧存图像帧存能量窗口能量窗口能量窗口能量窗口E E读写控制读写控制读写控制读写控制处理和显示处理和显示处理和显示处理和显示 照相机照相机照相机照相机相机的工作示意图预放器阵列位置变换电路X+X-Y+Y-A/24相机准直器相机准直器相机准直器相机准直器n n准直器准直器n n 由铅或铅钨合金从中央打孔或者是四周合拢形成的装置，放于病由铅或铅钨合金从中央打孔或者是四周合拢形成的装置，放于病人与晶体之间。人与晶体之间。n n 保证保证照相机的分辨率和定位的准确照相机的分辨率和定位的准确 相机准直器准直器25准直器准直器(collimator)(collimator)仅局限于某一空间单元的射线能进入闪烁计数器，其他区域仅局限于某一空间单元的射线能进入闪烁计数器，其他区域射线不得进入，排除干扰成像的射线射线不得进入，排除干扰成像的射线,建立放射性核素与图像的空建立放射性核素与图像的空间对应关系。间对应关系。准直器的作用准直器的作用 准直器(collimator)仅局限于某一空26视野视野(FOV)(FOV)射线在准直器的作用下直接射入晶体的区域射线在准直器的作用下直接射入晶体的区域视野以外射线不能到达的区域视野以外射线不能到达的区域屏蔽区屏蔽区准直器的作用准直器的作用 视野(FOV)射线在准直器的作用下直接射入晶体的区域视野以外27准直器准直器准直器准直器n n作用：滤除非规定范围和非规定方向的作用：滤除非规定范围和非规定方向的射线。射线。n n准直器类型：准直器类型：(1)(1)、针孔形、针孔形(2)(2)、平行孔形、平行孔形(3)(3)、扩散型、扩散型(4)(4)、会聚型、会聚型准直器作用：滤除非规定范围和非规定方向的射线。(1)、针孔28核医学成像的物理基础及其设备课件29 晶体晶体 NaINaI（TlTl）掺铊碘化钠。）掺铊碘化钠。作用是把经准直器进入的射线能量转换成荧光光子。作用是把经准直器进入的射线能量转换成荧光光子。TlTl元素在这里仍作激活剂用，减少信号失真，增加探测效率。元素在这里仍作激活剂用，减少信号失真，增加探测效率。闪烁晶体闪烁晶体闪烁晶体闪烁晶体 n n由于光电效应和与晶体内碘化物的离子的康普顿散射，由于光电效应和与晶体内碘化物的离子的康普顿散射，光子与探测光子与探测器互相作用。这种相互作用导致电子释放而继续与晶体的网格相互作器互相作用。这种相互作用导致电子释放而继续与晶体的网格相互作用产生光。这种过程称为闪烁。用产生光。这种过程称为闪烁。晶体闪烁晶体 由于光电效应和与晶体内碘30闪烁晶体闪烁晶体闪烁晶体闪烁晶体n n理想的闪烁晶体理想的闪烁晶体 要求：要求：（1 1）对入射的）对入射的 光子有较高的俘获效率光子有较高的俘获效率 （2 2）与入射光子相互作用后的发光率高，发光持续时间较短）与入射光子相互作用后的发光率高，发光持续时间较短 （3 3）材料要有良好的光学性能，对荧光的传播呈透明而且折射率小）材料要有良好的光学性能，对荧光的传播呈透明而且折射率小等等闪烁晶体理想的闪烁晶体 要求：31光电倍增管光电倍增管光电倍增管光电倍增管(PMT)(PMT)(PMT)(PMT)n n每每7 7到到1010个光子入射到光电阴极上，就会产生一个电子。个光子入射到光电阴极上，就会产生一个电子。从阴极来的电子聚焦到倍增管电极上被吸收后会放出更多从阴极来的电子聚焦到倍增管电极上被吸收后会放出更多的电子（一般是的电子（一般是6 6到到1010个）。这些电子再聚焦到下一个倍个）。这些电子再聚焦到下一个倍增管电极上，这个过程在倍增管电极阵列上不断重复。增管电极上，这个过程在倍增管电极阵列上不断重复。光电倍增管(PMT)每7到10个光子入射到光电阴极上，就会产32光电倍增管的排列方式光电倍增管的排列方式每一个边排列每一个边排列每一个边排列每一个边排列3 3 3 3个，总共个，总共个，总共个，总共19191919个个个个 每一个边排列每一个边排列每一个边排列每一个边排列4 4 4 4个，总共个，总共个，总共个，总共37373737个个个个 每一个边排列每一个边排列每一个边排列每一个边排列5 5 5 5个，总共个，总共个，总共个，总共61616161个个个个 每一个边排列每一个边排列每一个边排列每一个边排列6 6 6 6个，总共个，总共个，总共个，总共91919191个个个个 每一个边排列每一个边排列每一个边排列每一个边排列7 7 7 7个，总共个，总共个，总共个，总共127127127127个个个个光电倍增管光电倍增管 为数众多的光电倍增管均匀地排列在晶体的后面，紧贴着晶体。为数众多的光电倍增管均匀地排列在晶体的后面，紧贴着晶体。数量多少与定位的准确性有关。数量多少与定位的准确性有关。光电倍增管的排列方式每一个边排列3个，总共19个 光电倍增管33权电阻网络权电阻网络n n权电阻网络紧跟在光电倍增管阵列后面并在求和矩阵电路权电阻网络紧跟在光电倍增管阵列后面并在求和矩阵电路(SMC)(SMC)中接收来自倍增管的电流脉冲。这使得位置电路能中接收来自倍增管的电流脉冲。这使得位置电路能够决定闪烁事件在探测晶体的何处发生。够决定闪烁事件在探测晶体的何处发生。n n位置计算位置计算 权电阻网络权电阻网络紧跟在光电倍增管阵列后面并在求和矩阵电路34权电阻网络权电阻网络权电阻网络权电阻网络权电阻网络35 这一位置相关信号经这一位置相关信号经“位置计算电路位置计算电路”进一步处理后就可以较准确地给出闪烁点的坐进一步处理后就可以较准确地给出闪烁点的坐标。最后，标。最后，能量信号与位置坐标信号组合起来能量信号与位置坐标信号组合起来在监视器上显示，就形成了完整的核医学图像。在监视器上显示，就形成了完整的核医学图像。这一位置相关信号经“位置计算电路”进一36脉冲高度分析器与显示装置脉冲高度分析器与显示装置脉冲高度分析器与显示装置脉冲高度分析器与显示装置n n为了减少折射光子对图象效果的影响，设计了脉冲高度分为了减少折射光子对图象效果的影响，设计了脉冲高度分析器，通过设定上下限阈值，将高于上限阈值和下限阈值析器，通过设定上下限阈值，将高于上限阈值和下限阈值的光子能量排除在外。的光子能量排除在外。有选择性地记录从晶体和光电倍增管输送来的电脉冲信号。有选择性地记录从晶体和光电倍增管输送来的电脉冲信号。排除本底及其他干扰信号。排除本底及其他干扰信号。脉冲高度分析器与显示装置为了减少折射光子对图象效果的影响，设37三、脉冲幅度分析器三、脉冲幅度分析器 时间时间阈值阈值计数率计数率计数率密度计数率密度脉冲幅度脉冲幅度脉冲幅度甄别器原理脉冲幅度甄别器原理 三、脉冲幅度分析器 时间阈值计数率计数率密度脉冲幅度脉冲幅度382.2.单道脉冲幅度分析器单道脉冲幅度分析器3.3.多道脉冲幅度分析器多道脉冲幅度分析器 直接测出幅度在直接测出幅度在V V V V+V V之间脉冲计数之间脉冲计数两个甄别器两个甄别器差值差值 V V叫道宽。叫道宽。下限甄别器甄别阈值下限甄别器甄别阈值V V上限甄别器阈值上限甄别器阈值V V+V V多个脉冲分析器多个脉冲分析器 一次测量得出一个单道脉冲一次测量得出一个单道脉冲 幅度分析器多次测量的结果幅度分析器多次测量的结果三、脉冲幅度分析器三、脉冲幅度分析器 2.单道脉冲幅度分析器3.多道脉冲幅度分析器 直接测出幅度在39核医学成像核医学成像 n n概念：概念：概念：概念：是一种以脏器内外或脏器正常组织与病变组织之间的放射性浓是一种以脏器内外或脏器正常组织与病变组织之间的放射性浓度差别为基础的脏器或病变组织的显像方法。度差别为基础的脏器或病变组织的显像方法。核医学成像的过程和基本条件：核医学成像的过程和基本条件：核医学成像的过程和基本条件：核医学成像的过程和基本条件：(1)(1)、先把某种放射性同位素标记在药物上，形成放射性药物并引、先把某种放射性同位素标记在药物上，形成放射性药物并引人人体内，当它被人体的脏器和组织吸收后，就在体内形成了辐射源。人人体内，当它被人体的脏器和组织吸收后，就在体内形成了辐射源。(2)(2)、用、用射线检测装置可以从体外检测体内放射性核素在衰变过射线检测装置可以从体外检测体内放射性核素在衰变过程中放出的程中放出的射线，从而构成放射性同位素在体内分布密度的图像。射线，从而构成放射性同位素在体内分布密度的图像。由于放射性药物与一般天然元素或其他化合物一样，能够正常地参由于放射性药物与一般天然元素或其他化合物一样，能够正常地参与机体的物质代谢，因此与机体的物质代谢，因此核医学成像的图像不仅反映了脏器和机体组核医学成像的图像不仅反映了脏器和机体组织的形态，更重要的是提供了有关脏器功能及相关的生理、生化信息。织的形态，更重要的是提供了有关脏器功能及相关的生理、生化信息。核医学成像 概念：是一种以脏器内外或脏器正常组织与病变组织之40核医学成像设备分类核医学成像设备分类n n(一一一一)、相机相机相机相机n n(二二二二)、单光子体层成像设备（、单光子体层成像设备（、单光子体层成像设备（、单光子体层成像设备（SPECTSPECTSPECTSPECT）n n(三三三三)、正电子发射体层成像设备、正电子发射体层成像设备、正电子发射体层成像设备、正电子发射体层成像设备(PET)(PET)(PET)(PET)核医学成像设备分类(一)、相机41单光子发射型计算机体层设备单光子发射型计算机体层设备单光子发射型计算机体层设备单光子发射型计算机体层设备Single Photon Emission Computed TomographySingle Photon Emission Computed Tomographyn n利用引入人体内的利用引入人体内的单光子单光子放射性核素放射性核素发出的发出的 射线，在体外测定其分射线，在体外测定其分布浓度并转化为电信号，在计算机辅助下经过布浓度并转化为电信号，在计算机辅助下经过重建影像重建影像，从而得到体，从而得到体层图像。层图像。什么是单什么是单光子？光子？单光子发射型计算机体层设备Single Photon Em42（1 1）SPECTSPECTn nSPECTSPECT实际上就是一个探头可以围绕病人某一脏器进行实际上就是一个探头可以围绕病人某一脏器进行实际上就是一个探头可以围绕病人某一脏器进行实际上就是一个探头可以围绕病人某一脏器进行360360旋转的旋转的旋转的旋转的 相机，在旋转时每隔一定角度（通常是相机，在旋转时每隔一定角度（通常是相机，在旋转时每隔一定角度（通常是相机，在旋转时每隔一定角度（通常是5.65.6或或或或66）采集一帧图片，然后经电子计算机自动处理，将图像）采集一帧图片，然后经电子计算机自动处理，将图像）采集一帧图片，然后经电子计算机自动处理，将图像）采集一帧图片，然后经电子计算机自动处理，将图像叠加，并重建为该脏器的横断面、冠状面、矢状面或任何叠加，并重建为该脏器的横断面、冠状面、矢状面或任何叠加，并重建为该脏器的横断面、冠状面、矢状面或任何叠加，并重建为该脏器的横断面、冠状面、矢状面或任何需要的不同方位的断层、切面图像。需要的不同方位的断层、切面图像。需要的不同方位的断层、切面图像。需要的不同方位的断层、切面图像。n n近年来为提高诊断的灵敏度、分辨率和正确性，同时缩短近年来为提高诊断的灵敏度、分辨率和正确性，同时缩短近年来为提高诊断的灵敏度、分辨率和正确性，同时缩短近年来为提高诊断的灵敏度、分辨率和正确性，同时缩短采集时间，双探头的采集时间，双探头的采集时间，双探头的采集时间，双探头的SPECTSPECT也相继应用于临床中。也相继应用于临床中。也相继应用于临床中。也相继应用于临床中。SPECTSPECT同时也具有一般同时也具有一般同时也具有一般同时也具有一般 相机的功能，可以进行脏器的平相机的功能，可以进行脏器的平相机的功能，可以进行脏器的平相机的功能，可以进行脏器的平面和动态（功能）显像。面和动态（功能）显像。面和动态（功能）显像。面和动态（功能）显像。单光子体层成像设备（单光子体层成像设备（单光子体层成像设备（单光子体层成像设备（SPECTSPECTSPECTSPECT）（1）SPECT单光子体层成像设备（SPECT）43SPECTSPECT的原理的原理SPECT的原理44GEGE公司生产的公司生产的SPECTSPECT设备及结构设备及结构GE公司生产的SPECT设备及结构45SPECTSPECTSPECTSPECT的原理的原理的原理的原理n nSPECTSPECT检测通过放射性原子（称为放射性核，如检测通过放射性原子（称为放射性核，如TC-TC-99999999m m、TI-TI-201201201201）发射的单发射的单射线。放射性核附上的放射性药物可能是一种蛋白质或射线。放射性核附上的放射性药物可能是一种蛋白质或是有机分子，选择的标准是它们的用途或在人体中的吸收特性。比是有机分子，选择的标准是它们的用途或在人体中的吸收特性。比如，能聚集在心肌的放射性药物就用于心脏如，能聚集在心肌的放射性药物就用于心脏SPECTSPECT成像。这些能吸收成像。这些能吸收一定量放射性药物的器官会在图像中呈现亮块。如果有异常的吸收一定量放射性药物的器官会在图像中呈现亮块。如果有异常的吸收状况就会导致异常的状况就会导致异常的偏亮或偏暗偏亮或偏暗，表明可能处于有病的状态。，表明可能处于有病的状态。SPECT的原理SPECT检测通过放射性原子（称为放射性核，46SPECTSPECTSPECTSPECT成像方法成像方法成像方法成像方法n n一个探头可以围绕病人某一脏器进行一个探头可以围绕病人某一脏器进行360360旋转的旋转的相机，在旋转时相机，在旋转时每隔一定角度（每隔一定角度（33或或66）采集一帧图片）采集一帧图片n n经电子计算机自动处理，将图像叠加，利用滤波反投影（经电子计算机自动处理，将图像叠加，利用滤波反投影（FBPFBP）方法，）方法，可以从一系列投影像重建横向断层影像。由横向断层影像的三维信息可以从一系列投影像重建横向断层影像。由横向断层影像的三维信息再经影像重新组合可以得到矢状、冠状断层和任意斜位方向的断层影再经影像重新组合可以得到矢状、冠状断层和任意斜位方向的断层影像。像。SPECT成像方法一个探头可以围绕病人某一脏器进行360旋47相机和相机和相机和相机和SPECTSPECTSPECTSPECT设备的对比：设备的对比：设备的对比：设备的对比：n n相机所提供的图像是放射性药物在三维人体组织中分布相机所提供的图像是放射性药物在三维人体组织中分布情况的二维投影图像，其中不足的是前后组织的放射性分情况的二维投影图像，其中不足的是前后组织的放射性分布重叠。布重叠。SPECTSPECT利用从体外不同角度检测采集到的二维图利用从体外不同角度检测采集到的二维图像数据，经计算机处理后重建图像。像数据，经计算机处理后重建图像。SPECTSPECT图像首先是消图像首先是消除了复杂结构的重叠，给出了一个体层或多个体层的定向除了复杂结构的重叠，给出了一个体层或多个体层的定向图像，该图像表示出生理放射性同位素示踪的三维分布。图像，该图像表示出生理放射性同位素示踪的三维分布。相机和SPECT设备的对比：相机所提供的图像是放射性药48SPECT SPECT 成像方法成像方法n n数据采集数据采集 照相机探头照相机探头步进式步进式 2 2 99 静止采集静止采集旋转式旋转式360360 运动采集运动采集n n选层选层位置电路确定位置电路确定层厚任选层厚任选数据采集后选定数据采集后选定SPECTSPECT单光子发射型计算机断层原理单光子发射型计算机断层原理 SPECT 成像方法数据采集照相机探头步进式2 9 49SPECTSPECTSPECTSPECT成像基本步骤成像基本步骤成像基本步骤成像基本步骤n n用短半衰期核素用短半衰期核素Tc-99mTc-99m等标记某些特殊化合物经静脉注入人体等标记某些特殊化合物经静脉注入人体n n探测聚集于人体一定器官、组织内，标记于化合物上的探测聚集于人体一定器官、组织内，标记于化合物上的Tc-99mTc-99m衰变所衰变所发出的发出的射线射线n n将将射线转化为电信号并输入计算机，经计算机断层重建为反映人体射线转化为电信号并输入计算机，经计算机断层重建为反映人体某一器官生理状况的断面或三维图像某一器官生理状况的断面或三维图像SPECT成像基本步骤用短半衰期核素Tc-99m等标记某些特50 SPECTSPECT的突出优点是：的突出优点是：它在比普通的它在比普通的照相机照相机没有增加许多成本的情况下没有增加许多成本的情况下获得了真正的人体断面获得了真正的人体断面图像，实际上它还可以作多层面的三维成像，图像，实际上它还可以作多层面的三维成像，这对这对肿瘤及其他一些疾病的诊断是很有用的。肿瘤及其他一些疾病的诊断是很有用的。SPECT的突出优点是：它在比普通的51PETPETPETPET的物理基础的物理基础的物理基础的物理基础正电子发射型计算机体层设备正电子发射型计算机体层设备正电子发射型计算机体层设备正电子发射型计算机体层设备n n 正电子放射性核素通常为富质子的核素，它们衰变时会发射正电正电子放射性核素通常为富质子的核素，它们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：子。原子核中的质子释放正电子和中微子并衰变为中子：n n P P P P n+n+n+n+n n其中其中P P P P为质子，为质子，n n n n为中子，为中子，为正电子，为正电子，为中微子。为中微子。n n 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（反。通常正电子（）衰变都发生于人工放射性核素。）衰变都发生于人工放射性核素。PET的物理基础正电子发射型计算机体层设备52正电子湮灭正电子湮灭正电子湮灭正电子湮灭n n正电子湮灭前在人体组织内行进正电子湮灭前在人体组织内行进1-3mm1-3mmn n湮灭作用产生湮灭作用产生:n n能量（光子是能量（光子是511KeV511KeV）n n动量动量n n同时产生互成同时产生互成180180度的度的511 keV511 keV的的伽玛光子。伽玛光子。正电子湮灭正电子湮灭前在人体组织内行进1-3mm53正电子湮灭正电子湮灭正电子湮灭正电子湮灭正电子湮灭54PET的演变19641964年环状头部年环状头部PETPET20012001年年GE DISCOVERYGE DISCOVERYLSLSPET的演变55正电子成像的基本原理：正电子成像的基本原理：正电子成像的基本原理：正电子成像的基本原理：n n1 1、用质子、氘核或氦核在回旋加速器中轰击稳定元素的核，所用的、用质子、氘核或氦核在回旋加速器中轰击稳定元素的核，所用的发射正电子的核素，如等发射正电子的核素，如等(其中其中C C、N N、O O是人体组织的基本元素是人体组织的基本元素)，是，是易于标记各种生命必需的化合物及其代谢产物，而不会改变它们的生易于标记各种生命必需的化合物及其代谢产物，而不会改变它们的生命活性的物质。命活性的物质。n n2 2、将这些核素的标记物引入到要研究的人体部位和器官，它们在空、将这些核素的标记物引入到要研究的人体部位和器官，它们在空间的分布反映人体和器官的机能和代谢状态。间的分布反映人体和器官的机能和代谢状态。n n3 3、放射性核素发生衰变，并发射一个正电子，正电子所带能量的大、放射性核素发生衰变，并发射一个正电子，正电子所带能量的大小决定了正电子在组织中消失的射程。正电子在组织中运动很短的距小决定了正电子在组织中消失的射程。正电子在组织中运动很短的距离离(几毫米几毫米)，就会与组织中的电子结合而发生湮灭，转换成一对向相，就会与组织中的电子结合而发生湮灭，转换成一对向相反方向射出、能量为反方向射出、能量为511keV511keV的的光子。光子。正电子成像的基本原理：1、用质子、氘核或氦核在回旋加速器中56n n4 4、由于正电子只能瞬态存在，不能直接测量，只能通过测量湮灭辐、由于正电子只能瞬态存在，不能直接测量，只能通过测量湮灭辐射的射的光子来检测正电子的存在。由安装在人体周围的旋转检测器、光子来检测正电子的存在。由安装在人体周围的旋转检测器、环型检测器以及多边形检测器阵列，收集到所有视角上的可以检测到环型检测器以及多边形检测器阵列，收集到所有视角上的可以检测到的数据，并应用符合检测电路将各个角度检测的投影数据组合起来，的数据，并应用符合检测电路将各个角度检测的投影数据组合起来，就可以用常规的图像重建算法做出截面图像。最终图像上的密度就可以用常规的图像重建算法做出截面图像。最终图像上的密度(包包括数据修正括数据修正)反映了组织中正电子核素的浓度，如果放射性核素在人反映了组织中正电子核素的浓度，如果放射性核素在人体中的运动学已知，即可构造出示踪迹的运动模型。体中的运动学已知，即可构造出示踪迹的运动模型。4、由于正电子只能瞬态存在，不能直接测量，只能通过测量湮灭辐57常用显影剂常用显影剂-18FDG常用显影剂-18FDG58核医学成像的物理基础及其设备课件59核医学成像的物理基础及其设备课件60一、正电子发射型计算机断层原理一、正电子发射型计算机断层原理 1.1.采用具有自准直符合计数方法采用具有自准直符合计数方法 衰变区域两侧放置两个光子探测器衰变区域两侧放置两个光子探测器两探测器同时两探测器同时(10(10-8-8s s内内)接收接收 光子光子符合电路给出一个计数符合电路给出一个计数湮灭辐射产生的双光子同一直线上反方向飞行湮灭辐射产生的双光子同一直线上反方向飞行一、正电子发射型计算机断层原理 1.采用具有自准直符合计数方611.1.采用具有自准直符合计数方法采用具有自准直符合计数方法一、正电子发射型计算机断层原理一、正电子发射型计算机断层原理 1.采用具有自准直符合计数方法一、正电子发射型计算机断层原理623.PET3.PET的检测系统的检测系统一、正电子发射型计算机断层原理一、正电子发射型计算机断层原理 3.PET的检测系统一、正电子发射型计算机断层原理 63正电子成像的基本原理正电子成像的基本原理正电子成像的基本原理正电子成像的基本原理n n正电子放射性核素是易于标记各种生命必需的化合物及其代谢产物，正电子放射性核素是易于标记各种生命必需的化合物及其代谢产物，如：如：n n引入人体的放射性核素参与人体代谢引入人体的放射性核素参与人体代谢，反映了人体组织器官的机能和，反映了人体组织器官的机能和代谢状态。代谢状态。n n正电子与人体组织的电子相结合而湮灭正电子与人体组织的电子相结合而湮灭，转换成一对方向相反、能量，转换成一对方向相反、能量为为511Kev511Kev的的光子。光子。n n从各个角度收集从各个角度收集光子，进行图像重建。光子，进行图像重建。正电子成像的基本原理正电子放射性核素是易于标记各种生命必需的64n n临床应用的正电子放射核数：临床应用的正电子放射核数：n n使用使用回旋加速器回旋加速器生产；生产；n n常用：常用：，半衰期短。，半衰期短。临床应用的正电子放射核数：65湮灭符合探测装置湮灭符合探测装置符合事件符合事件符合事件符合事件测定区测定区测定区测定区湮灭符合探测装置符合事件测定区66PETPETPETPET的电子准直的电子准直的电子准直的电子准直n n湮灭湮灭光子对只有在两个互成光子对只有在两个互成180180度的探测器的度的探测器的FOVFOV立体角内才能被探立体角内才能被探测。测。n n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时间的方法称电子准直。电子准直。PET的电子准直湮灭光子对只有在两个互成180度的探测器的67PETPET的结构的结构PET的结构68PETPETPETPET的数据采集的数据采集的数据采集的数据采集n n正电子湮灭作用产生的湮灭正电子湮灭作用产生的湮灭光子同时击中探测器环上对光子同时击中探测器环上对称位置上的两个探测器。称位置上的两个探测器。n n每个探测器接收到每个探测器接收到光子后产生一个定时脉冲，这些定时光子后产生一个定时脉冲，这些定时脉冲分别输入符合线路进行符合甄别，挑选真符合事件脉冲分别输入符合线路进行符合甄别，挑选真符合事件n n符合线路设置了一个时间常数很小的时间窗（通常符合线路设置了一个时间常数很小的时间窗（通常15ns15ns15ns15ns），同时落入时间窗的定时脉冲被认为是同一个正电子湮），同时落入时间窗的定时脉冲被认为是同一个正电子湮灭事件中产生的灭事件中产生的光子对，从而被符合电路记录。时间窗光子对，从而被符合电路记录。时间窗排除了很多散射光子的进入。排除了很多散射光子的进入。PET的数据采集正电子湮灭作用产生的湮灭光子同时击中探测器69符合探测原理符合探测原理符合探测原理符合探测原理n n符合探测技术能在符合电路的时间分辨范围内，检测同时符合探测技术能在符合电路的时间分辨范围内，检测同时发生的放射性事件。发生的放射性事件。n n利用符合探测技术可以进行正电子放射性核素示踪成像。利用符合探测技术可以进行正电子放射性核素示踪成像。n n使用符合探测技术，起到电子准直作用，大大减少随机符使用符合探测技术，起到电子准直作用，大大减少随机符合事件和本底的同时提高了探测灵敏度。合事件和本底的同时提高了探测灵敏度。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70n n 正电子穿过人体组织时主要是通过与电子产生的库仑作正电子穿过人体组织时主要是通过与电子产生的库仑作用损耗其动能。用损耗其动能。n n 正电子的静止质量与电子相同，每次库仑作用后正电子正电子的静止质量与电子相同，每次库仑作用后正电子都可能产生一个较大的方向变化，因此会在人体组织内沿都可能产生一个较大的方向变化，因此会在人体组织内沿着曲折的路径损耗其动能。着曲折的路径损耗其动能。n n 湮灭作用过程中粒子的动量的变化会导致湮灭作用过程中粒子的动量的变化会导致511keV511keV511keV511keV光子在光子在探测野中产生约探测野中产生约4 4弧度的不确定性偏离。弧度的不确定性偏离。n n n n 这一微小偏差，以及正电子发射位置与湮灭辐射的发生这一微小偏差，以及正电子发射位置与湮灭辐射的发生点之间存在微小间距，使点之间存在微小间距，使PETPETPETPET的的触发总有一定时间差异触发总有一定时间差异。n n 71核医学成像的物理基础及其设备课件72真符合、随机符合和散射符合真符合、随机符合和散射符合真符合、随机符合和散射符合真符合、随机符合和散射符合n n 符合线路是探测同时发生的闪烁事件。符合线路是探测同时发生的闪烁事件。n n 两个探测器的触发总有一定时间差异，这时间差异称为符合线路的两个探测器的触发总有一定时间差异，这时间差异称为符合线路的分辨时间。分辨时间。n n 在分辨时间内进入两个探测器的不同位置的在分辨时间内进入两个探测器的不同位置的 光子也会被记录下来。光子也会被记录下来。这种不是由湮灭作用产生的符合称为随机符合。这种不是由湮灭作用产生的符合称为随机符合。n n 光子在飞行过程中还会产生康普顿散射，光子在飞行过程中还会产生康普顿散射，光子与吸收物质的一个光子与吸收物质的一个电子作用，改变了电子动能的同时使电子作用，改变了电子动能的同时使 光子改变飞行方向，这样就有光子改变飞行方向，这样就有可能与其它飞行的可能与其它飞行的 光子同时进入两个相对的探测器，并发生符合探光子同时进入两个相对的探测器，并发生符合探测。这种符合测。这种符合n n称为散射符合称为散射符合真符合、随机符合和散射符合73符合探测原理符合探测原理符合探测原理符合探测原理符合探测原理74PETPET的电子准直的电子准直PET的电子准直75PETPETPETPET的电子准直的电子准直的电子准直的电子准直n n湮灭湮灭光子对只有在两个互成光子对只有在两个互成180180 的探测器的的探测器的FOVFOV立体角内才能立体角内才能被探测。被探测。n n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。位置和时间的方法称电子准直。PET的电子准直76PET-CT缺点 n nPETPET系统复杂，价格昂贵，且运行和维修成本都系统复杂，价格昂贵，且运行和维修成本都很高。很高。n n由于正电子同位素的半衰期很短，有的只有几十由于正电子同位素的半衰期很短，有的只有几十分钟甚至十几分钟，往往来不及运输，所以必须分钟甚至十几分钟，往往来不及运输，所以必须就地建造加速器和快速制造这些短半衰期标记的就地建造加速器和快速制造这些短半衰期标记的药品的实验室。药品的实验室。n n目前主要存在的问题是敏感性高，特异性不足，目前主要存在的问题是敏感性高，特异性不足，存在假阳性和假阴性，我们正在积极开发新药物，存在假阳性和假阴性，我们正在积极开发新药物，将更准确地为临床服务。将更准确地为临床服务。PET-CT缺点 PET系统复杂，价格昂贵，且运行和维修成本77CTCT与与PETPET比较比较CT与PET比较78正电子发射断层成像（正电子发射断层成像（PETPET）设备与应用）设备与应用PETPET与与与与CTCT、MRIMRI的比较的比较的比较的比较 PETPET主要测量体内化学变化及新陈代谢，而主要测量体内化学变化及新陈代谢，而主要测量体内化学变化及新陈代谢，而主要测量体内化学变化及新陈代谢，而CTC