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核医学仪器

第二章核医学仪器

核医学仪器是指在医学顶用于探测和记录放射性核素放出射线的种类、能

量、活度、随时间变化的规律和空间散布等一大类仪器设施的统称，它是展开核医学工作的必备因素，也是核医学发展的重要标记。

依据使用目的不同，核医学常用仪器可分为脏器显像仪器、功能测定仪器、体外样本丈量仪器以及辐射防备仪器等，此中以显像仪器最为复杂，发展最为快速，在临床核医学中应用也最为宽泛。

核医学显像仪器经历了从扫描机到γ照相机、单光子发射型计算机断层仪

（singlephotonemissioncomputedtomography，SPECT）、正电子发射型计算

机断层仪（positronemissioncomputedtomography，PET）、PET/CT、SPECT/CT

及PET/MR的发展历程。

1948年Hofstadter开发了用于γ闪耀丈量的碘化钠晶

体；1951年美国加州大学Cassen成功研制第一台闪耀扫描机，并获取了第一幅

人的甲状腺扫描图，确立了影像核医学的基础。

1957年HalAnger研制出第一

台γ照相机，实现了核医学显像检查的一次成像，也使得核医学静态显像进入

动向显像成为可能，是核医学显像技术的一次飞腾性发展。

1975年M.M.

Ter-Pogossian等成功研制出第一台PET，1976年JohnKeyes和RonaldJaszezak

分别成功研制第一台通用型SPECT和第一台头部专用型SPECT，实现了核素断层

显像。

PET因为价钱昂贵等原由，直到20世纪90年月才宽泛应用于临床。

近十

几年来，跟着PET/CT的渐渐普及，实现了功能影像与解剖影像的同机交融，使

正电子显像技术迅猛发展。

同时，SPECT/CT及PET/MR的临床应用，也极大地推

动了核医学显像技术的进展。

第一节核射线探测仪器的基根源理

一、核射线探测的基根源理

核射线探测仪器主要由射线探测器和电子学线路构成。

射线探测器实质上是

一种能量变换装置，可将射线能变换为能够记录的电脉冲信号；电子学线路是记

录和剖析这些电脉冲信号的电子学仪器。

射线探测的原理是鉴于射线与物质的相

互作用产生的各样效应，主要有以下三种。

1．电离作用射线能惹起物质电离，产生相应的电信号，电信号的强度与

射线的种类、能量及射线的量存在必定关系，记录并剖析这些电信号即可得悉射

线的种类及放射性活度。

如，电离室（

ionizationchamber

）、盖革计数器

（Geiger-Müllercounter

）等。

2．荧光现象带电粒子能使闪耀物质发出荧光。

γ光子在闪耀体中经过产生光电子、康普顿电子和电子对激发闪耀物质发出荧光。

荧光光子经过光电倍增管变换为电信号并被放大，由后续的电子学单元剖析、记录下来。

如，闪耀计数器等。

3．感光作用射线可使感光资猜中的卤化银形成潜影，在进行显影办理时，将潜影中的感光银离子复原为黑色的金属银颗粒，感光资料形成黑色颗粒的数目与射线的量成正比。

依据感光资料产生黑影的灰度及地点判断放射性存在的量及部位。

如，放射自显影等。

二、核射线探测器的种类

核射线探测仪器依据探测原理主要分为闪耀型探测器（scintillation

detector

）、电离型探测器（

ionizationdetector

）、半导体探测器和感光资料

探测器。

闪耀型探测器主要用于核医学显像仪器、功能测定仪器，体外β、射

线丈量仪器等；电离型探测器主要用于测定放射源活度和辐射防备仪器。

（一）闪耀型探测器

闪耀型探测器是利用射线使荧光物质分子激发，激发态（excitedstate）

的荧光物质分子答复到基态（groundstate）时发射荧光光子的原理设计的探测器。

闪耀型探测器由闪耀体、光导、光电倍增管等构成。

是核医学仪器中应用最宽泛的探测器。

1．闪耀体（scintillator）闪耀体汲取射线能量后，闪耀体内的分子或

原子被激发，并在答复到基态时发射荧光光子。

闪耀体依照形态又分为固体闪耀

探测器和液体闪耀探测器，此中晶体闪耀探测器（crystalscintillationdetector）是核医学仪器最常用的固体闪耀探测器。

液体闪耀探测器主要用于低能β射线、低能射线及契伦科夫效应等丈量，称为液体闪耀丈量。

晶体闪耀探

测器的资料选择，单光子探测多项选择用碘化钠晶体（NaI），在碘化钠晶体内按0.1%

~0.4%分子比加入铊（Tl）能够增添能量变换效率，提升探测效率。

所以，碘化钠晶体往常表示为NaI（Tl）。

碘化钠晶体透明度高、对射线汲取性能好、探测

效率高，对核医学单光子显像最常用的核素99mTc的射线的探测效率可达到70%~

90%。

正电子探测采纳锗酸铋（bismuthgermaniumoxide，BGO）晶体，硅酸镥

（lutetiumoxyorthosilicate，LSO）晶体及硅酸钇镥（lutetiumyttrium

orthosilicate，LYSO）晶体等。

2．光导（lightguide）光导主要有硅油和有机玻璃两种，填补于晶体闪

烁探测器与光电倍增管之间，减少空气对荧光光子的全反射，提升荧光光子进入

光电倍增管的效率。

3．光电倍增管（photomultipliertube，PMT）是一种能量变换装置，可

将轻微的光信号变换成电流脉冲（图2-1）。

闪耀体发射的荧光光子经光学窗进

入光电倍增管，在岁月极上打出光电子，离岁月极不远处的第一倍增极上加有

200~400V的正电压，光电子被它吸引和加快，高速光电子撞在倍增极上会产

生多个二次电子；二次电子又被加有更高电压（+50~+150V）的第二倍增极吸

引和加快，并在它上边撞出更多二次电子，而后第三倍增极使电子进一步倍增。

经过9~12个倍增极的连续倍增，二次电子簇流最后被阳极采集起来形成电流

脉冲，每个倍增极的倍增因子一般为3~6，总倍增因子能够达到105~108。

从

阳极上获取的电子簇流与进入光电倍增管的闪光强度成正比，因此也与入射闪耀

晶体的γ光子的能量成正比，所以闪耀探测器是一种能量敏捷探测器。

外界磁

场能影响在倍增极之间飞翔的二次电子的运动轨迹进而使倍增因子发生变化，因

此在光电倍增管外面往常包裹着高导磁系数资料制造的磁障蔽层以降低外界磁

场的影响。

图2-1光电倍

增管工作原理

跟着科学技术的飞快发展，光电倍增管也出现了崭新设计，经过将低功耗数

字电路集成到硅光电倍增管芯片，这类硅光电倍增管能够将探测到的光子直接转

换成可经过芯片计数的超高速数字脉冲。

硅光电倍增管能够实现更快、更正确的

光子计数，以及更好的时间分辨率，对于改良核医学影像仪器的性能拥有重要意

义。

（二）电离型探测器

电离型探测器是利用射线能负气体分子电离的原理设计的探测器，常采纳玻

璃、塑料或石墨等资料构成一个充满惰性气体的密闭的圆柱形管，管子的中央有一个金属丝为阳极（anode）与电源的阳极相连，管壁内衬一层薄金属为阴极

（cathode）与电源阴极相连。

电离型探测器的工作原理是：

射线负气体分子电离，在电场作用下，带正电荷的离子向阴极挪动，带负电荷的离子朝阳极挪动，在电路中便可产生一次电压变化，形成一个电脉冲。

电脉冲的数目及电信号的强弱与射线的数目及能量呈必定关系。

电离型探测器主要有电离室、盖革计数器及

正比计数器（proportionalcounter）等种类。

（三）半导体探测器

半导体探测器是20世纪60年月开始发展起来的探测器，主要采纳半导体材

料，如硅、锗等。

探测原理是晶体内部产生电子和空穴对，产生的电子和空穴对

的数目和入射光子的能量成正比。

带负电的电子和带正电的空穴分别向正负电极

挪动，形成的电脉冲，其强度与入射光子的能量成正比。

当前，外国新研制出半

导体探测器为碲锌镉（Cadmium-Zinc-Telluride，CZT）探测器。

CZT探测器探

测效率高，与传统的碘化钠闪耀体探测器对比，拥有更高的能量分辨率。

在常温

下，CZT半导体探测器能够直接将γ射线转变为电信号。

当前，CZT探测器已经

用于心脏专用型SPECT、乳腺专用γ照相机、小动物PET、小动物SPECT等核医

学仪器。

（四）感光资料探测器

利用射线可使感光资料感光的原理探测射线，依据感光资料产生黑影的灰度及地点判断射线的量及部位。

主要用于实验核医学的放射自显影。

三、核探测器的电子学线路

核探测器输出的电脉冲一定经过一系列电子学单元线路办理才能被记录和显示。

最基本的电子学线路有放大器、脉冲高度剖析器、计数定量、记录、显示及供电线路等。

（一）放大器

放大器包含前置放大器（preamplifier）和主放大器（mainamplifier）两部分。

由探测器输出的电脉冲信号很微小，并且形状也多不规整，需要放大整形后才能被有效的记录和显示。

放大器就是对电脉冲入行放大、整形、倒相的电子学线路。

（二）脉冲高度剖析器

脉冲高度剖析器的基本电路是甄别器（discriminator），其作用是将幅度超出必定阈值的输入脉冲转变为标准的数字脉冲输出，而把幅度小于阈值的脉冲“甄别”掉，这个阈值就称为甄别阈（discriminatorthreshold），甄别阈的电位是连续可调的。

仪器的暗电流及本底计数也可产生脉冲信号，但其高度显然低于射线所产的脉冲信号，所以设置适合的阈值可减少本底对丈量的影响。

甄别器的丈量方式为积分丈量。

实践中常将两个或多个甄别器联合使用，此中最简单、最常用的是单道脉冲

高度剖析器（singlechannelPHA）（图2-2），它由上、下两路甄别器和一个反

切合电路（anti-coincidencecircuit）构成。

假如下限甄别器的阈电压为V，

上限甄别器的阈电压为V+?

V，只有当输入脉冲的高度大于V同时小于V+?

V时，才能触发反切合线路而输出，不切合这一条件者，就不可以触发切合线路而不可以输出。

这类丈量方式称为微分丈量。

假如将下限阈值V与上限阈值V+?

V之间形成的阈值差?

V当作一个通道，上下两路甄别阈的差值称为道宽（channelwidth），

也称为能量窗宽。

依据待测放射性核素射线的能量调理脉冲高度剖析器的高度和

“道宽”或“窗宽”，选择性地记录目标脉冲信号，清除本底及其余扰乱，可提

高探测效率，脉冲高度剖析器也能够用于丈量射线的能谱。

图

冲

2-2单道脉

高度剖析器

工作原理

核射线探测仪器是由上述核射线探测器和电子学线路构成（图

2-3）。

图

测

2-3放射性

量仪器的组

成表示图

第二节γ照相机

γ照相机（γcamera）于1957年由HalAnger研制成功，所以也称为Anger型γ照相机。

γ照相机能够显示放射性药物在机体内的散布及代谢状况，获取放

射性药物在特定脏器或组织内的转运和散布信息，以二维图像的方式反应特定脏器或组织功能及代谢变化。

γ照相机主要由准直器（collimator）、闪耀晶体、光

电倍增管（PMT）、前置放大器、放大器、X-Y地点电路、总和电路、脉冲高度

剖析器（

PHA）及显示或记录器件等构成（图

2-4）。

图

2-4

γ照相

机

表示图

一、准直器

准直器位于探头的最前面，介于闪耀晶体与患者之间，主要由铅或钨合金等

重金属制成，此中贯串有为数不等、种类不同的孔。

准直器只同意特定方向γ光子和晶体发生作用，障蔽限制散射光子，以保证γ照相机的分辨率和信号定位的正确性。

准直器的性能在很大程度上决定了探头的性能。

准直器的主要参数包含孔数、孔径、孔长（或称孔深）及孔间壁厚度，这些参数决定了准直器的空间分辨率、敏捷度和合用能量范围等性能。

1．准直器的空间分辨率空间分辨率表示对两个周边点源加以分辨的能力，

往常以准直器一个孔的线源响应曲线的半峰值全宽度（FullWidthatHalf

Maximum，FWHM），简称半高宽，作为分辨率的指标。

准直器孔径越小，分

辨率越好。

准直器越厚，分辨率也越高。

2．准直器的敏捷度敏捷度定义为配置该准直器的γ照相机探头丈量单位活度（如1MBq）的放射性核素的计数率（计数／s）。

准直孔越大，敏捷度越高；准直器越厚，敏捷度越低；孔间壁越厚，敏捷度越低。

3．合用能量范围主要与孔间壁厚度有关，厚度0.3mm左右者合用于低能（＜150keV）γ射线探测，1.5mm左右者合用于中能（150~350keV）γ射线探

测，2.0mm左右者合用于高能（＞350keV）γ射线探测。

4．准直器的种类按几何形状分为针孔型、平行孔型、扩散型和汇聚型四

类。

按合用的γ射线能量分为低能准直器、中能准直器和高能准直器三类。

按灵

敏度和分辨率分为高敏捷型、高分辨型和通用型（兼备敏捷度和分辨率的一类准

直器）三类。

二、闪耀晶体

NaI（Tl）晶体是当前应用最为宽泛的γ照相机闪耀晶体。

采纳NaI（Tl）晶体探

测γ射线，主假如因为碘拥有高密度（3.67g/cm3）及高原子序数（Z=53），NaI（Tl）

晶体与γ射线作用发生光电效应的效率凑近100%。

可是该晶体吸湿性较强，吸

收水后晶体变黄，致使穿透进入PMT的光子减少，所以往常将NaI（Tl）晶体密封在铝容器中。

晶体的入射面和周边涂有反射物质（氧化镁），将光子反射到PMT的岁月极。

NaI（Tl）晶体简单破裂，使用中一定当心。

搁置NaI（Tl）晶体的房间温度一定恒定（每小时变化在≤3℃），温度的急巨变化会致使晶体碎裂。

晶体厚度对射线的探测效率及图像的分辨率有显然影响。

增添晶体厚度可增添射线被完整汲取的概率，可提升探测敏捷度，可是也增添了多次康普顿散射的概率，降低图像的分辨率。

可见探测效率与图像的分辨率是一对矛盾，在选择闪耀晶体厚度时，要兼备探测效率与图像分辨率。

三、光电倍增管

光电倍增管的数目与γ照相机探头的大小及形状有关，光电倍增管的形状也

不单是圆形，还有正方形、六角形等，这样可减小光电倍增管摆列间的间隔，减

少死角。

这些光电倍增管平均地摆列在晶体的后边，紧贴着晶体。

当射线进入晶

体，与晶体互相作用产生的信号，被该部位一个或多个光电倍增管汲取，转变为

电压信号输出。

由这些输出信号的综合和加权，最后形成显像图。

在显像图中的

定位取决于每一个光电倍增管接收到的信号的多少和强弱。

光电倍增管的数目多

少与定位的正确性亲密有关。

数目多则探测效率和定位的正确性就高，图像的空

间分辨率和敏捷性也高，图像质量就能获取很大的提升。

四、X-Y地点电路

一个γ光子在晶体中产生多个闪耀光子，能够被多个光电倍增管接收，各个光电倍增管接收的闪耀光子的数目随其离闪耀中心（γ光子处）的距离增添而减少，输出的脉冲幅度也较小。

在晶体中发生一个γ闪耀事件，就会使摆列有序的

光电倍增管阳极端输出众多幅度不等的电脉冲信号。

这些信号输入到X-Y地点电路，经过权重办理就能够获取这一闪耀事件的地点信号。

光电倍增管数目越多，图像上全部脉冲的X-Y地点精度越好，即图像空间分辨率越好。

五、脉冲高度剖析器

光电倍增管输出的电压脉冲高度与射线的能量成正比，脉冲高度剖析器就是

选择性地记录探测器输出的特定高度电脉冲信号的电子学线路装置，所以，采纳

脉冲高度剖析器能够选择待测射线的能量。

在临床工作中，可依据所应用的放射

性核素发射的射线能量调理脉冲高度剖析器，设置窗位和窗宽，选择性地记录特

定的脉冲信号，清除本底及其余扰乱脉冲信号。

在设置能窗时，窗位中心要瞄准

目标射线的能峰，窗宽要基本包含整个光电峰。

往常窗宽设置为20％。

比如，

采纳99mTc标记的放射性药物进行显像时，窗位中心设在140keV，窗宽设置为20%时，窗宽为154keV~126keV。

六、模-数变换器

模-数变换器（ADC）是将γ照相机输出的模拟信号转变为数字信号的装置，转变后的数字信号才能进行电子计算机办理。

常用的ADC为8位和16位，马上一个模拟信号变换为8位或16位2进制数。

ADC位数影响图像空间分辨率，

一幅同样大小的图像，变换位数越多，图像就越精美。

一台γ相机的ADC位数取决于硬件设计。

七、乳腺专用γ照相机

乳腺专用γ照相机的探头是采纳两个互成180°的平板探测器构成，包含

闪耀晶体探测器和近几年发展起来的CZT半导体探测器（图2-5），因为设计和

99m

检查。

临床应用结果显示，乳腺专用γ照相机对乳腺癌的检出敏捷度与钼靶X线机周边，可填补钼靶X线成像对高密度乳腺组织内肿瘤检出的不足，特异性高于钼靶X线机。

图2-5

乳腺专用γ照

相机

第三节SPECT及SPECT/CT

SPECT是γ照相机与电子计算机技术相联合发展起来的一种核医学显像仪器，在γ照相机平面显像的基础上，应用电子计算机技术增添了断层显像功能，就好像X线摄片发展到X线CT同样，是核医学显像技术的重要进步。

SPECT断层显像战胜了γ照相机平面显像对器官、组织重叠造成的小病灶掩饰，提升了

对深部病灶的分辨率和定位正确性。

SPECT与CT及MRI影像技术不同，主要显

示人体组织器官的功能和代谢变化，对解剖构造及比邻关系显示不如CT、MRI。

SPECT/CT就是将两个成熟的医学影像学技术SPECT和CT有机地交融在一

起，实现了功能代谢图像与解剖构造图像的同机交融，一次显像即可获取SPECT

功能代谢图像，又能获取CT解剖构造图像及SPECT/CT交融图像，实现了两种影

像学技术的同机交融，优势互补，为临床供给更多的诊疗信息。

同时还可利用X

线CT扫描数据对SPECT图像进行衰减校订。

一、SPECT

SPECT由探头（探测器）、机架、检查床和图像采集办理工作站四部分构成，

探头是SPECT的核心零件，依据临床需要设计探头数目，往常为1~3个，最常

用2个探头。

（一）单探头SPECT

单探头SPECT只有一个可旋转采集的探头（图2-6），患者显像检查原始数据的采集是由单个探头旋转或平移达成。

构造简单、价钱廉价，但断层显像及扫描速度慢，患者检查时间长。

图2-6单探头

SPECT

（二）双探头SPECT

双探头SPECT有两个采集探头（图2-7），依据两个探头的相对地点分为固定角和可变角两种。

固定角90度是指两个探头相对地点为90度，特意为心脏检查设计的机型。

固定角180度为探测器位于相对180度的地点，主要用于浑身扫描，如浑身骨扫描及SPECT断层显像等。

当前，SPECT多设计为可变角，两个探头可设置成为180度、90度、76度或102度成角等不同角度，以知足不同脏器的显像检查。

此外，还有一种双探头SPECT设计为悬吊式探头，这类悬吊式设计使得探头摆放和成角更为灵巧。

图

2-7

双探头

SPECT

（三）三探头SPECT

三探头SPECT有三个探头构成（图

于脑及心脏SPECT显像检查。

图

2-8），三个探头的相对角度可变。

多用

2-8三探头

SPECT

（四）心脏专用

SPECT

心脏专用SPECT的探头是采纳半环状（180°）摆列的CZT半导体探测器（图

2-9），进行心肌断层显像时，探头无需旋转，提升了检查速度，可进行动向断层

采集及动向门控断层采集，防止了运动伪影，提升了仪器的性能。

图2-9

心脏专用

SPECT

（五）双探头切合线路断层显像仪

双探头切合线路断层显像仪（

dual-headtomographywithcoincidence

，

DHTC）拥有两个探头，装备切合探测电路及

X线或γ射线的透射衰减校订装置

（图

2-10）。

双探头切合线路断层显像仪可达成惯例单光子核素

SPECT显像，也

能达成正电子核素显像。

对于DHTC探头的NaI（Tl）晶体设计一定兼备高能和低

能两类核素的有效探测，晶体太薄将显然降低高能正电子核素的探测效率，所以

DHTC探头的NaI（Tl）晶体的厚度多设计为5/8或3/4英寸，也有设计为1英寸。

DHTC切合线路显像固然能够达成部分正电子显像（主假如18F），可是其分辨率低，

采集时间长，并且不可以绝对定量，所以不可以取代PET使用。

双

图2-10

探头切合线

路断层显像仪

利用SPECT进行高能正电子核素显像的另一种方法，是将双探头均配置超高

能准直器，直接探测511keV超高能γ射线。

可同时进行高能和低能双核素显像，主要用于检测存活心肌的18F-FDG和99mTc-MIBI或201Tl双核素显像。

弊端是

超高能准直器极为粗笨，探测敏捷度低，图像分辨率低。

二、SPECT/CT

SPECT/CT是SPECT和CT两种成熟技术相联合形成的一种新的核医学显像仪

器（图2-11），实现了SPECT功能代谢影像与CT解剖形态学影像的同机交融。

一次显像检查可分别获取SPECT图像、CT图像及SPECT/CT交融图像，能够采纳

X线CT图像对SPECT图像进行衰减校订。

SPECT/CT中SPECT与CT的联合有两种设计方式，一种是在SPECT探头机架上安装一个X线球管，对侧安装探测器，也就是SPECT和CT位于同一机架；另

一种是在

SPECT机架后再并排安装一个高档螺旋

CT，SPECT与

CT位于不同的机

架。

图

2-11

SPECT/CT（a：

PHILIPS，b：

SEIMENS，c：

GE）

心脏专用SPECT/CT是采纳CZT半导体探测器的心脏专用SPECT与≥64排螺

旋CT整合的SPECT/CT（图2-12）。

提升了仪器的整体性能，可将SPECT心肌血流灌输显像信息与高端螺旋CT解剖形态信息，特别是冠状动脉能否狭小及狭小程度信息相交融，可从冠状动脉和心肌血流灌输两个层面对心脏进行评论，为临床供给更全面的诊疗信息。

图2-12CZT半

导体探测器的

心脏专用

SPECT/CT

三、SPECT

的图像采集

SPECT的图像采集依据临床需要可进行静态采集和动向采集，

平面采集和断

层采集，局部采集和浑身采集，以及门控采集等。

此中