1、 第十七章第十七章 核醫學成像設備核醫學成像設備濮陽市中醫院放射科 郭廣卿第一節 概述一、核醫學成像的特點 核醫學成像的特點：核醫學成像的特點： 以臟器內外或臟器內各部分之間的放射性核素濃度差別為基礎，顯示靜態或動態圖像 多種動態成像方式 放射性核素具有向臟器或病變組織的特異性聚集總之，既可以進行解剖成像，又可以提供有關臟器總之，既可以進行解剖成像，又可以提供有關臟器與病變的功能和分子水平的信息與病變的功能和分子水平的信息二、核醫學成像的發展簡史 1896年，法國物理學家貝克勒爾在研究鈾礦時發現，鈾礦能使包在黑紙內的感光膠片感光，這是人類第一次認識到放射現象，也是后來人們建立放射自顯影的基礎。

2、 1898年，馬麗居里與她的丈夫皮埃爾居里共同發現了鐳，此后又發現了钚和釷等許多天然放射性元素。 1923年，物理化學家Hevesy應用天然的放射性同位素鉛-212研究植物不同部分的鉛含量，后來又應用磷-32研究磷在活體的代謝途徑等，并首先提出了“示蹤技術”的概念。 1926年，美國波士頓內科醫師布盧姆加特（Blumgart）等首先應用放射性氡研究人體動、靜脈血管床之間的循環時間，在人體內第一次應用了示蹤技術。 1951年，美國加州大學的卡森（Cassen）研制出第一臺掃描機，通過逐點打印獲得器官的放射性分布圖像，促進了顯像的發展。 1957年，安格（Hal O. Anger）研制出第一臺照相

3、機，稱安格照相機，使得核醫學的顯像由單純的靜態步入動態階段，并于60年代初應用于臨床。 1959年，他又研制了雙探頭的掃描機進行斷層掃描，并首先提出了發射式斷層的技術，從而為日后發射式計算機斷層掃描機ECT的研制奠定了基礎。 1972年，庫赫博士應用三維顯示法和18F-脫氧葡萄糖（18F-FDG）測定了腦局部葡萄糖的利用率，打開了18F-FDG檢查的大門。他的發明成為了正電子發射計算機斷層顯像（PET）和單光子發射計算機斷層顯像（SPECT）的基礎，人們稱庫赫博士為“發射斷層之父”。三、核醫學成像的基本過程 (一一)核醫學成像的基本條件：核醫學成像的基本條件：放射性藥物（標記化和物）核醫學成像

4、設備 （二）放射性成像的基本過程 1.放射性或標記化合物的制備 以放射性示蹤法為基礎，針對不同的靶器官或靶細胞、不同的部位和不同的檢查目的，制備相應的放射性示蹤劑。 2.將放射性示蹤劑引入體內 通過注射、口服等方法將示蹤劑引入體內，示蹤劑在體內根據其化學及生物學的行為特性，經生理生化、生理、病理、排泄等因素積聚濃縮于特定的靶器官和組織，形成體內的隨空間和時間而分布不同的圖像。 3.體外測定射線 靶器官或組織放射性釋放穿透組織的射線 ，使用靈敏的放射性探測器可以很容易地在人體外表探測到它們分布的所在位置，并定量地測定其大小并轉換成電信號。 4.數據處理 對采集到的基本圖像信息送入電子計算機系統中

5、，進行一系列的校正，再經處理或重建成為圖像數據。 5.圖像顯示與儲存 由計算機重建而成的基本圖像，再以灰階、彩色、動態、三維層面、表面三維立體、電影、雙減影成像等方式將體層面的輻射分布重現為一個精確的核醫學圖像，即可以獲得反映放射性在臟器和組織中濃度分布及其隨時間變化的圖像，顯示出臟器和組織的形態、位置、大小及其功能結構的變化。第二節 照相機 照相機也稱為閃爍照相機，是診斷腫瘤及循環系統疾病的重要設備 可進行動態研究 檢查時間短，適合兒童和危重病患 顯像迅速，便于多體位，多部位觀察 對圖像處理，獲得有助于診斷的數據和參數一、閃爍照相機的工作原理 注入人體的放射性核素發射出的伽瑪射線首先經過準直

6、器準直，然后打在碘化鈉晶體上，碘化鈉晶體產生的閃光由一組光電倍增管收集。任何一次閃爍均將在各個光電倍增管上產生不同的響應。 響應的強弱與光電倍增管距閃爍點的位置有關，距閃爍點愈近，產生的響應愈強，將所有光電倍增管的響應加起來可以產生位置信號和能量信號。 位置信號確定了閃爍事件發生的位置，能量信號確定那些閃爍事件該啟輝，那些閃爍事件不該啟輝。 經過上述處理的信號成為一個計數被記錄，形成一幅人體放射性濃度分布圖像，即為一幅相機圖像。二、 射線的探測技術 （一）核輻射探測原理 核醫學成像必定涉及核輻射探測，核輻射探測一般是指對核輻射線的強度和能量的測量。它一般分為兩類：對于帶電粒子，是利用它對物質的

7、電離和激發效應來探測的，對不帶電的射線，主要是通過探測它與物質作用時產生的次級帶電粒子而作間接探測。據此，制成各種輻射探測器。 （二） 射線探測器 放射性醫學成像中主要通過間接作用來探測射線的，而且所探測的射線一般屬于低能量范圍。由于射線與原子序數高的物質作用概率大，故射線探測器的探測介質一般選取Z值盡可能大的材料，如碘化鈉、鍺半導體、碘、鍺等的原子序數均較高。根據射線探測的記錄方法的不同，目前成像用的射線探測器主要有以下幾種。 1.晶體閃爍探測器 閃爍探測器是目前使用最廣泛的探測器，其探測介質是閃爍晶體，射線照射到閃爍晶體發生熒光效應時會產生相應的熒光，它既可探測射線強度，又可測定射線能量，

8、探測效率高。晶體閃爍探測器主要由閃爍晶體、光導、光電倍增管和前置放大器等組成，外面用鉛屏蔽，靠近閃爍晶體面向人體的端面還置有鉛準直器。 （1）閃爍晶體：閃爍晶體是能在高能粒子或光子作用下發射短暫熒光的物體。 光子進入閃爍晶體與其相互作用產生的次級電子使閃爍晶體的原子或分子電離或激發，它們復合或退激時即發射熒光，故又稱為熒光體。 射線探測器用的閃爍晶體一般為無機晶體，常用的除碘化鈉外，還有鍺酸鉍（Bi4Ge3O12，BGO)、镥-氧-正硅酸鹽(LSO）和氟化銫（CsF)等。NaI是無色透明晶體，滲入少量（0.1%0.5%)激活物質鉈后其發光效率提高近1倍。它廣泛用于測量射線。 但其能量分辨率較差

9、，一般在8%12%(用137Cs產生的611KeV射線測試）。BGO的有效原子序數高，符合探測效率為NaI的10倍，易于探測高能射線。CsF的發光衰減時間短（5ns),可用于“飛行時間”測量中。 2.多絲正比室 多絲正比室是20世紀60年代發展起來的一種新型氣體電離探測器。它是一種對位置空間非常靈敏的探測器，空間分辨率一般為0.52mm，主要取決于陽極絲間距，也與各極間距有關；分辨時間短，適于高計數率工作；但它只適于探測較低能量的射線（對于2580KeV的射線探測效率為10%50%）；其相機大多只能拍攝前表器官（如甲狀腺、乳腺等）的圖像。 多絲正比室的結構，如圖17-1所示，它主要由3個互相平

10、行的柵極組成（極間距離為310mm).這些柵級都是由許多被拉緊的互相平行的金屬絲（絲間距為13mm）制成的（多絲由此而得），它們被封裝在一個充有Xe（93%)-CH4（7%）或Xe-CO2混合氣體的密封室內，充氣壓強范圍為01 013kPa.改變充氣種類（原子序數）和壓強（密度相應改變）可改變射線能量的測量上限。中央柵極亦稱為0陽極，由鍍金鎢絲（直徑1225mm)制成，每條絲都連在一起。 2個外柵極 直徑50m或更粗的金屬絲構成，各條絲互不連接。這2個柵極的絲軸互相正交，絲軸與陽極絲平行的柵極稱0陰極；另一個稱90陰極。使用時在陰極與陽極之間加上直流高電壓。光子射入多絲正比室內的有效容積（靈敏

11、區）時，與氣體作用產生光電效應，生成的光電子大部分通過對氣體電離而將能量消耗在生成它的附近的較小區域內。 電離產生的次級電子在電場作用下向陽極移動，并在某根絲周圍的小區域內中造成約10的5次方倍的雪崩放大(次級電子的連鎖電離),形成一個放大的電信號脈沖，其大小與光電子的能量成正比。同時，雪崩產生的正離子移動至陰極絲上產生相反極性的電脈沖。室內電離事件的位置信息是通過相互正交的陰極絲及連接的電磁延遲線獲取的。 3.半導體探測器 半導體探測器具有能量分辨率高、線性響應好、脈沖上升時間短、工作電壓低、結構簡單、體積小等優點。其缺點是：一般需要用電荷靈敏前置放大器，以消除結電容的影響。半導體探測器實際

12、上是一種PN的結式的電離室， 使用時，在電極K與A之間(某種形式的PN結之間）加上反向偏電壓，在半導體介質內形成電場。無光子入射時反向絕緣電阻很大，漏電流極小，無輸出信號；當有光子入射時，由于光子的電離作用而產生大量的電子空穴對，在外電場作用下，它們分別向兩電極作漂移運動，在收集極 A上形成電流，通過負載電阻RL產生電壓脈沖信號。在半導體探測器中產生一對電子空穴的平均電離能比氣體探測器要小一個數量級（約3ev）。對于一定能量的射線粒子可產生較多的導電粒子，故她的靈敏度和能量分辨力較高。半導體探測器種類很多，主要有鋰漂移探測器、高純度鍺探測器、碲化鎘半導體探測器三種。三、照相機的基本結構 閃爍照

13、相機主要由四部分組成，即閃耀探頭，電子線路，顯示記錄裝置以及一些輔助裝置。閃爍探頭包括準直器，閃爍晶體，光電倍增管。電子線路包括位置計算電路，能量信號電路（前置放大器，主放大器和分析器均勻性校正器線路等）。顯示裝置包括示波器，照相機等。還有其轉移架和操作控制臺等。操縱臺上裝有能量選擇器、顯示選擇器、控制器、定時器、定標器、攝影顯示器。現代相機都裝備有計算機圖像數據處理系統。四、 照相機的探頭 照相機的探頭結構，由外殼、接裝環、準直器、閃爍晶體、光導、光電倍增管陳列及前置電路組成。 （一）準直器 1.準直器的作用 準直器位于探頭的最前端它是由鉛或鉛鎢合金鑄成的機械裝置，它的作用是把人體內四面八方

14、分散的伽瑪射線定向準直到閃爍晶體的一定部位上。這種采用準直器的方法稱作機械準直，以確別于電子準直。 2.準直器的結構 準直器是在有一定厚度的重金屬屏板上制作出不同形狀和數目的小孔而成的。在實際應用中大多采用鉛，有時為增強其屏蔽能力，在關鍵部分用鎢合金鑄成。 3.準直器的類型 孔的形狀： 針孔型、平行孔型、發散型、會聚型及斜孔型。 能量范圍：低能（ 350Kev）。 靈敏度和空間分辨：高靈敏、高分辨及通用型。 4.各種準直器的特點 （1）平行孔型準直器 空間分辨力隨距離增加而變差 靈敏度隨距離增加變化不太 圖像大小與靶器官和準直器之間的距離無關 分為低能通用型、低能高分辨率、低能高靈敏度 （2）

15、張角型準直器 擴大了有效視野10%-20% 靈敏度和分辨率較平行孔差，隨放射源與準直器距離的增加而變壞 易產生圖像畸變 （3）聚集型準直器 提高靈敏度和分辨率 易出現圖像畸變 適用于總計數時間受限的動態研究 （4）針孔型準直器 與小孔成像原理一樣，像與實物的方向相反 成像大小與距離成反比，距離越近，成像越大 （二）閃爍晶體 緊靠準直器，將射線轉化為熒光 晶體為碘化鈉晶體NaI(T1)，晶體在探頭中起波長轉換器的作用 普通放射性核素產生的伽瑪射線為高能量，短波長的光子，它不能直接被晶體后面的光電倍增管(PMT)接受，必須把它轉換成波長與可見光一樣的光子才能被PMT接受（10-19nm 400nm

16、左右)。 晶體的形狀可以是方形、矩形和圓形， 圓形用得最多。 晶體的主要規格是它的大小和厚度。 矩形和方形晶體則以邊長表示。 目前大面積的晶體面積可達600400mm2。晶體厚度用毫米表示(傳統用英寸)。 （三）光導 位于閃爍晶體和光電倍增管陣列之間的薄層郵寄玻璃片或光學玻璃片 把光電倍增管通過光耦合計與閃爍晶體耦合 把閃爍晶體受射線照射后產生的閃爍光有效地傳送至光電倍增管得光電陰極上 （四）光電倍增管 呈蜂窩狀排列成陣列狀 圓形探測器PMT數量為37-91個，方形或矩形探測器PMT一般為55-96個。 PMT有圓形和六角形，六角形優點：去除光導，直接與晶體緊密相貼，消除探測間隙，提高靈敏度和

17、空間分辨力五、 照相機電路照相機電路 照相機電路：位置信號通道和能量信號通道 能量信號通道：脈沖總和電路、脈沖高度分析器、自動曝光電路，生理標記電路等 （一）位置計算電路 由定位電路和位置信號通道完成 定位電路作用：將光電倍增輸出的電脈沖信號轉換成為確定晶體閃爍點位置的X、Y信號和確定入射射線強度的信號 兩種類型 一加權電阻矩陣網絡型（Anger型） 延遲線時間轉換型 （二）能量信號電路 通過前置放大器和主線性放大器把電信號整形和放大 1.前置放大器：對探測器信號進行預放大 2.主線性放大器：將前置放大器輸出的電脈沖信號成比例地進行放大并濾波整形 3. 脈沖幅度分析器 有選擇性地記錄從晶體和光

18、電倍增管輸送來的電脈沖信號。 排除本底及其他干擾信號。 單道脈沖高度分析器：選擇具有一定能量范圍的射線進行測量，測定射線能量分布（能譜） 多道脈沖高度分析器：測定能譜方面，效率和精度比單道要高 4.均勻性校正電路 要使空間分辨力好，像素數目就要多，而在一定的閃爍計數數目下，每一個像素的光子計數數目就會小，統計漲落會對像素造成不良影響。一幅質量較好的圖像，每個像素顯示必須要在4050以上個計數。現代照相機都有均勻性校正線路，它由微處理器來完成。 5.脈沖計數器 其功能是測定某一段時間內由探頭輸出的脈沖信號的絕對數目，以獲取射線強度或能量的具體數據。將這段時間的脈沖信號計數除以這段時間便得計數率。

19、 （三）信號數字處理 現代數字式相機，由于大規模集成電路的模數變換器、微處理器、高密度數字存儲器的使用，實現了相機的完善的數據處理。它包括相機的數據采集、圖像處理、圖像顯示、感興趣區顯示、局部動態曲線的制作與分析和數據檢查等。 （四）圖像顯示處理 當我們一次次地記錄了閃爍點的位置后，就可以構成一幅呈矩陣形式排列的數字化圖像。核醫學的圖像一般采用3232,6464,128128或256256像素點的矩陣圖像。矩陣的像素點愈密集，圖像的空間分辨率愈高。但是，由于給病人使用的放射性藥物的劑量不能很大，數據采集的時間也不能時間太長， 所以每幅圖像能包含的射線光子計數是有限的。如果采用像素點較多的矩陣，

20、每個像素的射線光子計數就很少，于是統計漲落的影響就比較明顯，或者說圖像的信號比較差。相機的圖像一般在監視器的熒光屏上顯示，記錄圖像的方法大多以膠片為主。六、多絲正比室照相機 探測器采用多絲正比室的照相機稱為多絲正比室相機。這種相機的位置坐標由電磁延遲線經電容耦合至每個絲極的正交平面來確定。它的分辨時間短，有利于動態檢查。對于2580keV的射線的探測效率為10%50%,可獲得毫米級分辨率的圖像。恢復時間長是缺點。近年來國外已研制成功比一般相機成本低一個數量級的多絲正比室相機。多絲正比絲相機具有很大的應用潛力和廣闊的發展前景。第三節 單光子發射型計算機體層設備（SPECT）一、SPECT的成像原

21、理及類型 （一）成像原理 是一臺高性能的照相機的基礎上增加了支架旋轉的機械部分、斷層床和圖像重建（reconstruction）軟件，使探頭能圍繞軀體旋轉360o或180o，從多角度、多方位采集一系列平面投影像。通過圖像重建和處理，可獲得橫斷面（transverse section）、冠狀面（coronal section）和矢狀面（sagittal section）及其它斜斷面的斷層影像。 （二）類型 1.掃描機型SPECT 檢查時探頭須知平動和旋轉兩種運動，探測器沿病人某一截面在不同方向上作直線掃描，將每一條線上的體內示蹤劑 放出的射線總和記錄下來，形成一個投影。這些直線投影的集會形成一個

22、投影截面。每做完一次直線掃描，探測器旋轉一定角度， 再掃描一次，取得另一個投影截面，如此反復，直到整個掃描結束。由計算機對取樣數據進行處理并重建為體層像。這類SPECT體層速度快，適用于快速動態研究，但因價格較高，不能同時兼用于平面顯像和全身顯像，故在實際應用中掃描型SPECT僅占5%，趨于淘汰。 2. 相機型SPECT 相機型的SPECT是由高性能、大視野、多功能的照相機和支架旋轉裝置、圖像重建軟件等組成，可進行多角度、多方位的采集數據。圖像采集完畢存入硬盤以備圖像重建。 相機型SPECT 有兩種具體實施方法。 （1）固定型：固定型是采用結構固定式探測器。它由互成90度的4臺相機組成。用多針

23、孔準直器或旋轉斜孔準直器采集不同角度的投影而進行圖像重建，90度內的掃描通過旋轉病訂來實現。 （2）旋轉型：旋轉型是目前常用的方法，是用1臺或2臺閃爍相機，將整個探測器裝在可旋轉360度的框架上。 應用大視野閃爍晶體、多個光電管的相機探頭圍繞身體旋轉360度或180度進行完全角度或有限角度取樣，可以重建各種切面的符合臨床要求的體層像。旋轉相機型SPECT既可獲取平面投影像，又可獲取人體橫斷層面像和全身顯像。一次旋轉即得到多個層面的重建數據，靈敏度高，速度快。近幾年為了提高靈敏度和空間分辨力，加快采集速度，已有雙探頭和三探頭的旋轉相機型問世。二、SPECT的基本組成 由探測器、機架、床、控制臺、

24、計算機和外周裝置組成。 1.探測器 SPECT探測器與照相機探測器相同 2.機架 機械運動組件 機架運動控制電路 電源保障系統 機架操縱器 運動狀態顯示器 3.計算機及外圍裝置 計算機：微型機、小型機、單功能多處理器等 外圍裝置：磁帶機、可讀寫光盤、高精度的黑白或彩色顯示器、生理信號檢測輸出設備三、SPECT的性能特點 1.體層圖像 2.衰減校正 3.空間分辨率較低 4.靈敏度比較低 5.價格便宜第四節 正電子發射型計算機體層設備（PET）一、正電子放射性核素 正電子又稱+粒子，是放射性核素在衰變過程中發射出來的帶正電荷的電子，其質量與帶負電荷的電子相同。發射正電子的放射性核素幾乎都是人工生產

25、的放射性核素，自然界中的天然放射性核素一般不會發射正電子。正電子在物質中經過極短距離的運行后，與臨近的負電子結合而消失，從而轉化成一對方向相反、能量各為0. 511MeV的y光子，通常將這一過程稱為湮沒輻射，這也是當今進行PET成像的基礎。 目前醫用正電子核素主要是由回旋加速器生產。用加速的質子或zH轟擊相應的穩定性原子而獲得，如應用穩定的元素18O可以制備目前常用的正電子放射性核素18F，其物理半衰期為109min，應用18F標記的脫氧葡萄糖(18F - FDG)又是用PET診斷腫瘤最常用的顯像藥物或顯像劑。 除了18F外，回旋加速器生產的PET顯像用正電子核素還有13N，11C和150等，

26、這些核素的物理半衰期都非常矩，其中150僅122s，13N為lOmin，11C為20. 3min。由于這些核素的半衰期太短，不便于長途運輸，故一般都在醫院內生產。其他目前應用比較少的正電子核素還有62 Cu，64CL1，68 Ga，124I等，有些可通過發生器生產制備。二、PET探測原理 PET的基本原理是利用加速器生產的超短半衰期同位素，如氟-18、氮-13、氧-15、碳-17等作為示蹤劑注入人體，參與體內的生理生化代謝過程。這些超短半衰期同位素是組成人體的主要元素， 利用它們發射的正電子與體內的負電子結合釋放出一對伽瑪光子，被探頭的晶體所探測，得到高分辨率、高清晰度的活體斷層圖像，以顯示人

27、腦、心臟、全身其它器官以及腫瘤組織的生理和病理的功能及代謝情況。 1.符合電路 僅有電子準直還不能確定閃爍事件的空間位置。少林湮沒輻射的兩個光子是空間某點上同時產生的閃爍事件，必須把它們同時測定下來才能確定事件發生的空間位置。探測同時發生的信號采用符合探測技術。符合線路與單道分析器中應用的符合線路相反，前者是兩個閃爍事件同時進入則被探測，不同時進入的閃爍事件則被剔出，后者則剛好把同時進入的閃爍事件剔出于門外。 2.隨機符合 除真實符合外，短于分辨時間進入符合線路的兩個無關 光子也會被 探測下來，實際上這兩個光子并不是發生湮滅事件時產生的兩個相關光子，而是由于某種其他原因同時到達檢測器的兩個不相

28、關的光子，這種符合稱為隨機符合。 發生隨機符合可能有以下幾種情況：一是散射后發生的符合事件，占全部真實符合事件的8%30%，二是所謂的偶然符合事件，約占真實事件的15%，隨機符合 的存在是PET中一個十分嚴重的問題，它造成了偽像損害圖像質量。減少隨機符合最簡單的方法是采用低計數率，也有采用減法電路，把隨機符合從總計數中剔出。 3.衰減校正 為了準確地確定放射性核素在人體內的密度分布，PET系統也需要進行衰減校正，其原理和SPECT類似，但比SPECT系統的校正更精確。 4.飛行時間技術 在成對探測器視野內的一對光子到達兩個探測器的時間可能有差別或無差別，根據t和光速可計算出發生湮沒輻射的確切位

29、置，這一技術應用于提高空間分辨力，稱為飛行時間技術。三、PET的基本結構 PET掃描系統主要由掃描儀、顯像床、電子柜、操作與分析工作站和影像硬拷貝工作站等組成。 1.PET掃描儀 PET掃描儀的外形類似CT，為一個柱狀的支架，掃描視野位于支架的中央，為一個環狀、筒形的空洞。掃描儀由探測器、射線屏蔽裝置、棒源、符合事件探測及符合事件處理系統等組成 2. 電子柜 電子柜主要由陣列處理器組成，用于貯存符合事件處理系統傳來的光子信號，并在工作站指令指導下通過重建將其轉化為圖像。 3. 操作與分析工作站 操作與分析工作站通過人機對話控制掃描儀、顯像床及電子櫥進行圖像采集、重建處理等，并對重建后圖像重新切

30、層和進行圖像顯示、圖像分析和定量計算等。四、PET成像特點與應用 （一）優點 PET是目前惟一可在活體上顯示生物分子代謝、受體及神經介質活動的新型影像技術，現已廣泛用于多種疾病的診斷與鑒別診斷、病情判斷、療效評價、臟器功能研究和新藥開發等方面。 （1）靈敏度高。PET是一種反映分子代謝的顯像，當疾病早期處于分子水平變化階段，病變區的形態結構尚未呈現異常，MRI、CT檢查還不能明確診斷時，PET檢查即可發現病灶所在，并可獲得三維影像，還能進行定量分析，達到早期診斷，這是目前其它影像檢查所無法比擬的。 （2）特異性高。MRI、CT檢查發現臟器有腫瘤時，是良性還是惡性很難做出判斷，但PET檢查可以根據惡性腫瘤高代謝的特點而做出診斷。 （3）全身顯像。PET一次性全身顯像檢查便可獲得全身各個區域的圖像。 （4）安全性好。PET檢查需要的核素有