第2章核醫學儀器核醫學儀器發展簡史井型晶體閃爍計數器閃爍掃描機19741979195719501951γ照相機

PETSPECT2001

PET/CTSPECT/CT閃爍掃描機電離作用熒光現象感光作用第一節核探測儀器的基本原理一、放射性探測的基本原理

放射性測量原理就是建立在射線與物質相互作用的基礎上。核醫學測量放射性機制常用以下幾種電離輻射效應。①電離現象各種射線均可引起物質電離，并產生相應的電信號，電信號與射線種類、活度、能量有關，收集和計錄這些電信號，就可得知該種射線的性質。②感光現象射線也與普通的光線一樣，可以作用于感光乳膠，再經過顯影、定影處理后，形成黑影。我們就可根據黑影的有無、濃淡程度和所在部位，來對放射性進行定位和定量的診斷。③熒光現象帶電粒子能直接激發閃爍物質［如NaI（Tl）晶體］發出熒光。γ射線是先在閃爍體中產生光電子、電子對和康普頓電子，再由它們激發熒光，這種熒光光子通過光電倍增管產生并放大成電信號，從而得知該種射線的性質。

射線探測的基本原理射線探測器（又稱探頭）射線探測器有很多種類，用于核醫學檢查目的的有閃爍探測器、氣體探測器、半導體探測器等。

1．閃爍探測器（又稱閃爍探頭）主要是由閃爍體、光電倍增管及前置放大器構成。

2．氣體探測器核醫學中常用的氣體探測器有G-M計數管和電離室。

3．半導體探測器是一種比較先進的核輻射探測器。二、放射性探測器的種類閃爍型探測器3.光電倍增管（photomultipliertube，PMT）

2.光導（lightguide）：硅油，有機玻璃1.閃爍體(scintillator)：

NaI（Tl），BGO，GSO，LSO光電倍增管工作原理三、核探測器的電子學線路（一）放大器前置放大器（preamplifier）主放大器（mainmplifie）作用：對電脈沖進行放大、整形、倒相的電子學線路（二）脈沖高度分析器（pulseheightanalyzer，PHA）

輸出信號B上甄別器下甄別器AC反符合線路BB輸入信號C輸入信號B,C單道脈沖高度分析器工作原理核射線測量儀器的組成框圖核射線閃爍體光導光電倍增管前置放大器主放大器脈沖高度分析器記錄裝置工作電源核醫學顯像儀器與X線顯像儀器的區別

第二節γ照相機1957年，由HalAnger研制成功，因此，也稱為Anger型γ照相機(γ-Camera)γ照相機的組成：準直器（collimator）閃爍晶體光電倍增管（PMT）預放大器、放大器X、Y位置電路總和電路脈沖高度分析器（PHA）顯示或記錄器件等準直器準直器由具有孔道的γ射線吸收材料構成，這類材料主要包括鉛或鎢。其作用是讓一定視野范圍內的及一定角度方向上的γ射線通過小孔達到晶體，以保證探頭能對射線的發生位置做準確的空間定位。

準直器的類型準直器1.空間分辨率

半峰值全寬度(FullWidthatHalfMaximum，FWHM)，簡稱半高寬。2.靈敏度

配置該準直器的γ照相機探頭測量單位活度(如1MBq)的放射性核素的計數率(計數／s)。3.適用能量范圍孔間壁厚度與γ射線能量：0.3mm適用于低能（≤150kev）1.5mm適用于中能（150～350kev）

2.0mm適用于高能（＞350keV）。

準直器性能高靈敏度型孔徑大，孔深度淺與分辨率成相反關系

高分辨率型10cm距離分辨率6-12mm（FWHM）孔徑小，孔較深的鉛柵分辨率與放射源距離密切相關準直器的孔徑大小決定了準直器的空間分辨率和靈敏度準直器

保證投影圖的正確基本結構距離對圖像的影響空間分辨率與靈敏度25mm1.2mm準直器由鉛鑄造射向鉛柵的g射線被吸收五、脈沖高度分析器六、模數轉換器（ADC）四、X、Y位置電路三、光電倍增管（PMT）二、閃爍晶體

NaI（Tl）晶體NaI

晶體對g射線具有相當靈敏度單塊薄型晶體(40x50cm)厚度可分為3/8，5/8和1英寸將g射線轉變成可見光易碎：對碰撞和溫度敏感光陰極陽極打拿極可見光光電倍增管(PMT)將可見光信號轉換成電脈沖通過打拿極進行信號放大總增益約為106可見光打到光陰極后釋放出電子，電子經過打拿極逐級放大，獲得足夠強度的電脈沖信號.全數字電路ADCADCADCADCADCADCADCADCADCADCADC數字信號處理器信號加權,定位計算,能量計算,歸一化和脈沖高度分析全都由軟件完成.數字X坐標數字Y坐標模式圖位置信號能量信號脈沖高度分析XYZ圖像顯示準直器NaI(Tl)晶體.......PMTARRAY探頭光電倍增管γ射線位置信號能量信號脈沖高度分析器XYZ圖像顯示準直器NaI(Tl)晶體.......PMTARRAY1YX核醫學基礎核醫學顯像過程：

第三節SPECT及SPECT/CT一、SPECTSPECT：SinglePhotonEmissionComputedTomography單光子發射型電子計算機斷層γ照相機與電子計算機技術相結合發展起來的一種核醫學顯像檢查儀器，在γ照相機平面顯像的基礎上，應用電子計算機技術增加了斷層顯像功能主要提供組織器官的功能和代謝變化信息組成：探測器（探頭）、機架、檢查床和圖像采集處理工作站探頭是SPECT的核心部件，探頭數通常為1~3個（一）單探頭SPECT（二）雙探頭SPECT（三）三探頭SPECT（四）雙探頭符合線路斷層顯像儀二、SPECT/CT（一）SPECT/CTSPECT和CT兩種成熟技術相結合形成的一種新的核醫學顯像儀器實現了SPECT功能代謝影像與CT解剖形態學影像的同機融合

一次顯像檢查可分別獲得SPECT圖像、CT圖像及SPECT/CT融合圖像可以采用X線CT圖像對SPECT圖像進行衰減校正（二）SPECT與CT結合的兩種方式SPECT和CT位于同一機架：在SPECT探頭機架上安裝一個X線球管，對側安裝探測器SPECT與CT位于不同的機架：在SPECT機架后再并排安裝一個高檔螺旋CTSPECT/CT三、SPECT的圖像采集（一）采集方式靜態采集與動態采集平面采集與斷層采集局部采集與全身采集門控采集（二）斷層采集SPECT探頭繞患者旋轉180°～360°每隔一定角度（3°～6°）采集1幀圖像獲得靶器官各個方向的放射性分布信息經過電子計算機重建斷層圖像。由已知不同方向的物體投影值求該物體內各點的分布稱為圖像重建，也就是利用物體在多個軸向投影圖像重建目標圖像的過程。

濾波反投影法（filteredbackprojection，FBP）濾波(Filter)，反投影(Backprojection)。濾波：Ramp，Hann，Hanning，Butterworth重建方法：四、SPECT的圖像重建反投影重建按照投影方向把投影數據反投向來的方向。濾波反投影重建用濾波函數去除反投影重建圖像偽影。衰減校正方法為什么要進行衰減校正？在探頭的對側設置放射源，利用放射源發射出的γ射線由患者體外穿透人體，在SPECT探頭上成像。在同一臺SPECT上同時獲得透射(transmission)圖像和發射(emission)圖像，從透射圖像求得被顯像部位的三維衰減系數分布圖，對發射型斷層圖像進行衰減校正。目前，SPECT/CT可采用X線進行圖像衰減校正。顯像用放射性核素γ射線的能量主要在80~500keV之間人體組織的衰減(Attenuation)對投影值有較大影響。SPECT斷層重建算法忽略了組織對γ射線的衰減作用，使圖像定量不準，出現偽影。圖像衰減校正(AttenuationCorrection，AC)是解決人體衰減的主要方法。五、圖像的衰減校正空間分辨率2空間線性4均勻性31平面源靈敏度33六、SPECT的質量控制和性能評價最大計數率5固有能量分辨率7其他：斷層均勻性、空間分辨率、斷層厚度、斷層靈敏度等

9多窗空間位置重合性36旋轉中心38顯像系統的綜合評價109EmissionComputedTomography功能代謝成像第四節PET、PET/CT及圖像融合技術一、PET

PET:PositronEmissioncomputedTomography正電子發射型電子計算機斷層（一）PET的組成

機架（Gantry）、掃描床、電子柜、操作工作站、分析工作站及打印設備等。

1.機架探測器環、棒源（pinsource）、射線屏蔽裝置、事件探測系統（theeventdetectionsystem）、符合線路（thecoincidencecircuitry）及激光定位器等組成。主要功能為數據采集。（1）探測器環若干個晶體排列而成，是決定PET性能的最重要部分。探頭晶體的材料不同，接收光子并轉化為可見光的性能也有差異。晶體主要有：鍺酸鉍（bismuthgerminate，BGO）硅酸釓（gadoliniumorthosillicate，GSO）硅酸镥（lutetiumoxyorthosillicate，LSO）LYSO等。臨床型PET（C-PET）采用NaI（Tl）晶體。

碘化鈉晶體探測器示意圖（2）棒源（pinsource）將68鍺（68Ge）均勻地封裝在中空的小棒內；也有使用半衰期較長的137Cs。作用：對PET掃描儀進行質量控制透射掃描進行圖像衰減校正（3）隔板（speta）隔板包括2部分：一部分是探測器環兩邊的厚鉛板，作用是屏蔽探測器外的射線；另一部分為厚度為1mm的環狀鎢板，位于探測器環與環之間，將軸向視野分隔成若干環，鎢隔板的作用是屏蔽其他環視野如射的光子對，與準直器的作用相似；3D采集時，將鎢隔板撤出顯像視野，取消屏蔽作用。目前，僅有3D采集模式的PET已經無隔板。

5.打印設備

4.操作工作站及分析工作站

3.電子柜

2.掃描床PET的原理當正電子核素或正電子核素標記的化合物注入人體內后，它們隨血液循環分布至全身。由于正電子核素為貧中子核素，它們在衰變的過程中，質子衰變為中子，同時發射出1個正電子β+，正電子在組織中飛行極短的距離后便與周圍組織內的電子相遇并發生湮沒輻射，正、負電子消失，其物質轉變為2個方向相反（互成180°）、能量皆為511keV的γ光子，穿透人體并被環繞人體的PET掃描儀探測到。PET掃描儀利用γ光子對的直線性和同時性兩個特性來進行符合探測，然后通過圖像重建處理，得到的斷層圖像便為PET圖像。18F+

（二）PET顯像原理-γγ濾波反投影法OSEM法濾波反投影與OSEM法圖像質量比較（五）圖像重建濾波反投影法（filteredback-projection）有序子集最大期望值法（orderedsubsetsexpectationmaximization，OSEM）

4.歸一化校準（normalizationcalibration）5.井型計數器校準（wellcountercalibration）

3.光電倍增管增益調節（PMTSingleUpdategainadjustment）

2.符合計時校準（coincidenceTimingcalibration）

1.空掃（blankscan）（六）PET的質量控制二、PET/CTPET/CTCT數據可用于PET圖像的透射衰減校正顯像檢查時間大大減少。同時獲得全身PET、CT及PET/CT圖像。實現了PET（功能）與CT（形態）圖像同機融合舉例：衛星云圖與地圖（一）PET/CT的結構及功能

由PET和多排螺旋CT組合而成同一個機架內有PET探測器、CT探測器和X線球管共用同一個掃描床、圖像采集和圖像處理工作站可以采用X線CT圖像對PET圖像進行衰減校正PET/CT是一個全新的系統PET影像（功能）CT影像（形態）一體化的機架系統一體化的檢查床一體化的操作工作站系統1+1>2不是簡單的“PET+CT”PET/CT圖CT掃描&PET掃描PET采集，發射掃描與前面所述的PET圖像采集相同采用棒源進行的透射掃描可由X線CT掃描代替CT掃描：通常先進行CT掃描CT掃描的目的：衰減校正、解剖定位、CT診斷僅用于衰減校正和解剖定位，可采用低毫安/秒設置，減少病人輻射劑量用于CT診斷，建議采用標準毫安/秒設置，以優化CT

掃描的空間分辨率調節球管的電流將病人受到的輻射劑量最小化。（二）PET/CT的圖像采集三、圖像融合技術將解剖形態圖像和功能代謝圖像融合為一體圖像融合是將不同的醫學影像或同一類型的醫學影像采用不同方法獲得的圖像進行空間匹配或迭合使兩個或多個圖像數據集融合到一幅圖像上PET/CT融合圖像PET圖像CT圖像ImagefusionCT-PETRadionuclideScintigraphy圖象分析的幾個有關概念本底background靶／本底比值放射性分布：濃聚，稀疏，缺損感興趣區(RegionofInterest,ROI)時間－放射性曲線(time-activitycurve)CT-PET:

IMAGEFUSIONImagefusion

CT-PET第五節功能測定儀器甲狀腺功能測定儀甲狀腺功能測定儀腎功能測定儀多功能測定儀

探針腎功能測定儀多功能測定儀

探針第六節體外樣本測量儀器第六節體外樣本測量儀器γ免疫計數器液體閃爍計數器活度計輻射劑量監測儀是專門用于放射性工作場所的劑量監測裝置，具有劑量率、累計劑量測量、超劑量聲光報警、閾值記憶和多點掃描數據管理等功能。

第七節輻射防護儀器表面污染檢測儀便攜式劑量儀熱釋光個人劑量儀一、半導體探測器與SPECT（一）半導體探測器碲鋅鎘（Cadmium-Zinc-Telluride，CZT）:最新研制的半導體探測器探測效率高、能量分辨率好CZT探測器可以直接將

射線轉化成電信號探測原理：射線和CZT晶體作用時晶體內部產生帶負電荷的電子和帶正電荷的空穴對產生的電子和空穴對的數量和入射光子的量成正比電子和空穴向不同的電極運動形成電荷脈沖經過前放大變成電壓脈沖經過再放大，由后續電子學線路處理進行圖像重建第八節核醫學儀器研究進展（二）心臟專用SPECT探頭是采用半環狀（180°）排列的CZT半導體探測器心肌斷層顯像時，探頭無需旋轉，避免了運動偽影，提高了儀器的性能空間分辨率明顯提高：固有空間分辨率由4～8mm提高到2.46mm；能量分辨率由9.5～12％提高到