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1、第四章第四章 放射性核素成像系统放射性核素成像系统4.1概述1原理将某种放射性同位素标记在药物上形成放射性药物并置入体内,当它被人体的组织或器官吸收后,在体内形成辐射源. 2成像 用核子探测装置从体外检测体内同位素衰变过程中放出的射线.从而构成放射性同位素在体内分布密度的图像. 3作用 由于放射性药物保持了对应稳定核素或被标记药物的化学性质与生物学行为,能够参与体内的物质代谢,因此,放射性同位素图像不仅反映了组织与器官的形态,而且提供了有关功能,生理及生化信息. 4特点5优势l l 核医学显像方法简单、灵敏、特异、核医学显像方法简单、灵敏、特异、无创伤性、安全（病人所受辐射剂量低无创伤性、安全
2、（病人所受辐射剂量低于一次于一次X X摄片所受剂量）、易于重复、摄片所受剂量）、易于重复、结果准确、可靠，并能反映脏器的功能结果准确、可靠，并能反映脏器的功能和代谢，因此在临床和基础研究中的应和代谢，因此在临床和基础研究中的应用日益广泛。用日益广泛。同位素: 属于一种化学元素(具有相同原子序数),但有不同中子数的核素称为同位素. 同位素有放射性与非放射性两种衰变: 放射性同位素在自发地放射出射线后,自身会变成另外一种核素,这种现象称为衰变.相机单光子发射计算机断层成像(SinglePhotonEmmisionComputedTomography,SPECT)正电子发射计算机断层成像(Posit
3、ronEmissionTomography,PET)放射性核素成像模式放射性核素成像模式放射性核素成像放射性核素成像必备的物质条件放射性核素成像系统的放射性核素成像系统的性能指标性能指标系统的灵敏度系统对每单位放射性所能探测并用于成像的光子数.影响系统的灵敏度的因素:(1)准直器,其孔径越大,则灵敏度越高,但图像会越模糊(2)闪烁晶体厚度.过薄则大量光子未与晶体发生荧光闪烁就直接穿过了晶体,较厚则图像模糊(3)脉冲高度分析器中能量阈值.大约只有3%的光子真正对成像起作用.系统模糊度或分辨率系统分辨率是单位距离内线对数.与模糊度成反比. 影响系统模糊度或分辨率的因素:(1)准直器孔径大小.小孔越
4、大,视野越大,分辨率越差.小孔越小则会减小系统的模糊度.(2)准直器厚度.增加小孔长度会提高分辨率.(3)相机与成像物体间的距离.距离越大则越模糊.对比度组织或器官对特定药物有特殊的集聚能力.因此它们的生理,病理状态会直接影响系统的对比度.均匀性 相机在整个成像区域中具有相同的灵敏度则成像均匀性好. 光电倍增管的均匀性.系统噪声 放射性同位素衰变的随机性.4.2 相机l l可同时记录脏器内各个部份的射线，以快速可同时记录脏器内各个部份的射线，以快速形成一帧器官的静态平面图像形成一帧器官的静态平面图像l l可观察脏器的动态功能及其变化可观察脏器的动态功能及其变化l l既是显像仪又是功能仪既是显像
5、仪又是功能仪相机的基本结构w相机准直器（相机准直器（Collimator）w闪烁探测器（闪烁探测器（NaI晶体）晶体）w光电倍增管光电倍增管(PMT) w位置电路位置电路w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w相机收集病相机收集病人体内发射的人体内发射的射线，使我射线，使我们重建出发射们重建出发射部位的图像，部位的图像，了解特定器官了解特定器官或系统的功能。或系统的功能。光电倍增管阵列
6、光电倍增管阵列相机准直器相机准直器w准直器位于晶体之前，是探头中首先准直器位于晶体之前，是探头中首先和和射射线相接触的部分。准直器的性能在很大成度线相接触的部分。准直器的性能在很大成度上决定了探头的性能。准直器能够限制散射上决定了探头的性能。准直器能够限制散射光子光子,允许特定方向允许特定方向光子和晶体发生作用。光子和晶体发生作用。闪烁探测器 w w一种铊激活碘化钠一种铊激活碘化钠一种铊激活碘化钠一种铊激活碘化钠 NaINaI( (TlTl) )探测晶体普遍用于探测晶体普遍用于探测晶体普遍用于探测晶体普遍用于 相机中。在核医学中，这种晶体对于放射性核发相机中。在核医学中，这种晶体对于放射性核发
7、相机中。在核医学中，这种晶体对于放射性核发相机中。在核医学中，这种晶体对于放射性核发射的射的射的射的 射线能量有最佳的探测效率。探测晶体一般射线能量有最佳的探测效率。探测晶体一般射线能量有最佳的探测效率。探测晶体一般射线能量有最佳的探测效率。探测晶体一般为圆形或矩形。典型的是为圆形或矩形。典型的是为圆形或矩形。典型的是为圆形或矩形。典型的是3/83/8厚且尺度为厚且尺度为厚且尺度为厚且尺度为30-50 30-50 cmcm。 w w由于光电效应和与晶体内碘化物的离子的康普顿由于光电效应和与晶体内碘化物的离子的康普顿由于光电效应和与晶体内碘化物的离子的康普顿由于光电效应和与晶体内碘化物的离子的康
8、普顿散射，散射，散射，散射， 光子与探测器互相作用。这种相互作用导光子与探测器互相作用。这种相互作用导光子与探测器互相作用。这种相互作用导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用产生光。致电子释放而继续与晶体的网格相互作用产生光。致电子释放而继续与晶体的网格相互作用产生光。致电子释放而继续与晶体的网格相互作用产生光。这种过程称为这种过程称为这种过程称为这种过程称为闪烁闪烁闪烁闪烁。光电倍增管光电倍增管w w每每每每7 7到到到到1010个光子入射到个光子入射到个光子入射到个光子入射到光电阴极上，就会产光电阴极上，就会产光电阴极上，就会产光电阴极上，就会产生一个电
9、子。从阴极生一个电子。从阴极生一个电子。从阴极生一个电子。从阴极来的电子聚焦到倍增来的电子聚焦到倍增来的电子聚焦到倍增来的电子聚焦到倍增管电极上被吸收后会管电极上被吸收后会管电极上被吸收后会管电极上被吸收后会放出更多的电子（一放出更多的电子（一放出更多的电子（一放出更多的电子（一般是般是般是般是6 6到到到到1010个）。这些个）。这些个）。这些个）。这些电子再聚焦到下一个电子再聚焦到下一个电子再聚焦到下一个电子再聚焦到下一个倍增管电极上，这个倍增管电极上，这个倍增管电极上，这个倍增管电极上，这个过程在倍增管电极阵过程在倍增管电极阵过程在倍增管电极阵过程在倍增管电极阵列上不断重复。列上不断重复
10、。列上不断重复。列上不断重复。 位置电路和和数据处理计算机 w位置逻辑电路紧跟在光电倍增管阵列后面位置逻辑电路紧跟在光电倍增管阵列后面并在求和矩阵电路并在求和矩阵电路(SMC)中接收来自倍增管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。烁事件在探测晶体的何处发生。 w最后，一台数据处理计算机处理进来的投最后，一台数据处理计算机处理进来的投影数据，使它成为一张可读的反映病人体影数据，使它成为一张可读的反映病人体内三维活性分布的图像。计算机可能使用内三维活性分布的图像。计算机可能使用各种方法来重建图像，比如滤波反投影算各种方法
11、来重建图像，比如滤波反投影算法或迭代重建。法或迭代重建。闪烁晶体:与射线作用产生荧光.要求:(1)对射线应有较高的俘获率(2)与入射光子相互作用后的发光效率高,1.但发光持续时间短.2.(3)具有良好的光学特性,对荧光的传播透明,折射小.相机将人体内的放射性核素的三维分布变为二维分布的图像或照片. 相机成像原理相机成像方案相机成像方案w平面成像平面成像相机固定在病人上方，获取单一角度数据相机固定在病人上方，获取单一角度数据相机固定在病人上方，获取单一角度数据相机固定在病人上方，获取单一角度数据w平面动态成像平面动态成像固定角度，长时间观察放射性示踪剂运动固定角度，长时间观察放射性示踪剂运动固定
12、角度，长时间观察放射性示踪剂运动固定角度，长时间观察放射性示踪剂运动wSPECT成像成像绕病人旋转，获取放射性示踪剂三维分布绕病人旋转，获取放射性示踪剂三维分布绕病人旋转，获取放射性示踪剂三维分布绕病人旋转，获取放射性示踪剂三维分布w门控门控SPECT成像成像结合结合结合结合ECGECG获取心动周期不同阶段的图像获取心动周期不同阶段的图像获取心动周期不同阶段的图像获取心动周期不同阶段的图像4.3 单光子发射计算机断层成像w w示踪剂适应面广，特异性高，放射性小，不干扰示踪剂适应面广，特异性高，放射性小，不干扰示踪剂适应面广，特异性高，放射性小，不干扰示踪剂适应面广，特异性高，放射性小，不干扰体
13、内环境的稳定，有独到的诊断价值。体内环境的稳定，有独到的诊断价值。体内环境的稳定，有独到的诊断价值。体内环境的稳定，有独到的诊断价值。w w时域解像精度不到千分之一秒时域解像精度不到千分之一秒时域解像精度不到千分之一秒时域解像精度不到千分之一秒 。w w放射性核的等离子放射物可能对孩子和孕妇有危放射性核的等离子放射物可能对孩子和孕妇有危放射性核的等离子放射物可能对孩子和孕妇有危放射性核的等离子放射物可能对孩子和孕妇有危险性。险性。险性。险性。w w保留了保留了保留了保留了 照相机全部平面显像的性能照相机全部平面显像的性能照相机全部平面显像的性能照相机全部平面显像的性能w w分层脏器功能观察到脏
14、器功能动态变化，化学物分层脏器功能观察到脏器功能动态变化，化学物分层脏器功能观察到脏器功能动态变化，化学物分层脏器功能观察到脏器功能动态变化，化学物质在脏器内代谢分布、血管量的变化、肿瘤免疫质在脏器内代谢分布、血管量的变化、肿瘤免疫质在脏器内代谢分布、血管量的变化、肿瘤免疫质在脏器内代谢分布、血管量的变化、肿瘤免疫及受体定位等。及受体定位等。及受体定位等。及受体定位等。SPECT的总体特点的总体特点Siemens的的SPECTGE的的SPECT系统系统w1959 David Kuhl 和和 Roy Edwards取得了取得了世界上第一台横截面发射断层图世界上第一台横截面发射断层图w1963 K
15、uhl 和和 Edwards发展出来的放射断发展出来的放射断层系统成为层系统成为SPECT的前身的前身w1976 Keyes发明第一台发明第一台相机相机SPECT系统系统w1983 商业化商业化相机相机SPECT问世问世w2003 利用迭代重建算法进行衰减修正的利用迭代重建算法进行衰减修正的SPECTSPECT的发展的发展wSPECT检测通过放射性原子（称为放射性检测通过放射性原子（称为放射性核，如核，如TC-99m 、TI-201）发射的发射的单单射线。射线。放射性核附上的放射性药物可能是一种蛋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白质或是有机分子，选择的标
16、准是它们的用途或在人体中的吸收特性。比如，能聚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集在心肌的放射性药物就用于心脏SPECT成像。这些能吸收一定量放射性药物的器成像。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偏亮或偏暗，表明收状况就会导致异常的偏亮或偏暗，表明可能处于有病的状态。可能处于有病的状态。SPECT的原理的原理SPECT的原理的原理w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360旋转的旋转的相机，在旋转时每隔一定角度（相机，在旋转时每隔一定角度（3或或6
17、）采集一帧图片）采集一帧图片w经电子计算机自动处理，将图像叠加，利经电子计算机自动处理，将图像叠加，利用滤波反投影（用滤波反投影（FBP）方法，可以从一系方法，可以从一系列投影像重建横向断层影像。由横向断层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到矢状、冠状断层和任意斜位方向的断层影像。影像。SPECT成像方法成像方法w用短半衰期用短半衰期核素核素Tc-99m等标记某些特殊化等标记某些特殊化合物经静脉注入人体合物经静脉注入人体w探测聚集于人体一定器官、组织内，标记探测聚集于人体一定器官、组织
18、内，标记于化合物上于化合物上的的Tc-99m衰变所发出的衰变所发出的射线射线w将将射线转化为电信号并输入计算机，经计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况的断面或三维图像SPECT成像基本步骤成像基本步骤w数据投影数据投影 w数据傅立叶变换数据傅立叶变换 w数据滤波数据滤波 w数据反变换数据反变换 w反投影反投影 w衰减校正衰减校正 w散射校正散射校正SPECT重建算法步骤重建算法步骤w wFBPFBP方法的优点：计算过程简单，重建速度快，方法的优点：计算过程简单，重建速度快，方法的优点：计算过程简单，重建
19、速度快，方法的优点：计算过程简单，重建速度快，重建后的重建后的重建后的重建后的SPECTSPECT图像分辨率能够满足临床需要。图像分辨率能够满足临床需要。图像分辨率能够满足临床需要。图像分辨率能够满足临床需要。w wFBPFBP方法的缺点：该方法重建的图像存在固有星方法的缺点：该方法重建的图像存在固有星方法的缺点：该方法重建的图像存在固有星方法的缺点：该方法重建的图像存在固有星状伪影，重建后的图像分辨率较差。状伪影，重建后的图像分辨率较差。状伪影，重建后的图像分辨率较差。状伪影，重建后的图像分辨率较差。 w wFBPFBP方法是把探头采集方法是把探头采集方法是把探头采集方法是把探头采集到的二维
20、投影数据经过到的二维投影数据经过到的二维投影数据经过到的二维投影数据经过预滤波降低统计噪声后，预滤波降低统计噪声后，预滤波降低统计噪声后，预滤波降低统计噪声后，将二维投影数据反投影将二维投影数据反投影将二维投影数据反投影将二维投影数据反投影到预先设定的三维矩阵到预先设定的三维矩阵到预先设定的三维矩阵到预先设定的三维矩阵过程。过程。过程。过程。滤波反投影滤波反投影(FBP)衰减校正 w目前的目前的SPECT理论把投影数据近似为病人理论把投影数据近似为病人体内的放射性药物分布沿投影线的积分，体内的放射性药物分布沿投影线的积分，忽略了人体组织对忽略了人体组织对射线的散射与吸收效应。射线的散射与吸收效
21、应。然而，对于核医学所使用的能量在然而，对于核医学所使用的能量在60511keV的的射线来说，人体组织的衰减对投射线来说，人体组织的衰减对投影数据有相当大的影响，因此需要进行衰影数据有相当大的影响，因此需要进行衰减校正。减校正。w一方面取决于人体衰减系数图一方面取决于人体衰减系数图( map)的的获取，另一方面取决于衰减校正的算法。获取，另一方面取决于衰减校正的算法。w射线衰减与射线衰减与X射线衰减不同之处？射线衰减不同之处？w由放射性同位素标记的放射性药物会产生由放射性同位素标记的放射性药物会产生内部辐射内部辐射。 这种放射性药物称为示踪剂，这种放射性药物称为示踪剂，可以是注射也可以是吸入。
22、正是示踪剂的可以是注射也可以是吸入。正是示踪剂的衰减放射出衰减放射出射线。射线。w常用能够标记放射性药物有：常用能够标记放射性药物有：MIBI（心肌心肌显象）；显象）； MDP（全身骨显象）；全身骨显象）； ECD（脑脑血流显象血流显象） SPECT的示踪剂的示踪剂w用放射性用放射性Tc-99m(锝锝)标记的各种化合物标记的各种化合物短半衰期（短半衰期（短半衰期（短半衰期（6.026.02小时）放射性同位素小时）放射性同位素小时）放射性同位素小时）放射性同位素, ,主要放射主要放射主要放射主要放射低能低能低能低能 射线射线射线射线, ,其能量为其能量为其能量为其能量为141141keVkeV辐
23、射剂量只有一次辐射剂量只有一次辐射剂量只有一次辐射剂量只有一次X X摄片的摄片的摄片的摄片的1/101/10 1/21/2没有副作用，大部分在几个小时内即排出体外，没有副作用，大部分在几个小时内即排出体外，没有副作用，大部分在几个小时内即排出体外，没有副作用，大部分在几个小时内即排出体外，留在体内的放射性也会在短时间内衰变掉留在体内的放射性也会在短时间内衰变掉留在体内的放射性也会在短时间内衰变掉留在体内的放射性也会在短时间内衰变掉w其他常用的放射性核素还有其他常用的放射性核素还有Tl-201、I-131、I-123、Ga-67(镓)、In-111(铟)等等常用的放射性示踪剂常用的放射性示踪剂临
24、床临床临床临床 放射性核放射性核放射性核放射性核放射性药物放射性药物放射性药物放射性药物 能量能量能量能量 ( (KeV)KeV) T 1/2 (hours)T 1/2 (hours)骨显象骨显象骨显象骨显象 Tc-Tc-9999mmMDP MDP 1401406 6心肌显心肌显心肌显心肌显象象象象 Tc-Tc-9999mmTl-Tl-201201SestaMibiSestaMibi14014070706 67373脑脑脑脑Tc-Tc-9999mmHMPAOHMPAO1401406 6甲状腺甲状腺甲状腺甲状腺I- I-1311313643648 8 daysdays肾脏肾脏肾脏肾脏I- I-1
25、31131Tc-Tc-9999mmHippuranHippuranMag-3 Mag-3 3643641401408 8 daysdays6 6肺脏肺脏肺脏肺脏Tc-Tc-9999mmXe-Xe-133133MAA MAA Gas Gas 14014081816 66262肿瘤显肿瘤显肿瘤显肿瘤显象象象象Ga-Ga-6767F-F-1818CitrateCitrateFDGFDG909051151178782 2肝脏肝脏肝脏肝脏 Tc-Tc-9999mmSulfurSulfur1401406 6放射性药物及其临床应用SPECT系统系统w探头（旋转探头（旋转型型照相机）照相机）w机架机架w断层床断层床w计算机和光学照相系统计算机和光学照相系统SPECT图像图像-脑部脑部SPECT图像图像-脑部脑部SPECT图像图像-脑部脑部2例癫痫患者SPECT图像:发作间期低灌注(A图)，发作期高灌注(B图)。癫痫灶发作间期在SPECT上呈低灌注暗影，发作期变为高灌注亮影。SPECT图像图像-心脏心脏SPECT图像图像-骨骼骨骼
