放射性核素成像第1頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五伽瑪照相機第2頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五第3頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五內容梗概放射性核素顯像的特點原子核反應的基本概念放射性衰變規律γ射線探測準直器γ照相機和單光子發射型計算機斷層正電子發射型計算機斷層PET-CT技術第4頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五放射性核素顯像

RNI主要是功能性顯像，采用放射性核素示蹤的間接檢測技術可以獲取定性、定量、定位的生物體內物質動態變化規律。第5頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五放射性制劑放射性制劑是制劑分子中含有放射性核素的放射性制劑或放射性藥物的總稱。放射性制劑可以是放射性核素及其簡單化合物,如NaI,也可以是用放射性標記的化合物,如18F-去氧葡萄糖。第6頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五放射性制劑在其制備過程中的要求1．高產率。即最大限度的利用放射性核素。2．微量、低濃度。3．簡便、快速。4．安全。第7頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五放射性制劑制備的方法化學合成法同位素交換法第8頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五核外電子與原子核

原子的結構是由位于原子中心的原子核及按一定軌道圍繞原子核運行核外電子組成。原子核是由質子和中子組成，質子和中子統稱核子。中子不帶電，質子帶電，其電量與電子電量相等.

第9頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五幾個基本概念

核素

凡是具有一定原子序數、一定質量數和一定能量狀態的各種原子，統稱為核素。

同位素

具有相同原子序數，但質量數不同的核素稱為同位素。

同質異能素

凡具有相同的原子序數和質量數，處于不同能量狀態的一類核素，彼此稱為同質異能素。第10頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五穩定性核素（又稱非放射性核素）：

原子核能夠穩定的存在于自然界中，不會自發地產生變化，這種核素通常稱為非放射性核素（穩定性核素）。

放射性核素（不穩定性核素）（RadioactiveNuclide）

原子核即使沒有任何外來因素作用下，也會自發地放出射線而轉變為另一種核素，這類核素稱為放射性核素。

第11頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五核衰變

放射性核素特點特定的半衰期

物理半衰期（physicalhalflife）

符號T1/2,在單一的放射性核素衰變過程中，放射性活度降至原有值一半時所需要的時間，稱為物理半衰期，簡稱半衰期（T1/2）。

第12頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五生物半衰期(biologicalhalflife)符號Tb,

生物半衰期是指進入生物機體內的放射性核素，由于生物代謝過程從體內排出到原來放射性活度的一半時所需要的時間。

第13頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五有效半衰期（effectivehalflife）

符號Te，進入生物機體內的放射性核素由于放射性衰變及生物代謝的共同作用，該放射性核素的活度減少到一半所需的時間稱為有效半衰期。即放射性核素被引入生物機體內時，放射性活度一方面按衰變規律減少，另一方面還會通過生物代謝排出。

第14頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五α衰變

β衰變

γ衰變

放射性核素及其衰減規律第15頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五核衰變規律核衰變規律公式

半衰期T1/2：放射性原子核數目衰變到一半所需要的時間其中： N為t時刻衰變核的剩余數目

N0為t=0時刻的衰變核數目

λ為衰變常數半衰期T1/2的含義半衰期T1/2與λ的關系例如： Ra的半衰期為1590年， 磷-32的半衰期為14.3天， 銫-135的半衰期為2.8×10-10S。第16頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五放射性活度（又稱放射性強度）

是一定量的放射性核素在一個很短的時間間隔內發生的核衰變數除以該時間間隔。也就是單位時間內發生的衰變的原子核數。

第17頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五放射性活度的單位

1、貝克勒爾（Becquerel）:簡稱貝克（Bq）

1Bq=1次核衰變/秒（1S-1）

2、居里（Curie,符號Ci）1居里表示：放射性核素在1秒內發生3.7×1010次核衰變。第18頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五核醫學始于20世紀50年代。

1950年，建立了晶體井型計數儀，用于體外的放射性測量。

1951年，

cassen用晶體加準直器研制成功閃爍掃描儀，獲得了人體第一張甲狀腺掃描圖。

1957年，

HalAnger研制了γ照相機。

1964年，世界上便有了商品γ照相機供應，開創了核醫學顯像的新紀元。

1979年，Kuhl等人在長期研究基礎上制成了世界上第一臺發射型計算機斷層(ECT)。第19頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五核醫學儀器的類型

（一）測量用核醫學儀器：

主要在醫學研究和臨床檢驗中，用于對被檢測樣品如血、尿、糞便、組織中的放射性測量。常用的儀器有γ閃爍計數器、液體閃爍計數器。

第20頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五核醫學儀器的類型（二）診斷用核醫學儀器：

主要在臨床核醫學工作中，用來進行臟器功能測定和臟器顯像。

臟器功能測定儀（腎功能測定儀、甲狀腺功能測定儀、γ心臟功能測定儀、多探頭臟器功能測定儀等）。

臟器顯像儀器（γ照相機、發射型計算機斷層攝影儀（ECT））。

第21頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五核醫學儀器的類型防護用核醫學儀器：

為了保障核醫學工作的順利進行，用于對工作環境、器皿物件以及工作人員體表可能受到的污染進行監測的儀器。如個人劑量監測儀、α、β或γ輻射表面污染測量儀等。第22頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五核醫學儀器分類用于放射性藥物的活度測量的活度計活度計又稱強度計、同位素刻度計、居里計。

用于個人劑量監測和防護監測的儀器個人劑量計、熱釋光劑量計、表面沾染儀、環境監測儀等。

第23頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五核醫學儀器分類用于體外樣品分析的樣品測量裝置放射免疫計數器、液體閃爍計數器。

用于臟器功能測定的儀器甲狀腺功能儀、腎功能儀、心功能儀、肺密度儀、骨密度儀等。

用于臟器顯像的裝置閃爍掃描儀、伽瑪照相機、SPECT、PET。第24頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五一些儀器活度計免疫計數器功能儀第25頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五一些儀器閃爍掃描儀伽瑪照相機SPECTPET全身骨成像第26頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五

γ射線探測

利用放射性探測儀器（或測量裝置）可以探測和記錄放射性同位素所放出射線（或粒子）的種類、數量（強度）和能量（能譜）等。第27頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五γ射線探測臨床應用價值

臨床醫學上常通過探測放射性的方法來觀察放射性同位素在人體臟器內的分布，以診斷臟器是否存在病變和確定病變所在的位置等。

第28頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五閃爍計數器閃爍計數器是射線探測的基本儀器，它由閃爍體、光學收集系統和光電倍增管組成。第29頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五閃爍計數器測量原理

1.射線在晶體內產生熒光，利用光導和反射器組成的光收集器將光子投射到光電倍增管的光陰極上，擊出光電子；

2.光電子在光電倍增管內被倍增、加速，在陽極上形成電流脈沖輸出；

3.電流脈沖的高度與射線的能量成正比，電流脈沖的個數與輻射源入射晶體的光子數目成正比，即與輻射源的活度成正比。第30頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五閃爍計數器的優勢

1.既可以測量光子也可以探測帶電粒子，特別是對射線有很高的探測效率；

2.經光電倍增管給出的電流脈沖有較強抗干擾能力，適用于較復雜環境的工作。第31頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五脈沖幅度分析器脈沖幅度甄別器閃爍計數器所產生的電流脈沖的幅度和輻射光子的能量成正比，如測出脈沖幅度與計數的關系曲線就等于測出了幅射能譜。

第32頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五單道脈沖幅度分析器能直接測出幅度在之間脈沖計數的儀器叫單道脈沖幅度分析器，它由兩個甄別器組成。上限甄別器有較高的甄別閾值，下限甄別器閾值為V，其差值叫道寬。第33頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五核醫學成像設備原理簡介

同位素掃描儀(RadionuclideScanner)

第34頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五第35頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五掃描圖：甲狀腺癌的轉移第36頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五γ照相機和單光子發射型計算機斷層γ照相機第37頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五γ照相機作用

γ照相機是將人體內放射性核素分布快速、一次性顯像的設備。它不僅可以提供靜態圖像也可以進行動態觀測，既可提供局部組織臟器的圖像，也可以提供人體人身的照片。圖像中功能信息豐富，是診斷腫瘤及循環系統疾病的重要裝置。第38頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五γ照相機的原理

γ照相機的探測器(探頭)固定不動，在整個視野上對體內發出的γ射線都是敏感的，所以是一次性成像。檢測器所得數據要輸入計算機，γ照相可以對圖像作后處理。能把形態學和功能性信息顯示結合起來。第39頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五伽瑪照相機的組成探頭探頭支架病床操作控制臺及數據處理裝置第40頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五伽瑪照相機電路結構第41頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五伽瑪照相機的探頭結構準直器NaI(Tl)晶體光電倍增管(PMT)定位電路顯示第42頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五PMT的排列方式每一個邊排列3個，總共19個；每一個邊排列4個，總共37個；每一個邊排列5個，總共61個；每一個邊排列6個，總共91個；每一個邊排列7個，總共127個。第43頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五P2位置計算電路P1P3伽瑪射線X1X2X30NaI(Tl)P1,P2,P3為PMT的輸出信號值，反映了進入PMT的光強。X1,X2,X3為PMT的位置值X發光點的總強度：P=P1+P2+P3即Z信號的值發光點的X坐標值：X=P1X1+P2X2+P3X3P1+P2+P3重心法求發光點的位置原理X第44頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五伽瑪照相機的特點探頭不需要移動，可一次成像。成像效率高，特別是對低能量伽瑪射線。能做連續動態顯像，可以觀察臟器對藥物隨時間的吸收、代謝情況，判斷臟器的功能。第45頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五伽瑪照相機的缺點1．結構與電子線路較為復雜，獲得優質圖像的設備調整的過程較為復雜。2．圖像受臟器的厚度影響較大。3．γ照相的空間分辨力還較低，在形態學診斷上還不及X—CT射線及MRI。第46頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五發射型計算機斷層掃描儀EmissionComputedTomography(ECT)分類單光子發射型計算機斷層掃描儀SinglePhotonEmissionComputedTomography(SPECT)正電子發射型計算機斷層掃描儀PositronEmissionComputedTomography(PECT)，簡稱PET第47頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五為什么叫ECT？相對于TCT(TransmissionComputedTomography)而言，即射線源在人體的外部，X線CT即為TCT。而ECT的射線源在人體內部，即放射線藥物引入人體后，藥物釋放出伽瑪射線。ECT的本質是由在體外測量發自體內的γ射線技術來確定在體內的放射性核素的活度。

第48頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五SPECT原理第49頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五SPECT原理

SPECT的放射性制劑都是發生γ衰變的同位素，體外進行的是單個光子數量的探測。

第50頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五SPECT的成像原理旋轉平面成像線投影通過濾波反投影法重建圖像立體成像面投影通過濾波反投影法重建圖像第51頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五SPECT的成像原理

SPECT的成像算法與X－CT類似，也是濾波反投影法：

1.由探測器獲得斷層的投影函數；

2.用適當的濾波函數進行卷積處理；

3.將卷積處理后的投影函數進行反投影，重建二維的活度分布。第52頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五單光子發射型計算機斷層原理

發射型計算機斷層是通過計算機圖像重建來顯示已進人體內的放射性核素在斷ECT分為單光子發射型計算機斷層（SPECT）及正電子發射型計算機斷層（PET）。第53頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五SPECT的衰減校正SPECT是通過γ射線的體外計數來標定體內放射性活度，不希望穿出人體的γ射線有衰減，在無衰減情況下，計數大小正比于放射性話度。但是衰減是不可避免的，它的存在嚴重影響了活度的精度。第54頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五SPECT的特點

可提供任意方位角的斷層圖像及三維立體圖的成像數據；提供功能性測量的量化信息，較γ照相機大大提高了腫瘤及臟器的功能性診斷效率。測量靈敏度低；量化精度較差；圖像空間分辨率低；引入的放射性制劑的量較大。第55頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五SPECT與CT的比較1.比X線CT圖像重建復雜必須修正伽瑪射線被組織的吸收。必須修正散射線的影響。人體組織小體積元探頭第56頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五SPECT與CT的比較2.X線CT測定的是人體組織對X線的衰減值，反映的是組織的物理特性(組織密度值)；而SPECT測定的是人體組織對放射性藥物的吸收情況，反映的是人體組織的生理、生化信息，以及組織的功能代謝情況。第57頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五PET簡介PET歷史

1953年，Dr.BrXwnell和Dr.Sweet就已研制了用于腦正電子顯像的PET顯像儀。60年代末，出現了第一代商品化PET掃描儀，可進行斷層面顯像。1976年，由Dr.Phelps和DrX.Hoffman設計，由ORTEC公司組裝生產了第一臺用于臨床的商品化的PET。第58頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五PET歷史20世紀80年代，更多公司投入了PET研制，島津(Shimadzu，1980)、CTI公司(1983)、西門子公司(Siemens，1986)、通用電氣公司(GE，1989)、日立公司(Hitachi，1989)和ADAC公司(1989)。PET系統已日趨成熟，許多新技術用于PET產品。90年代中期，在發達國家PET已成為重要的影像學診斷工具。第59頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五PET的發展2001年GEDISCOVERY-LS1964年環狀頭部PET第60頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五正電子發射型計算機斷層掃描儀

PET的優勢

PET的最大優勢是能定量評價在體組織的生理、生化功能，相對于SPECT又有空間分辨力高、靈敏度高，測量精度高，引入的放射性制劑量少等特點，被譽為活體的分子斷層圖像。第61頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五PET的特點1．采用了人體富有的貧中子短壽命同位素作為放射性制劑

2．采用具有自準直符合計數方法

3．衰減校正較好

4．PET的檢測系統靈敏度較高

第62頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五湮滅輻射產生的雙光子飛行在同一直線上，但方向相反。在β＋衰變發生的區域兩側，放置兩個光子探測器，當兩個探側器同時接收到光子時．符合電路會給出一個計數。Return第63頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五湮滅輻射有自準直作用，無需準直器，這樣PET的靈敏度大大提高，引入體內的放射性制劑的量大為減少。而X—CT中的X射線，SPECT中的γ射線就要在探測器中加裝準直器，這樣很多的光子就被準直器擋掉了。第64頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五符合探測帶來的另一好處是湮滅輻射發生地點對測量結果的影響不大，而這個不大的影響還可以得到很精確的校正。Return第65頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五PET影像設備正電子核素制備

回旋加速器

正電子示蹤劑制備

放化標記設備

PET影像獲取

PET影像系統

第66頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五正電子藥物正電子核素 半衰期 產物

Carbon-11 20.5min 14N(p,α)11CNitrogen-13 10.0min 16O(p,α)13NOxygen-15 2.1min 14N(d,n)15OFluorine-18 110min 18O(p,n)18F(F-) 20Ne(d,α)18F(F2)Gallium-68 68min Ge-68的子體(271天)Rubidium-82 1.27min Sr-82的子體(25天)C,N,O,F等成分直接參與人體生化代謝第67頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五正電子成像的物理基礎

正電子放射性核素通常為富質子的核素，它們衰變時會發射正電子。原子核中的質子釋放正電子和中微子并衰變為中子：

P→β＋

+n+ν

其中P為質子，n為中子，β＋為正電子，ν為中微子。第68頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五正電子湮滅正電子發射體發射出的正電子（β＋）在極短的時間內與其臨近的電子（β－）碰撞而發生湮滅輻射，即在兩者湮滅的同時，產生兩個方向相反的能量都為511KeV的γ光子，此即質量湮滅現象。

第69頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五正電子湮滅正電子湮滅前在人體組織內行進1-3mm。湮滅作用產生：能量(光子是511KeV)。動量nb+b-~1-3mm511KeV511KeV同時產生互成180度的511keV的伽瑪光子。第70頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五常用正電子放射性核素的物理特性放射性核素

半衰期

最大正電子能量

最大射程

平均射程

（min）

（MeV）

（mm）

（mm）

11C 20.3 0.96 5.0 0.28 13N 10.0 1.19 5.4 0.60 15O2.0 1.70 8.2 1.10 18F109.80.64 2.4 0.22

68Ga 67.8 1.89 9.11.35 82Rb 1.3 3.35 15.6 2.60第71頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五符合探測原理

湮滅輻射發生的位置限于這兩個探頭的有效視野內，凡在此視野外或在此視野內發生的湮滅輻射，所產生的兩個γ光子不能同時進入兩個探頭者，都不能形成符合信號，因而不能被記錄，此即符合檢測原理。第72頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五符合探測原理符合探測技術能在符合電路的時間分辨范圍內，檢測同時發生的放射性事件。利用符合探測技術可以進行正電子放射性核素示蹤成像。使用符合探測技術，起到電子準直作用，大大減少隨機符合事件和本底的同時提高了探測靈敏度。探測器1探測器2

脈沖處理器符合脈沖處理器第73頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五PET影像分辨率的極限正電子湮滅作用過程中粒子的動量變化會導致511keV光子在探測野中產生約4‰弧度的不確定性偏離。對探測環橫斷面視野直徑為70cm的PET，會導致2－3mm的位置不確定性。這一微小偏差，以及正電子發射位置與湮滅輻射的發生點之間存在微小間距，使PET的分辨率有一極限值制約。對大視野（FOV）PET而言，最高分辨率約為3－4mm。第74頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五PET影像分辨率的極限正電子湮滅行程(~1-3mm)的影響：

-正電子能量影響湮滅行程的距離

-18F影像(Emax=0.6MeV)與

15O(Emax=2.1MeV)影像相比,分辨率較高點源相反運動γ光子非直線的影響：

-探測環直徑影響：非180度夾角每50CM探測環直徑使分辨率(FWHM)變壞~1mm第75頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五真符合、隨機符合和散射符合11. 真符合時間22. 因靈敏度或死時間丟失的真符合事件33. 因光子衰減丟失的真符合事件44. 散射符合事件5a5b5.a,b隨機符合事件第76頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五R光電倍增管光電倍增管處理符合探測器環PET的數據處理過程

處理電路

處理電路符合處理器數據重組圖像重建圖像第77頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五PET的電子準直第78頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五PET的探頭和探測環X-Y平面為PET的橫斷面，與探測環平面平行。Z軸是

PET的長軸，與探測環平面垂直。第79頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五PET選用的晶體早期研制的PET儀晶體材料為NaI（碘化鈉），第一臺商品化PET也是應用NaI晶體作探測晶體。80年代初期，EG&GOrtec與Scanditronix公司將BGO（鍺酸鉍）與GSO（硅酸釓）兩種晶體用作PET探測晶體。第80頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五PET選用的晶體從1980年至2000年，BGO是主要的PET晶體材料之一，而NaI與GSO在商品化PET中應用相對較少。1990年，LSO（硅酸镥）晶體的研究引起人們的很大關注.第1臺商品化臨床LSOPET儀于2001年由CTI/CPS推出，這種新型探測器材料對PET的發展具有重要貢獻。第81頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五表1理想PET閃爍晶體的特性晶體特性目的高密度提高γ射線探測效率高原子序數提高γ射線探測效率余輝時間短好的符合時間高光輸出量允許每個光電探測器晶體數目多好的能量分辨率全能事件的清晰辨認發射波長接近400nm光電倍增管反應匹配好發射波長透明度使光子均勻通過光電倍增管光子從晶體到光電倍增管的傳輸好輻射低晶體性能穩定包裝簡單允許小晶體單元的生產過程經濟制造成本低第82頁，共92頁，2023年，2月20日，星期五PET選用的晶體NaI(Tl)晶體能量分辨率較高，價格便宜。BGO晶體密度大，探測效率高、穩定性好。LSO、GSO等晶體密度大、衰減常數小、光產額高。性能指標 NaI CeF1 BaF2 BGO CsI(Tl) LSO YAP GSO

物理密度(g/cm3) 3.67 6.16 4.89 7.13 4.51 7.35 5.55 6.71輻射長度(cm) 2.59 1.70 2.10 1.12 1.86 0.88 2.70線衰減系數(1/cm)0.34 0.64 0.47 0.92 0.60 0.87

0.62

發射波長(nm) 410 310 220 480