第1节发射型计算机断层成像设备概论.docx
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第1节发射型计算机断层成像设备概论
第1节发射型计算机断层成像设备概论
发射型计算机断层成像（emissioncomputedtomography，ECT）亦称放射性核素计算机断层成像（RCT）,是一种能显示放射性核素在人体内各层面的分布及立体分布影像的显像技术。
SPECT（单光子发射型计算机断层）和PET（正电子发射型计算机断层）同属ECT的范畴。
其断层图不受邻近层面核素干扰，定位准确，能获得活体三维影像，并能定量计算脏器或病变部位的大小、体积及局部血流量等。
自20世纪70年代末随着SPECT广泛应用和PET逐步应用于核医学临床实践，ECT在核素显像乃至整个医学影像中的地位和作用都得到了无可争辩的承认，是核素显像技术继扫描机、γ照相机问世以后的又一重要进展。
一、历史回顾
1950年Cassen首先研制成功了逐点扫描成像的闪烁扫描机，奠定了放射性核素脏器显像的基础。
当时可以进行甲状腺、脑、肝、肾及骨扫描等，但分辨率差，扫描时间长，不能进行快速动态研究。
1956年Anger发明了闪烁γ照相机，以一次成像代替扫描机逐点成像，使核医学影像进入动态和静态功能显像相结合的新阶段。
但γ照相机对于大的脏器如脑、肝等深部器官的病变检出率仍不理想。
70年代以后电子计算机技术应用于γ闪烁照相机，对获得的信息进行处理，这样使影像更清晰，提高了分辨率。
自1975年以后辅配计算机的γ照相机已成为国内外核医学科常规检查设备。
SPECT的研制工作早在X-CT机研制之前就已进行。
1963年Kahl和Edwards等研制了一种称为横向断面扫描仪（transverslsectionalscanner）的仪器，该仪器已具备现代X-CT机的概念。
Knhl等人当时所用的影像重建方法是简单的反向投影法（simplebackprojection），因而影像模糊、对比差，影像矩阵单元的活性值与实物分布无对应关系，因此SPECT的研制工作曾一度搁浅。
1972年英国的GodfreyHounsfield发明了X-CT机并用于临床。
Kuhl等人借鉴X-CT的成像技术并引入计算机校正，终于在1979年研制成功了第1台头部的SPECT机，称之为MARKⅣ。
此后SPECT机迅速发展并不断地更新换代，从而使核医学显像技术从二维平面影像发展到三维立体影像阶段，并实现了显示彩色化、电视化，数据处理微机化，使解剖分辨率和对生理、生化等功能改变的显示较γ照相机有了很大提高。
二、ECT设备的类型及其结构
ECT目前分为2大类：
一类用于探测能够发射γ射线的放射性核素在人体内的分布，称为单光子发射型计算机断层，简称SPECT（singlephotonemissioncomputedtomography）；另一类用于探测能够发射正电子的放射性核素的湮没辐射，称为正电子发射型计算机断层，简称PECT或PET（positronemissioncomputedtomography）。
目前应用最为广泛的SPECT机是γ照相机型的SPECT机。
其主机为γ照相机，加上了探头支架旋转结构和计算机影像重建及处理软件系统。
由于γ光子的收集率与γ光子发射体对探头所处的立体角成正比，因此SPECT机多采用大视野的探头，以提高体积灵敏度。
其形状有圆形、方形和矩形。
探头支架旋转结构有圆环形（GE公司）、悬臂形（SOPHA公司）、龙门形（SIEMENS公司）等。
计算机系统多采用微型机或小型机，或者采用单功能多处理器分别完成某种功能。
γ照相机型的SPECT机在采集数据时所收集到的信息是以探头直径为长轴的一个圆柱体。
这种采集方式一次旋转360°就可以得到多个断层面，最多可达128个断层面。
该类型的SPECT机又兼有普通γ照相机的功能，所以一台γ照相机型的SPECT机具有多种显像方式：
平面成像、动态摄影、全身扫描和断层显像等。
PET正在逐步走向临床。
作为现代核素显像的最新技术设备，它的临床应用被认为“在核医学史上奠定了一个划时代的里程碑”。
虽然PET机和SPECT机的基本结构相似，都是由数据采集、数据处理、影像显示以及机械旋转架构等部分所组成，但由于采用的是发射正电子的放射性核素，PET机所能探测到的并不是正电子，而是正电子被体内组织所吸收时湮没辐射所产生的能量各为511keV、方向相反的一对γ光子，因此PET机至少需要2个（双探头）或更多的相对排列的（多探头、多环探头）γ探测器。
湮没辐射所产生的双光子与单光子有不同的特点，因而PET机和SPECT机的探头结构也不尽相同。
PET机对射线的限束采用的是电子准直，即利用湮没辐射和2个相对探头来确定闪烁点的位置，而不象SPECT机在探头前加铅准直器来限制γ射线的方向和范围。
三、ECT与X-CT的异同
A.水平切面B.垂直切面C.短轴面
图6-1心脏模型三维切面示意图
SPECT机是在γ照相机基础上发展起来的更先进的现代核医学影像设备，γ照相机只能显示二维影像，而SPECT机不仅可显示二维平面影像，更主要的是其还能给出脏器的三维断层影像。
对临床有价值的是横断面、冠状面和矢状面断层影像，在心脏和脑断层中还可以给出斜面断层影像（图6-1）。
SPECT机与X-CT机是什么关系呢？
它们之间究竟有什么不同？
从以下几个方面可以说明这个问题。
1.SPECT机与X-CT（TCT）机是一对孪生体
它们在探测技术和影像重建等方面基本类同。
X-CT发明者��英国EMI公司的工程师借助于核医学闪烁探测技术发明了X-CT。
SPECT在X-CT问世之后之所以有了迅速发展，主要原因是借助于X-CT的影像重建技术。
SPECT与X-CT都采用了闪烁探测技术和反向滤波法的影像重建技术。
2.采用的射线源不同
ECT借助于注入体内的放射性核素发射（emission）的γ光子构成断层影像。
由于正常组织和病变组织浓聚放射性核素的能力及浓聚量不一样，从而射出的光子密度不一样，这样就构成了一幅反映人体功能差异的解剖影像。
X-CT是借助于X线球管发射的X线穿透（transmission）人体而构成断层影像。
由于正常组织和病变组织的物理密度不一样，这样就构成了一幅反映人体密度差异的解剖影像。
3.影像的重建参数和诊断依据不同
X-CT以衰变系数作为重建影像的参数，以组织的物理密度变化作为诊断依据。
而ECT以放射性浓度变化作为重建影像的参数，以组织的代谢功能差异作为诊断依据。
若病变组织密度变化不大（等密度病变），而功能变化很大时，ECT明显优于X-CT。
4.影像构成成分不同
ECT影像仅显示浓聚放射性的靶器官或组织的三维断层影像，而毗邻组织脏器则不显像。
这就要求诊断医师对每个层面的各个脏器之间的毗邻关系及其正常变异有较全面了解。
X-CT影像则显示某一层面内所有组织器官的二维影像。
ECT依临床医师诊断目的不同，即便是同一脏器，所采用的放射性核素或其标记物也不同，其所得ECT影像的临床意义也不一样。
X-CT则以被检部位脏器为单位获得断层影像。
5.SPECT机在取断层面的厚度上较X-CT机优越
X-CT机采用几何准直的方法来限制束流的宽度。
改变断层厚度需要设定准直器，而且准直器的选择必须在数据采集前进行，数据采集一旦结束，断层厚度也就随之而固定。
而SPECT机选择断层的厚度是依据于γ相机探头的定位线路，可以在数据采集结束后根据需要选择。
这对临床分析是有利的。
6.X-CT机的分辨率优于ECT机
ECT受光子通量的限制和衰减校正困难的制约，使ECT影像粗糙、空间分辨率差。
体内发射的γ光子受注入人体的放射性活度的限制，只有极少数被用于构成影像，构成影像后体内还存留有一定的放射性活度。
而X-CT机由X线球管产生X线，成像结束时X线球管亦停止发射X射线，因而可加大入射的束流强度。
X-CT断层光子总数为ECT断层图的103～104倍。
另外，由于穿透衰减使相同的放射性浓度因部位的深度不同，而产生不同的光子射出率，浅表部位光子射出多，深部光子射出少。
模型实验证明，5cm厚的软组织可以使99Tcm能量为140keV的γ射线衰减50%，所以在影像重建中要求用平均衰减法进行校正。
四、ECT设备的发展现状与展望
ECT是近年来核医学界发展最迅速、应用最广泛的新技术，尤其是显像技术（包括仪器）与显像剂的发展更使其突飞猛进，成为核医学界的重要支柱。
目前国内许多大医院都装备了γ照相机和SPECT机。
商品化的PET机在我国也已步入临床使用。
一些应用在心、脑、骨骼、肿瘤等方面的新的放射性药物的使用，以及计算机新的应用软件的开发，使ECT机在诊断冠心病、脑缺血、肿瘤骨骼转移等许多疾病中显示了独特的优越性，在对组织器官或病变部位的局部血流量、功能、治疗前后的疗效进行定量检测等方面，已成为其他影像诊断技术不可替代的诊断工具。
ECT设备在发展过程中遇到了两大障碍：
光子通量的限制和衰减校正。
这两大困难目前仍是ECT设备改进和发展的主要难关。
ECT设备的光子通量受到注入体内放射性药物剂量的限制。
ECT影像由体内发射出的γ光子构成，通常情况下只有注入量的万分之几的光子被用来检测脏器成像，其他大部分信息浪费了。
ECT设备成像的另一困难是有2个变量：
局部组织器官的放射性聚集量和衰减系数。
对于放射性核素显像只有放射性浓度有意义，衰减因素必须加以清除或校正。
衰减校正涉及组织的成分，成像物体和脏器的大小、形状以及放射性核素的能量等许多因素。
因此真正完善的衰减校正是极其困难的。
目前商业产品中较多采用平均衰减校正，实验研究采用模型校正。
ECT设备的发展体现在许多方面：
新型放射性药物的研制、仪器自身探测性能的提高、计算机硬件的改进和应用软件的升级等。
主要有以下几点：
1.新型放射性药物的研制成功，推动了SPECT发展至新纪元
如：
新型心肌显像剂99Tcm－MIBI、99Tcm－Tlboroxime，可以用于心肌灌注断层显像，从而为心肌缺血、心肌梗死的早期诊断提供了新手段；新型脑显像剂99Tcm－ECD、99Tcm－HM（d,1）-PAO的研制成功，131I-IMP和131I标记的D1多巴胺脑受体显像剂的临床应用，使SPECT技术在研究脑局部血流灌注和受体功能等方面取得了令人鼓舞的进展。
而PET所用的发射正电子的放射性核素如：
11C、13N、15O等都是人体组织的基本元素，易于标记各种生命所必需的化合物及其代谢产物或类似物而不改变它们的生物活性，且可以参与人体的生理、生化代谢过程；加之这些核素的半衰期比较短，检查时可以给予较大剂量，从而提高了影像的对比度和空间分辨率，因此PET所获得的影像比SPECT更清晰、更真实地反映人体生理、生化、病理和功能等方面的改变；迄今为止，尚没有其他显像技术可以进行活体心、脑等组织脂肪酸、葡萄糖有氧或无氧代谢、受体功能以及大脑功能区域（如视、听、记忆、思维）定位等方面的研究。
2.在新技术上，最引人注目的是新型的双探头和三探头SPECT机
该系统具有采集时间短、分辨率高、计算机系统先进等优点，与单探头SPECT机相比，三探头SPECT机整体效率提高了3～5倍。
该机采用了高性能、高光子通量的光电倍增管，使用了特殊的准直器如扇型准直器、超高分辨率准直器等。
3个探头沿病人的长轴旋转，增加了获得的信息量，改善了影像质量，节省了检测时间，提高了系统分辨率，而且灵敏度也大大提高。
双探头SPECT机最新技术是在180°相对排列的双探头SPECT机的探头中加入符合探测线路或使用超高能准直器。
采用这项技术的ECT设备不仅可以完成普通SPECT机的全部工作，而且可以完成一些本来在PET机上才能做的工作。
因此被称为混合型ECT设备（参见第十节）。
3.从ECT设备的发展趋势看，单探头的SPECT机是不是要被淘汰呢？
并非如此
新型的双探头和三探头SPECT机性能固然很好，但价格昂贵。
对于单探头SPECT机，主要发展在于新的计算机系统的开发和应用上。
在硬件上，采用高速处理器去数字化输入信号，大容量的随机存取存储器以存放高分辨率的影像，快速存取的大容量的外围设备，以及采用高处理能力的阵列处理器等；在软件方面开发专用的处理软件如定量分析等。
在今后一段时间内，这些仍将是SPECT机临床应用的主旋律。
SPECT机今后的发展方向，仍是提高系统的灵敏度和分辨率，减少或清除伪影，朝着快速、多功能的方向发展。
ECT设备充分发挥了核医学的固有优点，其影像不仅显示脏器和病变的位置、形态、大小等解剖结构，更重要的是可以显示脏器的功能，研究代谢情况，提供有关脏器的血流、功能、代谢和引流等方面定性的和定量的信息。
而血流、功能和代谢的异常，常是疾病的早期变化，出现在形态结构发生改变之前。
因此，ECT放射性核素显像有助于疾病的早期诊断。
由于ECT成像设备涉及电子技术、计算机、核物理、医学、影像处理等许多专业技术，在本章简短的篇幅里不可能作全面详细的论述。
第2节适用于ECT的放射性药物
放射性药物（radiopharmaceuticals）是能够安全用于诊断或治疗人体疾病的放射性标记化合物。
有些是放射性核素的无机或有机化合物，有些是放射性核素标记的生物制品。
放射性药物的基本性质取决于两个基本成分：
放射性核素（标记物）和与之相结合的药物（被标记物）。
通过放射性核素及其标记药物在组织器官中选择性聚集或参与生理、生化等代谢过程来达到诊断目的。
在此，我们将重点讨论适用于SPECT显像的放射性核素及其标记化合物。
一、放射性核素适用于放射性药物的条件
放射性核素是放射性药物的基础。
ECT显像用的放射性核素必须通过注射、口服、吸入等方式引入体内。
因此对这类核素的基本要求是对机体无害和易于体外探测。
1．能发射中等能量的γ射线
这是适用于SPECT显像的放射性核素的先决条件。
由于γ射线具有很强的穿透能力，体外探测才能得以进行。
γ射线的能量以100～400keV为佳。
能量太低时射线易被机体所吸收，使得探测效率降低；能量太高则探测器的准直效果不好，降低了仪器的空间分辨率。
此外，最好选用不发射或少发射生物效应较高的β射线的药物等，以减少人体的辐射剂量。
2．具有合适的生物半衰期
并非所有能发射中等能量γ射线的放射性核素都能作为放射性药物注入人体内，还必须具备合适的物理半衰期。
只有半衰期在数十分钟至数天之间的放射性核素才能适合体内使用。
3．这些放射性核素应具有合适的化学价态和较强的化学活性
以便将它们制成供临床使用的各种放射性标记化合物。
4．这些放射性核素本身以及它们的衰变产物对人体应是无毒无害的
若具有一定毒性，则临床使用的化学量必须控制在对人体无害的水平以下。
二、放射性药物适用于ECT成像的条件
绝大多数情况下，放射性核素和它们的初始制备状态尚不能直接用于ECT显像，而需要通过一些物理的、化学的或生物学的方法，将放射性核素的原子“引入”特定的化合物的分子结构中，这个过程称为标记。
由此而后制成的放射性核素标记化合物即为放射性药物。
1.具有良好的显像性能
良好的显像剂引入体内后，应在靶器官有特异性浓聚，而本底尽可能的低。
此外，还要求显像剂在靶器官的正常组织与病变组织之间的浓聚率有较大的差异。
一般说来，在靶器官与邻近的非靶器官之间放射性药物浓聚量的比值在5倍以上时，才能认为显像剂在靶器官的浓聚是特异性的。
在阴性显像时，要求显像剂在病变部位不浓聚或很少浓聚，我们称之为放射性稀疏或缺损；而阳性显像时，则要求显像剂在病变部位的浓聚量多于或明显多于正常部位，我们称之为放射性浓聚。
2.具有合适的生物体内存留时间
放射性显像剂在靶器官中应有合适的存留时间，以保障体外各时相的探测足以采集必要的数据。
在显像完成后，放射性药物应能较快地被从体内清除，即具有较短的生物半衰期，以减少受检者接受的不必要的辐射剂量。
物理半衰期是指放射性核素历经核衰变，其放射性强度或放射性原子数减弱或减少到一半所需要的时间；生物半衰期是指由于生物代谢，生物体内的放射性核素从体内排泄到原来引入量的半数所需要的时间；有效半衰期是指由于放射性衰变和生物代谢的共同作用，生物体内的放射性核素减少到原来引入量的一半所需要的时间。
它们之间的关系是：
3.放射性药物的制备过程应简单、快速，不需要复杂的设备和反应条件
最理想的制备方法是一步法，即预先将标记过程中所需要的除放射性核素以外的所有物质通过简单混合或使其产生预反应而制成放射性药物的半合成品药盒，需要标记时，只需要将放射性核素加入，即可一步标记成功。
目前，已有数十种商品化的半成品药盒供给临床使用。
4.具有良好的稳定性
放射性药物的稳定性的含义包括：
化学稳定性、辐射稳定性、标记稳定性和体内稳定性。
化学稳定性是指放射性药物具有确定的较为稳定的化学结构，使其在制备过程和药物储存过程中，不易发生分解氧化还原等化学变化，否则由此而生成复杂的副产物将影响药物的使用性能和有效使用期。
辐射稳定性是指药物对自身辐射作用的耐受能力。
辐射自分解是影响放射性药物稳定性的一个重要因素。
一般说来，辐射自分解作用的强弱与放射性药物的比活性和射线的性质有关。
比活性越高，射线程越短，电离密度越大，自分解作用就越强。
标记稳定性是指放射性核素的原子或基团与化合物结合的牢固程度，只有那些牢固的不易因时间、温度、介质等条件的影响而脱落的标记物，才适用于ECT的显像。
标记稳定性与核素的原子同标记物分子结合方式及位置等因素有关。
体内稳定性是指当放射性药物引入机体后，不会因为介质条件的改变或生物活性物质的改变（如酶的作用等）而发生分解、变性或标记核素的脱落，一般通过动物体内试验来鉴定。
三、放射性药物的制备
①淋洗液接收瓶②生理盐水瓶③铅防护套④玻璃柱管⑤吸附剂
图6-299Mo－99Tcm发生器结构示意图
放射性核素是放射性药物的基础，而放射性药物制备成功与否ECT显像成败的第一关。
一般说来，放射性核素有3个来源：
核反应堆生产的放射性核素，加速器生产的放射性核素以及放射性核素发生器。
本章重点讨论放射性核素发生器。
1.放射性核素发生器
放射性核素发生器是一种定期从较长半衰期的母体核素中分离出具有较短半衰期的子体核素的装置。
这种装置结构简单，运输方便，它以长寿命的放射性核素作为运输和储存形式，以可以定期分离得到的短寿命放射性核素作为使用方式。
自从1964年99锝m（99Tcm）问世以来，99钼－99锝m发生器（99Mo－99TcmGenerator）的临床应用极大地促进了核医学影像的发展。
由于99Tcm是纯γ光子发射体，能量为141keV，T1/2为6.02h，其化学性质和碘相似，非常活泼，使其能够标记合成多种供临床使用的放射性药物，几乎可以用于所有脏器的显像。
因此99Tcm成为目前最理想和最常用的放射性核素。
在此，我们着重介绍99Mo－99Tcm发生器（图6-2）。
99Mo－99Tcm发生器是一种内含母体核素99Mo，能产生子体素99Tcm的装置。
母体核素99Mo以99MoO4-的形式吸附在Al2O3柱上，利用母子体化学性质不同可用0.9％NaCl洗脱液将子体核素99Tcm以99TcmO4－的形式洗脱下来，而母体仍留在发生器内，子体核素随母体衰变而增长，同时又因它自身的衰变而减少，因而可用连续衰变的公式计算。
其结果列于表6-1。
表6-199Mo－99Tcm的衰变-生长关系（假定99Mo的初始活度为3.7GBq） 0h
0h
1h
2h
3h
6h
12h
18h
23h
48h
66h
72h
96h
132h
99Mo放射性活度（GBq）
3.70
3.67
3.62
3.58
3.48
3.62
3.06
2.91
2.23
1.85
1.74
1.37
0.93
99Tcm放射性活度（GBq）
0
0.36
0.66
0.93
1.56
2.25
2.50
2.55
2.14
1.78
1.67
1.32
0.89
99Tcm/99Mo
（%）
0
9.90
18.2
26.0
45.0
68.9
81.9
87.7
95.9
96.2
96.1
96.1
96.2
从表6-1种可以看出：
（1）由于存在分支衰变，99Mo只有87.6%衰变成99Tcm，其余部分直接衰变为99Tc。
（2）99Mo与99Tcm放射性强度达到暂时平衡的时间约为44h，即7倍于子体99Tcm的半衰期，此后99Tcm与99Mo的比值恒定在96%左右不变。
（3）一次淋洗后，若初始99Tcm放射性活度为0，则其生长达到最大值所需时间约为23h，此时99Tcm的放射性活度为当时母体放射性活度的87.7%，所以每天淋洗1次最适宜。
（4）若每天淋洗2次，则淋洗的间隔时间为6h和18h。
间隔6h生成的99Tcm可达到母体99Mo的45%；间隔18h生成量可达81.7%，接近最大值。
因此每天淋洗2次也是可以的。
99Mo－99Tcm发生器最显著的优点是99Mo的的半衰期较短，仅67h。
只要购得含有足够量99Mo的99Mo－99Tcm发生器，就可以至少在1周内每天淋洗出足够量的99Tcm供临床使用,十分方便。
目前99Mo－99Tcm发生器在国内已经商品化。
2.99Tcm标记的放射性药物的制备
（1）99Tcm的标记方法 从99Mo－99Tcm发生器获得的99Tcm以Na99TcmO4形式存在于洗脱液中。
99Tcm的氧化态可以从+1价到+7价。
99Tcm高氧化态（+7价）既不能与络合剂络合，也不被颗粒所吸附，因此不能用它直接制备供临床使用的标记药物。
欲制备99Tcm标记用药物必须使用还原剂，首先将高氧化态锝还原为低氧化态，这是99Tcm标记络合物的第一步。
因为99TcmO4ˉ是一种酸根阴离子，而根据络合理论，阴离子只能作为络合物的配位体，而不能成为中心离子。
最常用的还原方法是采用氯化亚锡（SnCl2.2H2O）作还原剂。
Sn2+在标记过程中可能具有两方面的作用：
一是把99TcmO4-还原成可被络合剂络合的低价态99Tcm，再者可作为双金属鳌合物中的第二种金属离子。
在酸性介质中反应如下:
299TcmO4-+16H++3Sn2+==299Tcm＋4+3Sn＋4＋8H2O
此处99Tcm自+7价还原为+4价。
在其他物理化学条件下，99Tcm还可能被还原为+3价或+5价。
在低氧化态99Tcm化学性质活泼，在一定pH条件下可以和许多含O、N、S等有机或无机物产生作用形成络合物。
这些99Tcm络合物无论在体内或体外均比较稳定，是目前临床应用最广泛的放射性药物，几乎占全部SPECT显像剂的90%以上。
（2）常用的99Tcm的标记化合物及其用途 99Tcm的标记物一般可分为3类：
①标记微粒：
99Tcm－MAA、99Tcm－RBC等；②形成络合物:
99Tcm－MIBI、99Tcm－ECD、99Tcm－DTPA等。
③通过功能基团络合配基：
99Tcm－DTPA－HSA等。
见表6-2。
目前常用的99Tcm放射性药物均能很方便地获得发生器配套药盒，其中包含待标记物、还原剂SnCl2·2H2O、抗氧剂及支持物等组成的冻干品，按说明书加入一
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