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核医学成像设备

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核医学成像设备（总23页）

教案首页

第8次课授课时间完成时间

课程名称

医学影像设备学

年级

2003、2004

专业，层次

医学影像五年制本科

教员

种银保

专业技术

职务

高级工程师

授课方式

（大，小班）

大班

学时

3

授课题目（章，节）

第八章核医学成像设备

基本教材或主要参考书

医学影像设备学（第二版），徐跃等主编，人民卫生出版社2005年12月出版

医学影像设备（第一版），冯开梅等主编，人民卫生出版社2003年1月出版

教学目的与要求：

掌握:

1.Г照相机的构成和工作原理基本结构与工作原理基本结构与工作原理

了解:

1.核医学成像设备的发展2.核物理基础知识

大体内容与时间安排：

1.复习与导课（Review&Introduction）--------------------------------5分钟；

2.核医学设备发展历程（HistoryofNuclearMedicalImagingDevice）---20分钟；

3.Г照相机（GammaRadiography）------------------------------------35分钟；

4.单光子发射型计算机体层设备（SinglePhotonEmissionCT）-----------25分钟；

5.正电子发射型计算机体层设备（PositionEmissionCT）----------------30分钟；

6.小结（Summary）---------------------------------------------------5分钟。

教学方法：

1.按讲义，利用多媒体等讲解本次课内容

2.组织学生提问，了解学生对讲课内容掌握情况

3.组织学生见习，了解核医学成像设备结构及性能

教学重点，难点：

重点：

核医学设备各系统的结构、工作原理及应用。

难点：

核医学设备及易出故障部分的电路原理

教研室审阅意见：

教学安排符合教学大纲的要求，体现了教学的目的和特点，教学重点突出，教学方法和手段得当，教学时数分配合理，教案书写规范，同意实施。

（教学组长签名）

（教研室主任签名）

年月日

教案续页

基本内容

辅助手段和时间

分配

第一节概述

一、核医学成像

核医学成像是将发射一定能量γ射线的放射性药物引入机体，通过体内代谢，浓集于相关脏器。

一旦脏器功能改变，或脏器组织局部病变，必然影响放射性药物的分布，从体外探测该药物发射的γ射线，就可分析判断放射性药物在脏器内的分布与浓集信息。

核医学成像既与被检物体的密度改变相关，还与其功能状态相连系。

所以是一种将结构与功能相结合的成像技术。

二、核医学成像基本条件

1.放射性药物：

对被检脏器或病变组织具有选择性聚集分布，且与邻近组织之间的放射性浓度达到一定程度。

2.从体外探测体内γ放射性的探测仪器与信息处理、显示成像。

三、核医学成像设备的发展

1.γ照相机

①1957年研制成功；

②采用大型闪烁晶体实现一次成像，既可作静态也可作快速连续动态显像；

③经历了模拟、模-数和数字化的成像过程。

（singlephotonemissionCT）

导课：

5’

核医学设备发展历程作概括的介绍：

20’

列举相应图片、视频及动画资料，详细讲解影像设备各种作用

启发式教学法

γ照相机的构成

①1979年研制成功；

②克服了γ相机平面显像所固有的影像重叠，分辨力差和不能精确定量的缺陷。

成为当今心、脑显像，尤其是脑血流和功能显像不可缺少的成像设备，是国内利用率最高的核医学影像设备。

（positionemissiontomography）

①于上个世纪80年代问世；

②是利用发射正电子的人体基本组成元素的同位素（常用18F、11C）而成像的设备；

③是当今核医学领域，也是医学影像领域顶尖的成像设备。

因为该设备可从分子水平高精度地显示活体内的代谢和生化活动，获取各种定量的生理参数。

CT

同位素是同一元素中的不同类的原子。

它们有相同数目的质子（和电子）却有不同数目的中子。

例如氕、氘和氚，它们原子核中都有1个质子，但是它们的原子核中分别有0个中子，1个中子及2个中子，所以它们互为同位素。

3.核衰变

放射性同位素的原子核很不稳定，会不间断地、自发地放射出射线，直至变成另一种稳定同位素，这就是所谓“核衰变”。

放射性同位素在进行核衰变的时候，可放射出α射线、β射线、γ射线和电子俘获等.核衰变的速度不受温度、压力、电磁场等外界条件的影响，也不受元素所处状态的影响，只和时间有关。

4.半衰期

半衰期（half-life）即一定数量放射性同位素原子数目减少到其初始值一半时所需要的时间。

如磷－32的半衰期是天，就是说，假使原来有100万个磷－32

医用影像发展

原子，经过天后，只剩下50万个了。

半衰期是放射性同位素的特征常数，不同的放射性同位素有不同的半衰期，衰变的时候放射出射线的种类和数量也不同。

5.用于临床的放射性核素的要求

半衰期合适：

半衰期尽量短（减小病人的辐照剂量），一般选半衰

期为几小时到几天的核素,目前几’的放射性核素也开始应用,半衰期过短,显像工作难以完成,10小时左右适宜。

射线能量恰当:

用于诊断的核素产生的射线应能穿出机体被探测器探测到；能量过低，在体内吸收太多,能量过高，则屏蔽、准直困难，影响空间分辨率，探测效率也下降；临床用射线能量一般在50—500keV之间，100~300keV为宜。

产生的射线种类及能量单一：

射线

种类及能量单一，以减少散射和其它效应形成的测量本底；核素的衰变产物是稳定核素。

便于标记:

与标记化合物紧密结合,不脱标。

6.用于临床放射性核素的种类

锝（technetium）99mTc43：

经衰变产生140keV的г射线，不伴生β辐射，适合使用闪烁探测器探测；半衰期为；几乎适合于所有器官的显像和血流动力学研究。

碘（iodine）131I53：

经衰变产生605keV的β、364keV的г和637的г；物质理想半衰期为；适于做甲状腺、肾、肝、脑、肺、胆的显像、功能测量和治疗。

但г能量偏高,г相机探测效率低，

图像分辨率差。

7.放射性核素的来源：

反应堆生产、核裂变产物分离、放射性核素发生器生产:

是从长半衰期的母体核素中提取半衰期较短的放射性子体核素的装置、回旋加速器生产。

γ照相机工作原理15’

γ相机的组成

第二节γ照相机

一、γ照相机组成与工作原理

γ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.

工作原理：

当受检者注射放射性同位素标记药物后，放射性核素选择地浓聚在被检脏器内，该脏器就成了一个立体射线源，该射线源放射出的γ射线经过准直器射在NaI（TL）晶体上，立即产生闪烁光点。

闪烁光点发出的微弱荧光被光导耦合至光电倍增管（PMT），输出脉冲信号。

这些脉冲信号经后面的电子线路处理形成能量和位置两个通道的信号，位置信号确定显示光点的位置，能量信号确定该光点的亮度。

经过一定时间的积累，便形成一幅闪烁图像，并可用照相机拍摄下来，就完成了一次检查。

1.准直器

（1）构成与功能：

是一种由重金属（常用铅、钨或铅钨合金）加工制作，安置在闪烁晶体前方的屏蔽体，限制非规定范（方向）的γ射线入射闪烁晶体，即实现定位采集信息的作用。

（2）按几何形状分类

单孔会聚型，外口径2~6mm，外口与晶体间距15~20cm。

由于其探测立体角很小，故S很低。

影像与实体倒向。

若外口与实体间距缩短，影像放大倍数增大，S也增高。

故应根据脏器大小调节间距b。

课间休息10’

γ相机的基本组成

γ照相机组成与工作原理

适用于较表浅的小脏器和小病灶显像。

孔道与准直器内外口垂直，孔道直径相等，且平行。

它的S较高，且较少受b值影响。

但b值对R有直接影响，即b增大，R降低。

平行孔型准直器是常用的准直器。

准直器的中部孔道平行，周边孔道逐渐向外扩散。

由于周边是扩散的孔道，使探测视野扩大，但其S和R均不及中部孔道。

常与直径不够大的晶体配套使用于全身显像。

准直器的各孔道由外口向内口扩散，即由内向外成会聚状。

对被检实体的放大倍数较小，但S和R较高。

此型准直器较少使用。

按能量不同区分准直器：

类型

适用的能量范围

临床应用

低能通用准直器低能高分辨率准直器

75-170Kev

TC－99M标记的放射性药物

中能通用准直器中能高分辨率准直器

170-300Kev

GA－67类药物

高能通用准直器

270-360Kev

甲状腺高能和甲状腺肿瘤

超高能准直器

511Kev

F－18－FDG代谢类显像剂

超高能双核素准直器

120-520Kev

同时做脏器的血流灌注的代谢显像

主要性能参数

［空间分辨力］

表示对两个相邻的点放射源之间的分辨能力。

准直器孔径越小、准直器越厚，空间分辨率越高。

［灵敏度］

为准直器能够探测到放射性物质的能力，用单位放射性活度的放射性计数率来表示。

S与准直器几何效率E成正比。

准直器的构成和功能

可见，准直器孔越大，S越高；准直器越厚，孔间壁越厚，S越低。

［适用能量范围］

取决于准直器孔间壁厚度t：

t＝0.3mm左右者适用于＜150KeV（低能）γ，

t＝1.5mm左右者适用于150~350KeV（中能）γ，

t＝2.0mm左右者适用＞350KeV（高能）γ。

针对上述三项参数，依据被检γ射线能量选用相应的t值准直

器。

同时应具有高空间分辨率和高灵敏度。

闪烁晶体

闪烁体材料有多种，核医学设备最常用的是铊激活的NaI晶体，当受射线照射时能发出波长为415nm的兰绿色光。

闪烁体的作用是将入射的射线能量变换为闪烁光，即微弱的光脉冲信号。

闪烁体的外形是金属盒，晶体封装在金属盒体内，晶体的输出面是一光学玻璃，输出面和光电倍增管耦合。

光电倍增管

光电倍增管是将光能转换为电能，并对微弱的电信号进行放大的装置（放大倍数在107以上）。

它由光阴极、聚焦极、多级次阴极和收集电子的阳极组成。

光阴极接收晶体发射的荧光，产生光电子。

光电子受电场作用经聚焦极聚集后快速射向第一个次阴极，在电子冲击力撞击下产生较多的电子…

X/Y位置线路为什么要定位

一个射线源闪烁事件会使γ相机内排列有序的众多光电倍增管输出幅度不等的电脉冲信号，靠近射线源的光电倍增管接受的光子最多，输出的电脉冲最大。

为了区分射线源闪烁事件发生的具体部位，就需要确定相对应的光电倍增管同时输出能量信号和位置信号。

如何定位

γ

相机的每个光电倍增管前置放大器的输出端连接与位置相关的权重电阻进行信号位置权重，再利用加、减法电路将所有经位置权重的信号总和，利用比分电路得出与放射事件相吻合的位置信号，这一组电路称为定位电路。

每个光电倍增管前置放大器的输出端均与四个电阻相连接，各个光电倍增管的位置不同，其后连接的电阻阻值也不同。

计算一个闪烁事件发生后，在PM矩阵的P8位置信号：

X+＝0，X-＝40Y+＝Y-＝20Z＝0＋40＋20＋20＝80

X＝（0－40）/80＝－Y＝（20－20）/80＝0

实际情况复杂的多，由于一个γ光子产生的闪烁事件，被PM矩阵中的多支PM接受，各自在输出端输出4个信号（X＋、X－、Y＋、Y－），但每个γ光子产生的闪烁事件，总符合公式：

电脉冲信号分析器

电脉冲信号分析器起到对脉冲信号筛选判断和高度分析的作用。

因为来自放射性药物的信号会因其处于不同线性深度上的核素通过体层的厚度不同，形成的脉冲高度也有差别，当只需要某一层面的信息时，也应该将来自其它层面的信息剔除。

对信号脉冲高度的筛选工作由甄别电路和反符合电路来完成。

它们的电压>V（甄别电压）的脉冲被输出：

γ照相的定位

闪烁荧光传输到各光电倍增管示意图

工作原理图如下：

四、γ照相机性能

（一）γ照相机灵敏度

（二）视野（FOV）

（三）分辨力

灵敏度

γ照相机灵敏度可以用它对单位放射性所能探测到并用于成像的光子数来表示。

它很大程度上取决于准直器的设计。

准直器：

大多数照相机系统准直器可以更换，这可改变灵敏度，但是灵敏度最大的准直器同时也产生最大图像模糊。

闪烁晶体厚度对探测效率有一定影响。

厚晶体有助于得到较高的灵敏度，但是产生图像更模糊视野，γ照相机的视野是一个重要的性能。

取决于晶体的大小、准直器的类型，在某些成像系统中还与成像物体和照相机晶体之间的距离有关。

分辨力

定义：

指分辨出两个点状放射源的最小距离。

它体现了γ照相机对物体细节的鉴别能力。

与γ粒子的能量有关；与准直器的孔径、厚度和晶体纯度透明度有关。

第三节单光子发射型计算机体层设备

SPECT（singlephotonemissionCT）

单光子发射型计算机体层设备:

25’

基本结构10’

基本结构

基本结构

图像重建

工作原理10’

一、基本结构

二、工作原理

SPECT是利用放射性同位素作为示踪剂，将这种示踪剂注入人体内，使该示踪剂浓聚在被测脏器上，从而使该脏器成为γ射线源，在体外用绕人体旋转的探测器记录脏器组织中放射性的分布，探测器旋转一个角度可得到一组数据，旋转一周可得到若干组数据，根据这些数据可以建立一系列断层平面图像。

计算机则以横截面的方式重建成像。

控制台（计算机）

控制台采用脉冲高度分析器（PHA），规定出能量阈值允许波动范围窗，对探测到的脉冲信号（有用的和错误的信号）进行分析筛选后送入后处理。

SPECT的工作条件、所有数据都由计算机统一控制和管理，还负责采集数据的修正、图像重建和结果显示的控制。

投影数据采集

安装在机架上的探测器，沿受检病人某一层面的一定方向（角度）计数收集体内该层面该方向（即直线扫描）放射性药物发射的γ射线并记录形成的“投影截面”。

在预置的时间内完成一次直线扫描后，探测器随机架转动一个角度，取得另一个投影截面，如此反复，称为投影数据采集。

图象重建

解线性方程组求解未知数］用一个二维四元（2×2）矩阵代表一断层面（实际上大得多，最小是64×64，最大可达128×128）。

设该四元矩阵中每一矩阵单元的放射性活度分别是A1、A2、A3、和A4。

探头从三个方向测量的投影如图所示。

探头测量值分别为：

水平方向　A1＋A2＝92

　　　A3＋A4＝97

垂直方向　A1＋A3＝104

　　　A2＋A4＝85

对角方向　A1＋A4＝73

补充教材以外学科前沿知识

视频播放

图片

反投影法

反投影结果（见下图）

A2＋A3＝116

解上述三组方程得：

A1＝40，A2＝52，A3＝64，A4＝33，故该断层面的放射性活度计算值为A1＋A2＋A3＋A4＝189，与实测值相等。

解线性方程组法在实际工作中由于矩阵很多，计算用的方程组过多，计算时间过长。

［反投影法］为了避免计算时间过长的缺点，引入反投影法。

下面用图解和数字运算说明反投影法的原理。

反投影法是一种基本的图象重建技术，它的基本原理是把原图像在各个方向的投影值反投影到矩阵的各个单元中，并求和。

其过程如图示：

用一个很简单的3×3矩阵加以说明。

一点源处于该矩阵的中央，其值未知，待求。

但从各方向的投影值可被测量，图中仅标示了两个方向，以简化运算。

垂直方向为5、10、5，对角线方向为10、60、10，反投影结果（见右图）：

可见，一个点源经反投影法作图像重建的结果除中心区有较高的数值（500）外，周围有很高的本底（200），说明点源图像出现发散现象，失真的可能存在。

［滤波反向投影法］

为了克服反投影法图像发散现象，在反投影法基础上引入滤波函数，即将原始投影截面与滤波函数经卷积分后再反投影，称之为滤波反向投影。

为了消除本底，滤波函数选择为中间正，两侧负的分布，卷积分的结果也是中间正两侧负。

见下页图示：

同样，若将各个方向的滤波反投影值相加，可得到图c的结果。

　　可见，除中心点有较高数值（500）外，其周围为0，消除了本底，点源恢复成点的分布，克服了发散。

三、SPECT与γ相机的比较

SPECT

•探头旋转

•

课间休息10’

二维断层图像重建三维图像，反映单位体积的放射性浓。

•改变了脏器深度方面的空间分辨率

γ相机

•γ相机固定

•二维重叠图像，反映单位面积放射性浓度。

•对表浅部位容易探测，对脏器深部就很困难

四、影响图象质量因素

空间分辨率

•准直器（主要因素）

•探测器（已接近理论最佳分辨力）

•算法

伪影

•旋转式SPECT的不均匀在反投影重建产生环形伪影；

·滤波反投影图像重建过程中，投影平片中的噪声和缺陷会放大；

•光电倍增管要严密屏蔽，不然有明显条形伪影。

死时间

探测器能够区分相继接踵而来两个放射事件的最短时距称为分辨时间，短于分辨时间的时间称为死时间。

在死时间内的两个信号不能被分别计数，有时只能计数1个，有时可因两脉冲叠加超过窗宽而被删除，因此造成漏计数（丢失放射事件），使探测器整体计数效率下降。

正电子发射型计算机体层设备:

30’

PET

光电准子

符合探测原理

第四节正电子发射型计算机体层设备

PET（positionemissionCT）

一、PET概念

正电子——使用人工正电子放射性核素，该类核素均发射能量为511kev、方向相反的对光子。

发射式——将正电子放射性核素标记的显像药物在注射到病人体内，体外探测放射性核素发射的光子，确定显像药物的体内分布情况。

计算机断层——通过计算机处理，以三维断层方式显示药物的体内分布，确定病灶的性质。

二、PET原理：

光子准直，又称电子准直

由于湮灭辐射产生的两个光子具有很强的同时性和直线性，只有落入两个探头组成的视野内的γ射线才能被接收。

因此，探头视野越小，经符合电路形成的Z信号定位范围越窄，空间分辨率越高。

这种准直称为光子准直，又称电子准直。

PET工作原理

当正电子核素或正电子核素标记的化合物注入人体内后，它们随血液循环分布至全身。

正电子核素在衰变的过程中，质子衰变为中子，同时发射出1个正电子β+，正电子在组织中飞行极短的距离后便与周围组织内的电子相遇并发生湮没辐射，正、负电子消失，其物质转变为2个方向相反（互

探测器

PET工作流程

成180°）、能量皆为511keV的γ光子，穿透人体并被环绕人体的探测器探测，经符合计数处理、图象重建，显示、存储和打印。

三、PET组成

扫描仪1.探测器；2.射线屏蔽装置；3.棒源、符合事件探测；

4.符合事件处理系统；

探测器

由数百个成对的分布小型γ闪烁探测器组成环型探测器.γ闪烁探测器由晶体和光电倍增管组成，其中晶体是最关键的部件，也是决定ET质量档次的最主要因素。

经典专用PET的晶体材料最常采用锗酸铋（BGO，其射线探测能力明显高于碘化钠晶体），并采用小晶体、模块化、多环设计。

射线屏蔽装置探测器的环外为厚的铅板，其作用是屏蔽探测器环外的射线；可自动伸缩的、薄的环状钨隔板（Septa，厚度1mm），置于晶体前方环与环之间，将轴向视野分隔成若干切层（slices），隔板使探测器仅能探测到同一层面及相邻层面的入射光子对，减少了散射和随机事件的影响。

棒源：

将放射性68锗（68Ge）装在中空的小棒内，用以行PET显像仪质控和透射扫描。

AdvancePET扫描仪配有3个68Ge棒源，2个是高活度源（400MBq），1个是低活度源（50MBq）。

不用时扫描仪自动将其收入探头外的铅屏蔽容器内。

事件探测负责采集从探测器传来电子信号，通过辨别其能量是否是511keV而确定是否为有效的γ光子信号，并将有效的γ光子位置提供给符合事件处理系统符合事件处理对成对γ光子的进行更准确的时间比较，以确定哪些成对光子是真符合事件，哪些是非真符合事件，同时确定事件发生位置，并将其传送到阵列处理器进一步处理。

工作站

正电子核素及其特点

小结：

5’

启发式教学法

利用提问的方式：

通过人机对话控制扫描仪、显像床及电子橱进行图像采集、重建处理等，并对重建后图像重新切层和进行图像显示、图像分析和定量计算等。

四、PET采集方式

1.空白扫描与透射扫描：

目的是监测探测器的性能，计算衰减校正系数空白扫描与透射扫描相结合用于计算人体各部分组织的衰减校正系数，用于补偿发射光子对在穿越机体时被机体组织所吸收的部分，即进行衰减校正，使PET最后的显像结果能真实反映正电子显像剂在体内的分布。

每日质控项目.

2.发射扫描：

PET扫描仪对正电子显像剂注入机体后产生湮没辐射所发出的γ光子对进行采集，叫发射扫描。

五、正电子核素及其特点

六、PET与SPECT比较

PET

●正电子核素

●单或多环探测器、电子准直

●图像质量优：

检测灵敏度高分辨力好、衰减校正、定量准确

SPECT

●单光子核素

●单或多探头、机械准直

●运行成本低

引导学员回顾本次课的主要内容，强调本次课要求掌握的重点。

结合思考题进行

教案末页

小结

本次课主要介绍核医学成像设备的发展历程，γ相机成像方法以及其原理，单光子发射型计算机体层设备装置的原理、功能及应用，为学员以后的课程学习打下基础。

本次课要求学员重点掌握核医学成像设备的成像方法及其原理，γ相机装置的原理、功能及应用。

复习思考

题，作业

题

1.核医学成像设备的定义。

其基本条件，主要包括哪些设备。

2．γ照相机的主要组成，及其优点。

3.γ照相机的准直器类型和闪烁晶体作用。

4.试述光电倍增管的结构组成。

5．试述正电子发射型计算机体层设备（PositronEmissionTomographyPET）的基本结构与工作原理。

与X-CT的影像构成因素的不同之处。

更多相关练习已布置在“医学影像设备学虚拟教室（，课后庆自觉联机完成。

实施情况及分析

2007年4月11日下午第6-8节课，按时上课，应到名学员，实到名学员。

综合本次课的课堂听讲、教学互动、课后学员提问、作业完成等情况来分析，虽然是第一次上这门课，但是学员的学习接受能力都很强，很快进入状态，对于重点内容的掌握情况较好。

但也存在一些不足:

对于难点准直器掌握不够。

其原因可能是：

1.学员的核医学成像设备比较薄弱2.学员对核医学知识的兴趣不大3.学习分配的时间较短。

希望学员课后进行复习。