医学成像及处理技术　教学课件 ppt 作者 章新友 5第5章 医学核素成像技术

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1、第五章 医学核素成像技术,医学成像及处理技术,高等学校计算机基础教育课程“十二五”规划教材 2011.3,本章目录,5.1 医学核素成像概述 5.2 核素发生器与准直器 5.3 照相机 5.4 发射型计算机断层 本章小结 思考与练习,教学目标,通过本章的学习，要求掌握核素显像的基本概念和基础知识，熟悉核素显像（SPECT和PET）的基本原理及成像方法，并了解该技术目前的应用状况及发展趋势。,教学重点和难点,放射性核素显像的技术特点、核素示踪的基本根据和优越性、放射性制剂 放射性衰变规律、放射性活度、递次衰变、放射平衡、放射性核素发生器基本原理、准直器的作用及准直器的技术参数 照相机原理、单光子

2、发射型计算机断层原理、正电子发射型计算机断层原理,5.1 医学核素成像概述,放射性核素成像（radio nuclide imaging，RNI）又称核医学成像系统，它是一种利用放射性核素示踪方法显示人体内部结构的医学影像技术。放射性核素显像主要是功能性显像，可以进行功能性的量化测量。由于体内不同组织和器官对某些化合物具有选择吸收的特点，故选用不同的放射性核素制成的标记化合物注入体内后，可以使体内各部位按吸收程度进行放射性核素的分布，再根据核素衰变放射出射线的特性，在体外用探测器进行跟踪，就可以间接获得被研究物质在生物体内的动态变化图像。,5.1.1 原子核基本性质,1原子核的组成 原子核由质子

3、和中子组成，质子和中子统称为核子(nucleon)。 质量数 :质子数和中子数的和 原子核（或原子）的表示： 其中 表示核所属元素的符号,5.1.1 原子核基本性质,2原子核的质量 原子核的质量常用统一的原子质量单位u来表示。,3核素 质子数和中子数相同且能量状态也相同的一类原子核称为一种核素(nuclide)。质子数相同而中子数不同的核素称为同位素（isotope）。,5.1.1 原子核基本性质,4原子核的半径 测量结果表明，原子核半径与核质量数近似地有如下关系： 式中 为常量，通常取 。 原子核的平均密度 ：,5.1.1 原子核基本性质,5核力 核力是一种短程力 核力是强相互作用 核力具有

4、饱和性 核力与电荷无关,6原子核的结合能与质量亏损 质量亏损(mass defect) 原子核的结合能(binding energy),5.1.1 原子核基本性质,7原子核的稳定性 比结合能（specific binding energy）： 比结合能曲线,5.1.2 核素的衰变规律,根据原子核的稳定性，可以把核素分为放射性核素和稳定性核素。自然界中天然存在的核素有300多种，其中280多种是稳定核素(stable nuclide)，60多种是不稳定的放射性核素(radioactive nuclide)，它们会自发地放出某种射线变成另一种核素。这种现象称为核衰变(nuclear decay)。

5、,1.核衰变的类型,（1） 衰变 质量数 的放射性核素自发地放射出射线而衰变成另外一种核素的过程称为衰变。所谓射线就是高速运动的氦核 。 衰变的表示式 ：,1.核衰变的类型,（2） 衰变 衰变是放射性原子核放出 粒子而衰变成另外一种核素的过程，是核电荷改变而核子数不变的核衰变。 三种类型： 衰变 ： 衰变： 电子俘获：,1.核衰变的类型,（3） 衰变和内转换 衰变：当原子核发生 、 衰变时，通常衰变到子核的激发态，处于激发态的子核是极不稳定的，它要向低激发态或基态跃迁，同时放出 光子，即产生 衰变。其过程可表示为 内转换：处在激发态的原子核向较低能态或基态跃迁时，不是把激发态能量以 光子的形式

6、辐射出去，而是直接传给核外某一个电子，使它利用该能量脱离原子核的束缚而成为自由电子，这一过程称为内转换。,2.衰变规律,在 时间内发生衰变的原子核数目 一定正比于当时存在的原子核数目 以及时间间隔 ，即 式中 称为衰变常数(decay constant)。 设 时原子核的数目为 ，则对上式积分可得t时刻原子核数目 为： 这就是核衰变服从的指数规律衰变定律。,2.衰变规律,（1）衰变常数 此式表示 是一个放射性核在单位时间内的衰变概率，或者说是单位时间内衰变的核数与当时存在的核数之比。 （2）半衰期 放射性原子核的数目，因衰变而减少为原来的一半时所需要的时间称为半衰期(half life)。,2

7、.衰变规律,（3）平均寿命 平均寿命用表示，它是指原子 核在衰变前存在时间的平均值。,3.放射性活度,单位时间内衰变的原子核数为该放射性样品的放射性活度，用 表示。 式中 ， 是 时刻的放射性活度。 放射性活度的另一种表示式： 在SI单位制中，放射性活度的单位是贝可（Bq），1Bq=1次核衰变秒。射性活度的另一单位是居里（Ci） 。,4.递次衰变,不稳定原子核衰变后生成的子核，如果仍具有放射性，则子核在产生以后，立即按自己的衰变方式和衰变规律进行衰变。如果子核衰变后产生的又一代子核也具有放射性，则这一代子核也要进行衰变，这样就一代一代的衰变下去直到最后生成稳定的核素为止，这就是递次衰变。,4.

8、递次衰变,对于 代递次衰变的情况，若开始时，只有第一代母核 ，则第 代衰变规律为： 式中，,5.放射平衡,在递次衰变中，当满足一定条件时，各代核的数量比，会出现与时间无关的现象，称之为放射平衡。 （1）暂时放射性平衡 如果母核的半衰期只比子核的半衰期大几倍，在这种情况下，子核将按照母核的衰变常数进行衰减，虽然母核和子核的原子核个数都在不断减少，但经过足够长的时间后，母核和子核的原子核数目之比将会保持一个固定的常数，整个衰变系都会达到暂时平衡，这种现象称为暂时放射性平衡。,5.放射平衡,（2）长期放射性平衡 如果母核的半衰期相当长，子核的半衰期又相当短，以至于母核的放射性活度在某一测量时间内可视

9、为常数。在这种情况下，子核的数量将逐渐增加，新生成的子核将按照自己的规律进行衰变，由于每秒衰变数与现有核数成正比，随着时间的积累，当子核每秒衰变的核数等于从母核衰变而得到补充的核数时，子核的核数就不再增加，达到了动态平衡。此时子核的放射性活度与母核的放射性活度相等，此现象称为长期放射性平衡。 （3）不成放射性平衡 若母核半衰期远小于各代子核，经过一定时间后，母核将几乎全部转变为子核。之后，子核将按自己的方式衰变。这就是不成放射性平衡。,5.2 核素发生器与准直器,随着核医学的迅速发展，以及先进的核医学设备的不断出现，对于短半衰期放射性核素的需要越来越多，而放射性核素发生器（radioactio

10、n nuclide generator）在生产这种短寿命的放射性核素方面，有显著的优越性。所以目前在临床核医学上，有着广泛的应用。,5.2.1 核素发生器,放射性核素发生器是一种从较长半衰期的母体核素中分离出由它衰变而来的短半衰期子体核素的装置。根据它的工作原理，每隔一定时间就可以从该装置中分离出可供使用的子体核素，就好像从母牛身上挤奶一样，所以这种装置俗称“母牛”（cow）。,1.放射性核素发生器基本原理,（1）核素发生器中的放射平衡 当发生器母子体系中，母体的半衰期大于子体的半衰期，也就是 时，经过足够长的时间后，母子体核素之间就达到放射性暂时平衡。 当 时， ，此时从母核中分离子核可获得

11、子核的最大放射性活度，这就是 的重要意义。 当 及 时，母子体系会达到长期平衡。当 足够大时，母子体核素的放射性活度近似相等。,1.放射性核素发生器基本原理,（2）子核提取 子体核素的放射性增大到最大值时，可对子核进行提取，即对于暂时平衡是 时刻，对于长期平衡是 时刻。子核提取后，母子核体系又处于不平衡状态，在下一个 或 又可对子核进行提取。所以“母牛”可以多次“挤奶”。“挤奶”总次数（“母牛”的使用期限）取决于母体核素的半衰期和 及 的长短。,2.放射性核素发生器的类型与构造,（1）类型 三种类型:色层发生器、溶剂萃取发生 器和升华发生器。 （2）构造 色层发生器多为柱形，即在一个用玻璃或其

12、他材料制成的管柱中，装入一定量的吸附剂，然后将含母体核素的溶液“装载”于此色层柱中，使其固定在吸附剂上，经过严格的消毒处理后，将此色层柱置于铅防护套中。,5.2.2 准直器,1准直器的作用 准直器（collimator）的作用就是排除对成像起干扰作用的射线。 2准直器的技术参数 （1）灵敏度 准直器的灵敏度通常在均匀平面源的辐照条件下定义：在空气中垂直准直器轴线放置均匀平面源，探测器测得的通过准直器的计数率与平面源单位面积上的放射性活度之比称为平面源探测灵敏度。,5.2.2 准直器,（2）空间分辨力 显像装置能分辨两线源或点源的最小距离的倒数叫装置的空间分辨力简称分辨力。准直器的分辨能力很大程

13、度上决定了装置的分辨力。定量评价分辨力有三种方法：两线源分辨距离R、半峰宽度（full width at half maximum，FWHM）、调制传递函数（modulation transfer function，MTF）。,5.2.2 准直器,两线源分辨距离R 两线源分辨距离的测量方法：将两线源平行放置，用一带有准直器的探测器在垂直线源的方向上逐点探测计数，可获得探测计数与探测位置的一条响应曲线，当两线源相距较远时，曲线有两个峰值，峰值对应线源所在位置，如图（a）。当两线源的距离逐渐变小，其中一个峰曲线的最小值恰好落在另一峰曲线的最大值位置上，根据瑞利判据，此时达到刚好可以分辨的极限，两峰

14、值之间的距离就是两线源分辨距离R，如图（b）。,5.2.2 准直器,半峰宽度FWHM FWHM是在单一线源上获得的。用带有准直器的探测器沿垂直线源方向上逐点计数，获得响应曲线。曲线最大值一半处的曲线宽度就是FWHM，如下图。,5.2.2 准直器,调制传递函数MTF 一般来说，MTF是客观评价成像系统成像质量的指标，其实质就是成像系统将实物对比度转换成图像对比度的传递效果。对于核素显像，可用来比较客观评价核素显像分辨力。,5.3 照相机,照相机是将人体内放射性核素分布快速、一次性显像的设备。它不仅可以提供静态图像也可以进行动态观测，既可提供局部组织脏器的图像，也可以提供人体人身的照片。图像中功能

15、信息丰富，是诊断肿瘤及循环系统疾病的重要装置。,5.3.1 照相机的成像原理,照相机的探测器（探头）固定不动，在整个视野上对体内发出的射线都是敏感的，所以是一次性成像。检测器所得数据要输入计算机，照相可以对图像作后处理。能把形态学和功能性信息显示结合起来。照相机的显像时间很短，可以进行动态观测。相机把人体脏器内的放射性核素的三维分布变成一张二维分布的图像或照片。,1探头,图 照相机探头结构,2位置信号和Z信号,每一个光电倍增管给出的电流都要经前置放大后分别通过4个电阻形成X，X，Y，Y的位置信号。此外，X，X，Y，Y4个位置信号还要在一个加法器中总合起来，再通过脉冲幅度分析器，选取需要的脉冲信号送到示波器的Z输入端，控制像点的亮度，此信号又称为Z信号或能量信号。,3.显示和记录,位置信号和Z信号都由一个延迟电路控制，使像点按时间顺序依次形成，最后形成完整的画面。示波器是照相机的基本显示装置。一般使用3台示波器，一台是记忆示波器用于储存图像；另外两台是与记忆示波器同步的普通显示器，一台用于照相，另一台用于医生对图像的观察。,5.3.2 照相机的图像质量,1探测灵敏度 灵敏度不仅仅决定了图像的对比度、均匀性