射线与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用γ射线和-核医学.ppt

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核医学数字影像基础2012年年3月月24日日中国医学科学院中国医学科学院北京协和医学院肿瘤医院北京协和医学院肿瘤医院吴文凯吴文凯2射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用l带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用l射线和射线和X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用3射线的种类射线的种类l带电粒子带电粒子粒子和粒子和粒子粒子l不带电粒子不带电粒子XX射线和射线和射线射线4射线射线l是一种带电粒子流，由两个质子和两个中子组是一种带电粒子流，由两个质子和两个中子组成（就是氦核），所到之处容易引起电离成（就是氦核），所到之处容易引起电离l有很强的电离本领，对人体组织破坏能力较大有很强的电离本领，对人体组织破坏能力较大质量较大，穿透能力差，在空气中的射程只有质量较大，穿透能力差，在空气中的射程只有几厘米，纸张或皮肤就能阻挡几厘米，纸张或皮肤就能阻挡5射线射线是一种高速带电粒子，所带电量与电子相同是一种高速带电粒子，所带电量与电子相同电离本领比电离本领比射线小得多射线小得多质量与电子相同，穿透本领比质量与电子相同，穿透本领比射线大，容射线大，容易被铝箔、有机玻璃等材料吸收易被铝箔、有机玻璃等材料吸收6X射线和射线和射线射线lXX射线和射线和射线的性质相同，是不带电量的短射线的性质相同，是不带电量的短波长电磁波，统称为光子波长电磁波，统称为光子l与与射线和射线和射线相比，它们的射程较长，穿射线相比，它们的射程较长，穿透力较强透力较强它们的电离作用是通过与物质作用后产生的它们的电离作用是通过与物质作用后产生的带电粒子发生带电粒子发生7带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用电离和激发电离和激发l放射性核素发射的带电粒子（放射性核素发射的带电粒子（,-,+和转换电子）和和转换电子）和物质相互作用有以下几方面物质相互作用有以下几方面:

电离、散射、吸收、轫致电离、散射、吸收、轫致辐射和湮灭辐射辐射和湮灭辐射l带电粒子通过物质时吸引或排斥带电粒子通过物质时吸引或排斥物质的核外电子使其电离，在路物质的核外电子使其电离，在路径周围留下离子对，消耗自身能径周围留下离子对，消耗自身能量形成电离作用量形成电离作用l物质的核外电子未能从带电粒子获得足够的能量，物质的核外电子未能从带电粒子获得足够的能量，会从内层轨道跃迁到外层形成激发态称激发作用会从内层轨道跃迁到外层形成激发态称激发作用8带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用散射作用散射作用l带电粒子通过物质时受物质原子核电场作带电粒子通过物质时受物质原子核电场作用而改变运动方向，这种现象称散射用而改变运动方向，这种现象称散射l大部分粒子的散射角较小，但也有少数散大部分粒子的散射角较小，但也有少数散射角大于射角大于9090，称为反向散射，称为反向散射l散射作用下带电粒子仅改变运动方向，不散射作用下带电粒子仅改变运动方向，不改变能量改变能量9带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用吸收作用吸收作用l带电粒子通过物质时，穿透的粒子数少带电粒子通过物质时，穿透的粒子数少于入射粒子数，这种现象称物质吸收作于入射粒子数，这种现象称物质吸收作用，它是电离和散射作用的综合结果用，它是电离和散射作用的综合结果10带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用轫致辐射轫致辐射l带电粒子被物质原子核阻挡后突然降速，或受带电粒子被物质原子核阻挡后突然降速，或受核库仑力加速，将一部分动能转变为具有连续核库仑力加速，将一部分动能转变为具有连续谱的电磁辐射，这种辐射称为轫致辐射谱的电磁辐射，这种辐射称为轫致辐射l轫致辐射的量与带电粒子的能量成正比、质量轫致辐射的量与带电粒子的能量成正比、质量平方成反比和阻挡物质的原子序数平方成正比平方成反比和阻挡物质的原子序数平方成正比l动能相对较大的动能相对较大的-粒子通过原子序数较大的物粒子通过原子序数较大的物质时，需注意对轫致辐射的防护，铅室内要衬质时，需注意对轫致辐射的防护，铅室内要衬铝，操作时戴有机玻璃眼镜铝，操作时戴有机玻璃眼镜11带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用湮灭辐射（光化辐射）湮灭辐射（光化辐射）l+粒子被物质阻挡后，失去动能，与物质的自由粒子被物质阻挡后，失去动能，与物质的自由电子结合，转化为方向相反、能量各为电子结合，转化为方向相反、能量各为511keV511keV的的两个光子，这过程称湮灭辐射（光化辐射）两个光子，这过程称湮灭辐射（光化辐射）12射射线线和物和物质质的相互作用的相互作用l射线是一种光子，能量范围从几十射线是一种光子，能量范围从几十keVkeV到到几千几千keVkeVl这种能量范围的光子与物质作用主要是：

这种能量范围的光子与物质作用主要是：

光电效应、光电效应、康普顿效应和电子对生成康普顿效应和电子对生成13射射线线和物和物质质的相互作用的相互作用光电效应光电效应l光子和物质原子相互作用时，被原子吸收，光子和物质原子相互作用时，被原子吸收，能量交给原子的某一壳层电子，使电子脱能量交给原子的某一壳层电子，使电子脱离原子发射，称光电效应，发射的电子称离原子发射，称光电效应，发射的电子称光电子光电子l发射光电子后的原子可以接着发射标志发射光电子后的原子可以接着发射标志XX线线和俄歇电子和俄歇电子l当当光子能量大于光子能量大于1MeV1MeV时，光电效应减弱时，光电效应减弱14射射线线和物和物质质的相互作用的相互作用康普顿效应康普顿效应l光子和原子中一个外层电子作弹性碰撞，光子和原子中一个外层电子作弹性碰撞，光子将部分光子将部分能量交给电子，使其脱离轨道而释放（康普顿电子），能量交给电子，使其脱离轨道而释放（康普顿电子），光子本身成为能量较低的新光子本身成为能量较低的新光子（散射光子），并且光子（散射光子），并且改变运动方向，称为康普顿效应改变运动方向，称为康普顿效应l当光子能量增大时，康普顿效应减弱当光子能量增大时，康普顿效应减弱15射射线线和物和物质质的相互作用的相互作用电子对生成电子对生成l当入射当入射光子的能量大于光子的能量大于1.022MeV1.022MeV，它和物质作用时，它和物质作用时本身完全被物质吸收，产生本身完全被物质吸收，产生一对电子偶，称电子对生成一对电子偶，称电子对生成（光化辐射的逆过程）（光化辐射的逆过程）16射射线线和物和物质质的相互作用的相互作用射线和物质的相互作用的特点射线和物质的相互作用的特点l光电效应光电效应:

光子被吸收光子被吸收,产生光电子产生光电子光子能量小于光子能量小于康普顿效应康普顿效应:

光子散射光子散射,打出电子打出电子1MeV1MeV时显著时显著电子对生成电子对生成:

光子被吸收光子被吸收,产生电子对产生电子对能量大于能量大于1.02MeV1.02MeVl射线的穿透能力很强，应注意外照射防护射线的穿透能力很强，应注意外照射防护l射线的电离作用是通过它所产生的次级电子的电离作用射线的电离作用是通过它所产生的次级电子的电离作用17中国核医学的发展中国核医学的发展l5050年代中期中国创建了核医学年代中期中国创建了核医学l6060年代末中国开始生产扫描机年代末中国开始生产扫描机l7070年代初中国引进彩色扫描机年代初中国引进彩色扫描机18中国核医学的发展中国核医学的发展19中国核医学的发展中国核医学的发展l19751975年引进了第一台伽玛相机年引进了第一台伽玛相机l19771977年国产伽玛相机问世年国产伽玛相机问世20中国核医学的发展中国核医学的发展l19841984年引进第一台年引进第一台SPECTSPECTl9090年代初第一台多探头年代初第一台多探头SPECTSPECT投入使用投入使用21中国核医学的发展中国核医学的发展l19871987年国产年国产PETPET诞生诞生l19961996年进口年进口PETPET和回旋加速器投入临床使用和回旋加速器投入临床使用l20012001年第一台年第一台PET/CTPET/CT在我国安装在我国安装22中国核医学的发展中国核医学的发展l20122012年我国第一台年我国第一台PET/MRPET/MR在在301301医院安装使用医院安装使用23l患者患者l药物药物l图像获取图像获取形成核医学影像的条件形成核医学影像的条件24药物药物-患者患者-采集采集25数字影像的概念数字影像的概念核医学图像的获取和应用核医学图像的获取和应用l采集采集l存储存储l显示显示l处理处理l传送传送l应用应用26数字影像的概念数字影像的概念数字影像采集的内容数字影像采集的内容l能量能量l计数计数l空间位置空间位置l时间时间l其他其他27数字影像的概念数字影像的概念数字影像采集的意义数字影像采集的意义l核医学成像的基础核医学成像的基础l对临床诊断起决定性作用对临床诊断起决定性作用l决定成像质量决定成像质量l保证图像处理的质量保证图像处理的质量28数字影像的概念数字影像的概念数字影像采集的方法数字影像采集的方法l静态采集静态采集l动态采集动态采集l扫描采集扫描采集l门控平面采集门控平面采集l断层采集断层采集l门控断层采集门控断层采集29数字影像采集数字影像采集影响采集质量的因素影响采集质量的因素l放射性药物的影响放射性药物的影响l探头性能的影响探头性能的影响l准直器性能的影响准直器性能的影响l患者本身的影响患者本身的影响l采集参数的影响采集参数的影响30影响采集质量的因素影响采集质量的因素放射性药物的影响放射性药物的影响l核素的能量范围核素的能量范围l标记药物的体内分布标记药物的体内分布l示踪剂的标记率示踪剂的标记率31影响采集质量的因素影响采集质量的因素探头性能的影响探头性能的影响l能量分辨能量分辨l线形线形l均匀性均匀性l灵敏度灵敏度32影响采集质量的因素影响采集质量的因素准直器性能的影响准直器性能的影响l能量响应能量响应l系统分辨系统分辨l灵敏度灵敏度33影响采集质量的因素影响采集质量的因素患者本身的影响患者本身的影响l散射（校正：

偏置、双窗、成分）散射（校正：

偏置、双窗、成分）l衰减（校正：

近似、精确）衰减（校正：

近似、精确）34影响采集质量的因素影响采集质量的因素采集参数的设置采集参数的设置l矩阵大小（像素大小矩阵大小（像素大小0.50.5FWHMFWHM）lZoom（Zoom（占全视野占全视野757585%）85%）l信息量（尽可能大）信息量（尽可能大）l时间（尽可能短）时间（尽可能短）l药量（尽可能少）药量（尽可能少）35数字影像采集数字影像采集动态血流显像采集的时间间隔确定动态血流显像采集的时间间隔确定l动态血流显像考虑人体大循环时间动态血流显像考虑人体大循环时间l大循环时间约大循环时间约16162323秒秒l时间间隔选取时间间隔选取16/216/222l实际选取为实际选取为2233秒秒36数字影像采集数字影像采集动态功能显像的时间间隔设置动态功能显像的时间间隔设置l动态功能显像考虑药物到达峰值时间动态功能显像考虑药物到达峰值时间l如药物到达峰时为如药物到达峰时为44分钟分钟l采集间隔至少应采集间隔至少应22分分l通常选取通常选取11分分/帧较合适帧较合适37数字影像采集数字影像采集平面心脏门控采集时间间隔设置平面心脏门控采集时间间隔设置l门控心血池考虑门控心血池考虑R-RR-R间期间期l正常正常R-RR-R间期约间期约0.850.85秒秒l舒末约维持舒末约维持0.060.060.080.08秒、秒、l收末约维持收末约维持0.040.040.060.06秒秒l通常选通常选1616帧，保证电影效果选帧，保证电影效果选2424帧帧38数字影像采集数字影像采集扫描采集的准备扫描采集的准备l探头距离探头距离（人体轮廓采集人体轮廓采集）l扫描速度扫描速度（信息密度信息密度）l患者准备患者准备（饮水、排尿饮水、排尿）l对位（保证图像完整）对位（保证图像完整）39数字影像采集数字影像采集断层心脏门控采集的设置断层心脏门控采集的设置l只能用步进采集只能用步进采集l选选88帧采集，保证足够信息帧采集，保证足够信息l每步进间隔完成若干每步进间隔完成若干R-RR-R间期采集间期采集l需进行需进行88次断层重建次断层重建40数字影像采集数字影像采集断层采集注意的要点断层采集注意的要点l探头旋转半径探头旋转半径（尽可能小）（尽可能小）l采集矩阵的确定（影响图像分辨率）采集矩阵的确定（影响图像分辨率）l探头旋转的步长（影响图像分辨率）探头旋转的步长（影响图像分辨率）l探头旋转的方式（步进和连续）探头旋转的方式（步进和连续）l每帧采集的时间（总采集时间不宜过长）每帧采集的时间（总采集时间不宜过长）41数字影像采集数字影像采集COR=13.5cmCOR=18.0cml尽可能减小旋转半径以提高断层分辨率尽可能减小旋转半径以提高断层分辨率l用人体轮廓的方法可最大限度贴近人体用人体轮廓的方法可最大限度贴近人体42数字影像采集数字影像采集128x128矩阵矩阵64x64矩阵矩阵总计数总计数=360k总计数总计数=360kC/pix=22C/pix=88l不影响断层图像分辨率的前提下选用小矩阵不影响断层图像分辨率的前提下选用小矩阵43数字影像采集数字影像采集脑断层采集条件选择脑断层采集条件选择l选择依据选择依据v核素活性剂量核素活性剂量:

20:

20mCimCiv采集时间：

采集时间：

3030分分v系统分辨率：

系统分辨率：

低能高分辨低能高分辨1010mmmm扇型准直器扇型准直器88mmmmv头颅半径：

头颅半径：

88cmcm44数字影像采集数字影像采集脑断层采集条件选择脑断层采集条件选择l采集矩阵的选择采集矩阵的选择v矩阵大小矩阵大小:

并非越大越好。

相同计数时并非越大越好。

相同计数时,矩阵越大统矩阵越大统计噪声越大。

计噪声越大。

v矩阵大小的确定矩阵大小的确定:

最佳系统分辨最佳系统分辨=8=8mm（FWHM）mm（FWHM）最佳图像分辨最佳图像分辨=FWHM/2=4mmFWHM/2=4mm象素大小象素大小44mmmmUFOV=500mm,Zoom=2（UFOV=500mm,Zoom=2（扇形扇形Zoom=1）Zoom=1）矩阵大小矩阵大小=500=500mm/4mm/2=63mm/4mm/2=63选用64x64矩阵不会降低断层分辨选用选用6464x64x64矩阵不会降低断层图像分辨矩阵不会降低断层图像分辨45数字影像采集脑断层采集条件选择脑断层采集条件选择l采集帧数（或步长）的选择采集帧数（或步长）的选择v采集帧数并非越多越好。

采集帧数越多采集帧数并非越多越好。

采集帧数越多,非计数时非计数时间越长。

间越长。

v采集帧数的计算：

采集帧数的计算：

头颅半径：

头颅半径：

r=80mmr=80mm4mmr=80mm图像分辨：

图像分辨：

Rs=4mmRs=4mm采集帧数：

采集帧数：

n=s/Rs=120n=s/Rs=120120120帧采集能保证帧采集能保证44mmmm图像分辨率图像分辨率头颅周长：

头颅周长：

s=480mms=480mm46数字影像采集脑断层采集条件选择脑断层采集条件选择l采集方式采集方式v分步采集的图像重建质量优于连续采集分步采集的图像重建质量优于连续采集v分步采集的非计数时间比连续采集长分步采集的非计数时间比连续采集长3030分钟分钟120120帧分步采集非计数时间约帧分步采集非计数时间约55分钟分钟3030分钟分钟120120帧连续采集非计数时间约帧连续采集非计数时间约22分钟分钟120120帧连续采集对图像重建质量的影响很小帧连续采集对图像重建质量的影响很小采用采用120120帧连续采集帧连续采集*小于小于120120帧时不宜采用连续采集帧时不宜采用连续采集47数字影像采集数字影像采集脑断层采集条件选择脑断层采集条件选择l核素剂量核素剂量2020mCimCil使用低能高分辨或扇形准直器使用低能高分辨或扇形准直器l采集时间采集时间3030分分,采集帧数采集帧数120120l采集矩阵采集矩阵64,64,旋转半径旋转半径12121313cmcml连续采集连续采集48数字图像的表示数字图像的表示l大小大小（矩阵；行、列；像素）（矩阵；行、列；像素）l层次层次（256256灰阶、不同比例三原色）灰阶、不同比例三原色）49数字数字影影像的概念像的概念数字图像的处理数字图像的处理l使图像适合视觉要求使图像适合视觉要求l反映原脏器真实情况反映原脏器真实情况50数字图像的概念数字图像的概念数字图像处理的内容数字图像处理的内容l图像获取、存储和检索图像获取、存储和检索（能量甄别、定位、数字化、（能量甄别、定位、数字化、图像压缩与复原、数据库）图像压缩与复原、数据库）l图像处理和增强图像处理和增强（灰度分布均衡化、对比度增强、（灰度分布均衡化、对比度增强、减噪声、失真恢复等）减噪声、失真恢复等）l图像的比较和抽象图像的比较和抽象（配准、描述、模式识别和特征提取）（配准、描述、模式识别和特征提取）51数字影像处理数字影像处理图像图像模式识别模式识别特征数据特征数据运算运算图像图像计算机图形学计算机图形学52数字图像的概念数字图像的概念曲线运算曲线运算曲线为曲线为AA（tt），），运算后结果曲线为运算后结果曲线为CC（tt）C（t）=IntA（t）C（t）=IntA（t）C（t）=DiffA（t）C（t）=DiffA（t）C（t）=FitA（t）C（t）=FitA（t）53数字图像的概念数字图像的概念曲线间运算曲线间运算曲线曲线11为为A（t）A（t），曲线曲线22为为B（t）B（t），运算后结果曲线为运算后结果曲线为C（t）C（t）C（t）=A（t）+B（t）C（t）=A（t）+B（t）加加C（t）=A（t）-B（t）C（t）=A（t）-B（t）减减C（t）=A（t）xB（t）C（t）=A（t）xB（t）乘乘C（t）=A（t）/B（t）C（t）=A（t）/B（t）除除C（t）=A（t）*B（t）C（t）=A（t）*B（t）卷积卷积54数字图像的概念数字图像的概念图像运算图像运算原图像为原图像为A（x,y）,A（x,y）,运算后结果图像为运算后结果图像为C（x,y）C（x,y）C（x,y）=A（x,y）C（x,y）=A（x,y）22C（x,y）=SQRA（x,y）C（x,y）=SQRA（x,y）C（x,y）=LnA（x,y）C（x,y）=LnA（x,y）C（x,y）=eC（x,y）=eA（x,y）A（x,y）C（x,y）=NA（x,y）C（x,y）=NA（x,y）55数字图像的概念数字图像的概念图像间运算图像间运算图像图像11为为A（x,y）,A（x,y）,原图像原图像22为为B（x,y）,B（x,y）,运算后结果图像为运算后结果图像为C（x,y）C（x,y）C（x,y）=A+BC（x,y）=A+BC（x,y）=A-BC（x,y）=A-BC（x,y）=AxBC（x,y）=AxBC（x,y）=A/BC（x,y）=A/BC（x,y）=NC（x,y）=N11A+NA+N22BBC（x,y）=A*BC（x,y）=A*B56数字图像的概念数字图像的概念数字图像运算的原则数字图像运算的原则l运算前后数字图像矩阵大小不变运算前后数字图像矩阵大小不变l运算后像素值为负值时归一为零运算后像素值为负值时归一为零l像素值超过像素值超过65535（1665535（16bit）bit）时归一为零时归一为零57数字图像的概念数字图像的概念数字图像的变换数字图像的变换图像的空域图像的空域图像的频域图像的频域l节省运算时间节省运算时间l简化软件设计简化软件设计58数字图像的概念数字图像的概念数字图像的变换数字图像的变换l傅立叶变换傅立叶变换（FourierTransform）FourierTransform）N-1N-1X（f）=X（n）Acos（2fn/N）+iBsin（2fn/N）X（f）=X（n）Acos（2fn/N）+iBsin（2fn/N）n=0n=0l反傅立叶变换反傅立叶变换N-1N-1X（n）=1/NX（f）Acos（2fn/N）+iBsin（2fn/N）X（n）=1/NX（f）Acos（2fn/N）+iBsin（2fn/N）f=0f=059数字图像的概念数字图像的概念心肌相位分析心肌相位分析三维显示三维显示60数字影像处理数字影像处理断层图像反向投影重建断层图像反向投影重建重建横断面重建横断面图像像旋旋转中心校正中心校正消除原始数据噪音消除原始数据噪音预预滤滤波波将将预滤波数据作波数据作滤波波反投影反投影作作滤波波处理理采集的原始数据采集的原始数据系系统均匀度校正均匀度校正61数字影像处理数字影像处理断层图像反向投影重建断层图像反向投影重建l按照投影方向把按照投影方向把投影数据反向投投影数据反向投往发射方向往发射方向l其结果得到带有其结果得到带有星状伪影的图像星状伪影的图像62数字影像处理数字影像处理l用滤波函数把反向用滤波函数把反向投影图像的星状伪投影图像的星状伪影去除影去除l其结果得到较精确其结果得到较精确的重建的重建断层图像滤波反向投影重建断层图像滤波反向投影重建63数字影像处理数字影像处理断层重建的滤波断层重建的滤波l选择合适的滤波函数选择合适的滤波函数l确定合适的滤波参数确定合适的滤波参数l注意滤波参数的单位注意滤波参数的单位无滤波无滤波f=0.20f=0.15f=0.1064