核醫(yī)學影像設備ppt課件

,第七章 現(xiàn)代生物醫(yī)學影像設備 第四節(jié) 核醫(yī)學影像設備,信息與通信工程學院,姓名：,7.4 核醫(yī)學影像設備,7.4.1 核醫(yī)學影像設備概述 7.4.2 閃爍相機 7.4.3 單光子發(fā)射計算機斷層設備 7.4.4 正電子發(fā)射型計算機斷層設備,7.4.1 核醫(yī)學影像設備概述,1、核醫(yī)學影像設備概念 2、核醫(yī)學影像設備發(fā)展歷史 3、核醫(yī)學影像設備分類 4、射線能譜,核醫(yī)學概念,（1）核醫(yī)學：即原子（核）醫(yī)學，是研究同位素及核輻射的醫(yī)學應用及理論基礎的科學。核醫(yī)學就是利用放射性核素診斷、治療疾病和進行醫(yī)學研究的學科。核醫(yī)學最重要的特點是能提供身體內(nèi)各組織功能性的變化，而功能性的變化常發(fā)生在疾病的早期，能夠更早地發(fā)現(xiàn)和診斷某些疾病。 核醫(yī)學顯像特點：具有簡單、靈敏、特異、無創(chuàng)傷性、安全、易于重復、結(jié)果準確等特點。,核醫(yī)學影像設備概念,（2）核醫(yī)學影像設備：X射線和超聲成像設備都是從外部向人體發(fā)射某種形式的能量，根據(jù)能量的衰減或反射情況來成像，表征組織情況；核醫(yī)學影像設備則是向人體內(nèi)注射放射性示蹤劑(俗稱同位素藥物)，使帶有放射性核的示蹤原子進入要成像的組織，然后測量放射性核在人體臟器內(nèi)的分布成像，以診斷臟器是否存在病變和確定病變所在的位置。 核醫(yī)學影像優(yōu)勢：核醫(yī)學影像檢查ECT與CT、MRI等相比，能夠更早地發(fā)現(xiàn)和診斷某些疾病。 核醫(yī)學顯像屬于功能性的顯像，即放射性核素顯像。 是五大醫(yī)學影像之一，是核醫(yī)學診斷中的重要技術手段。,2、核醫(yī)學影像設備發(fā)展簡史,1896年，法國物理學家貝克勒爾在研究鈾礦時發(fā)現(xiàn)，鈾礦能使包在黑紙內(nèi)的感光膠片感光，這是人類第一次認識到放射現(xiàn)象，也是后來人們建立放射自顯影的基礎?？茖W界為了表彰他的杰出貢獻，將放射性物質(zhì)的射線定名為“貝克勒爾射線”。 1898年，馬麗居里與她的丈夫皮埃爾居里共同發(fā)現(xiàn)了鐳，此后又發(fā)現(xiàn)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，發(fā)現(xiàn)了某些元素受X光照射后會發(fā)出獨特的射線，為X-線射熒光分析法奠定了基礎；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(nèi)科醫(yī)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(huán)時間，在人體內(nèi)第一次應用了示蹤技術，有“臨床核醫(yī)學之父”之稱。,赫維西,1934年 Enrico Fermi發(fā)明核反應堆，生產(chǎn)第一個碘的放射性同位素。 1936年 John Lawrence 首先用32P磷治療白血病，這是人工放射性同位素治療疾病的開始。 1937年Herz首先在兔進行碘128I半衰期（半衰期T1/2 25分）的甲狀腺試驗，以后被131I（8.4天）替代。,費米Fermi,1942年Joseph Hamilton首先應用131I測定甲狀腺功能和治療甲狀腺功能亢進癥; 1946年7月14日，美國宣布放射性同位素可以進行臨床應用，開創(chuàng)了核醫(yī)學的新紀元 ; 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(fā)展。,最早的攝碘試驗,最早的掃描機,1957年，安格（Hal O. Anger）研制出第一臺照相機，稱安格照相機，使得核醫(yī)學的顯像由單純的靜態(tài)步入動態(tài)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(fā)射式斷層的技術，從而為日后發(fā)射式計算機斷層掃描機ECT的研制奠定了基礎。 50年代，鉬99Mo-锝99mTc (99Mo-99mTc)發(fā)生器的出現(xiàn)。,最早的伽瑪相機,鉬99Mo-锝99mTc (99Mo-99mTc)發(fā)生器,70年代單光子斷層儀的應用和80年代后期正電子斷層儀進入臨床應用，使影像核醫(yī)學在臨床醫(yī)學中的地位有了顯著提高 ； 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(fā)明成為了正電子發(fā)射計算機斷層顯像（PET）和單光子發(fā)射計算機斷層顯像（SPECT）的基礎，人們稱庫赫博士為“發(fā)射斷層之父”。,單光子發(fā)射型計算機斷層掃描儀,正電子發(fā)射計算機斷層顯像(PET),3、核醫(yī)學成像設備分類： 按照放射性示蹤劑不同，分為兩大類： （1）單光子成像設備，有相機，SPECT，這類放射性示蹤劑具有穩(wěn)定的射線放射性，如锝同位素99mTC、碘同位素131I和123I及鎵同位素67Ga，壽命長，半衰期約為幾個小時至幾天； （2）正電子成像設備，有PET，為采用正電子發(fā)射能力的示蹤劑，如碳同位素11C，氮同位素13N，氧同位素15O，氟同位素18F，壽命很短，只有幾十分鐘。,4、射線能譜 測出射線能譜可以用來鑒定和分析放射性同位素。 利用閃爍能譜儀可測出射線能譜，其探頭內(nèi)接收射線的閃爍體通常是碘化鈉（鉈激活）晶體NaI(Tl)。 射線射在NaI(Tl)晶體上可以產(chǎn)生光電子、康普頓散射電子等次級電子，這些電子都會在閃爍能譜儀中形成計數(shù)，從而獲得脈沖高度分布曲線，就可以確定射線的能譜。,由于同一能量的射線在NaI(Tl)晶體中產(chǎn)生的次級電子，其能量各不相同，因此即使對于單能射線，閃爍能譜儀測得的脈沖高度譜也很復雜，如圖所示。其能量最大的峰對應140keV。在射線能譜中能量最大的峰稱為光電峰，是表示核素特征的峰。,7.4.2 閃爍相機,1、 相機的基本組成及原理 2、 相機定位網(wǎng)絡的設計 3、 相機成像原理 4、 相機的性能指標,7.4.2 閃爍相機,相機是將人體內(nèi)放射性核素分布快速、一次性顯像和連續(xù)動態(tài)觀察的設備，它不僅可以提供靜態(tài)圖像，而且可提供動態(tài)圖像，了解血液和代謝過程，圖像中功能信息豐富，是診斷腫瘤及循環(huán)系統(tǒng)疾病的重要設備。,1、相機的基本組成及原理 相機主要由探頭、電子線路和顯示系統(tǒng)三部分組成：,重點：不知道不行！,1、相機的基本組成及原理 工作原理：受檢查者注射放射性同位素標記藥物后，放射性核素濃聚在被檢臟器內(nèi)，該臟器就成了一個立體射線源，射線通過準直器射在NaI(Tl)晶體上，立即產(chǎn)生閃爍光點，閃爍光點發(fā)出的微弱熒光被光導耦合至光電倍增管，輸出電流脈沖信號，經(jīng)過后續(xù)電子線路處理形成一定能量的脈沖在顯示屏上顯示出一個個閃爍的光點，經(jīng)過一定時間積累便形成一幅閃爍圖像，圖像可用照相機拍攝下來，就完成了一次檢查。,7.4.2 閃爍相機組成,（a）由19個光電倍增管構(gòu)成的 閃爍相機探頭,（a）由19個光電倍增管構(gòu)成的閃爍相機探頭,（1）探頭準直器,（1）探頭準直器,（1）探頭準直器,（1）探頭準直器,（1）探頭準直器,準直器,（1）探頭準直器,準直器,（1）探頭準直器,（1）探頭閃爍晶體,（1）探頭閃爍晶體,（1）探頭光導、耦合劑,（1）探頭光電倍增管,（1）探頭光電倍增管,（1）探頭前置放大和定位網(wǎng)絡,（2）電子線路部分,（2）電子線路部分,（2）電子線路部分,單道脈沖幅度高度分析器,（3）顯示系統(tǒng),2、相機定位網(wǎng)絡的設計 定位網(wǎng)絡是確定光子入射到閃爍晶體中位置的重要電路，定位精度的高低將直接影響被監(jiān)測臟器中病變的位置，常用定位網(wǎng)絡有電阻加權(quán)、電容加權(quán)和延遲線加權(quán)三種，最常用的是電阻加權(quán)定位網(wǎng)絡。,2、相機定位網(wǎng)絡的設計 （1）位置信號X，Y的數(shù)學模型,2、相機定位網(wǎng)絡的設計,2、相機定位網(wǎng)絡的設計,2、相機定位網(wǎng)絡的設計,2、相機定位網(wǎng)絡的設計,2、相機定位網(wǎng)絡的設計 （2）電阻矩陣的確定,3、相機成像原理,I(X,Y,Z)S(X,Y)轉(zhuǎn)換：是將體內(nèi)放射性三維分布I(X,Y,Z)轉(zhuǎn)換成NaI（TI）晶體中閃爍點的二維分布S(X,Y)； S(X,Y)C(n1，n2，nm)變換：將閃爍圖中每一點的X,Y坐標變換成m個光電倍增管的光電子數(shù)代碼(n1，n2，nm)，或變換成光電倍增管陽極輸出代碼（G1n1，G2n2，Gmnm），其中Gi代表光電倍增管的倍增系數(shù)，ni是代表光陰極產(chǎn)生的光電子數(shù)。一般調(diào)節(jié)光電倍增管，使得G1=G2=Gm=G； C(n1，n2，nm)D1(X-，Y-，X+，Y+)：光電倍增管輸出通過電阻加權(quán)網(wǎng)絡變換成閃爍圖中每一點的四個定位參數(shù)X-，Y-，X+，Y+；,3、相機成像原理,4、相機的性能指標,（1）圖像分辨率：主要受三個方面的影響 反射性核素藥物的影響，主要是射線能量的大?。芰吭礁?，相機本征分辨率越高），由于同一用核素99mTc，因此一般情況不考慮此影響； 準直器分辨率Rg的影響，一般情況下為7mm-10mm； 相機本征分辨率（也叫固有分辨率）Ri的影響，一般情況下約為3.5mm； 平行孔準直器的相機總的分辨率：,4、相機的性能指標,（2）靈敏度：準直器是影響靈敏度的首要因素，在滿足屏蔽的條件下，準直器孔多而密，則靈敏度高；其次是閃爍晶體的厚度，厚度越厚，則靈敏度越高，但是本征分辨率下降。 （3）均勻性：描述相機對入射事件響應的一致性或把整個視野范圍內(nèi)的信息靈敏度一致性的衡量尺度稱為圖像的均勻性。 將視野分成許多面積相等的小區(qū)域，分別探測其效率。假設探測的最大計數(shù)率為Cmax，最小的計數(shù)率為Cmin，則圖像均勻度 ，一般情況下， 不校正時均勻性在10%，經(jīng)過校正后可達4%-5%；,4、相機的性能指標,（4）線性度：描述相機對入射事件（在有效視野內(nèi)）的原有分布進行再顯的能力，反映對原有事件分布的位置畸變程度，線性度不好臟器圖像將失真。 閃爍晶體中央至閃爍光子作用的距離D，與顯示圖像屏幕相應亮度折合到閃爍晶體中央的實測距離R之差相對于該距離的比值定義為相機線性度： （5）能量分辨率：表示相機對放射性核素中產(chǎn)生光電效應那部分事件的鑒別能力，通常定義為能譜響應的半寬度與峰值之比： ，一般情況下 與射線能量有關，能量越高，分辨率越好。,4、相機的性能指標,7.4.3 單光子發(fā)射計算機斷層 （SPECT）,1、 SPECT結(jié)構(gòu)與工作原理 2、 SPECT的優(yōu)勢與特點 3、 SPECT診斷的應用范圍,7.4.3 單光子發(fā)射計算機斷層 （SPECT）,1、SPECT結(jié)構(gòu)與工作原理 SPECT結(jié)構(gòu)：SPECT(Single Photon Emission Computed Tomography)，是單光子發(fā)射計算機斷層顯像 , SPECT系統(tǒng)一般由六部分組成：探頭（旋轉(zhuǎn)型照相機）、機架、斷層床、控制臺、計算機（包括接口）和光學照相系統(tǒng)，在高性能 相機上增加了支架旋轉(zhuǎn)的機械部分、斷層床、圖像重建軟件。,1、SPECT工作原理,2、SPECT的優(yōu)勢與特點,2、SPECT的優(yōu)勢與特點,3SPECT診斷的應用范圍：,臨床上常用于下列檢查： （1）、全身骨顯像；（2）、骨三相顯像； （3）、局部骨斷層顯像；（4）、甲狀腺顯像； （5）、甲狀旁腺顯像；（6）、異位甲狀腺顯像； （7）、131I全身顯像；（8）、腎功能顯像； （9）、腎上腺髓質(zhì)顯像；（10）、腦血流灌注顯像 （11）、腦靜態(tài)顯像；（12）、腦腫瘤顯像； （13）、肺腫瘤顯像；（14）、乳腺腫瘤顯像； （15）、甲狀腺腫瘤顯像；（16）、心功能顯像； （17）、心肌血流灌注斷層顯像；（18）、肺灌注顯像；（19）、異位胃粘膜探查；（20）、消化道出血顯像等,7.4.4正電子發(fā)射型計算機斷層顯像 PET,1、 PET檢查儀的原理 2、 PET檢查的優(yōu)點 3、 PET診斷的應用范圍,7.4.4正電子發(fā)射型計算機斷層顯像 PET,正電子發(fā)射型計算機斷層顯像（Positron Emission Computed Tomography），是核醫(yī)學領域比較先進的臨床檢查影像技術。其大致方法是，將某種物質(zhì)，一般是生物生命代謝中必須的物質(zhì)，如：葡萄糖、蛋白質(zhì)、核酸、脂肪酸，標記上短壽命的放射性核素（如F18，碳11等），注入人體后，通過對于該物質(zhì)在代謝中的聚集，來反映生命代謝活動的情況，從而達到診斷的目的。,1、PET工作原理,2、PET的優(yōu)勢,3PET診斷的應用范圍：,（1）腫瘤病人:目前PET檢查85%是用于腫瘤的檢查，因為絕大部分惡性腫瘤葡萄糖代謝高，F(xiàn)DG作為與葡萄糖結(jié)構(gòu)相似的化合物，靜脈注射后會在惡性腫瘤細胞內(nèi)積聚起來，所以PET能夠鑒別惡性腫瘤與良性腫瘤及正常組織，同時也可對復發(fā)的腫瘤與周圍壞死及瘢痕組織加以區(qū)分，現(xiàn)多用于肺癌、乳腺癌、大腸癌、卵巢癌、淋巴瘤，黑色素瘤等的檢查，其診斷準確率在90%以上。這種檢查對于惡性腫瘤病是否發(fā)生了轉(zhuǎn)移，以及轉(zhuǎn)移的部位一目了然，這對腫瘤診斷的分期，是否需要手術和手術切除的范圍起到重要的指導作用。據(jù)國外資料顯示，腫瘤病人術前做PET檢查后，有近三分之一需要更改原訂手術方案。在腫瘤化療、放療的早期，PET檢查即可發(fā)現(xiàn)腫瘤治療是否已經(jīng)起效，并為確定下一步治療方案提供幫助。有資料表明，PET在腫瘤化療、放療后最早可在24小時發(fā)現(xiàn)腫瘤細胞的代謝變化。,3PET診斷的應用范圍：,（2）神經(jīng)系統(tǒng)疾病和精神病患者:可用于癲癇灶定位、老年性癡呆早期診斷與鑒別、帕金森病病情評價以及腦梗塞后組織受損和存活情況的判斷。PET檢查在精神病的病理診斷和治療效果評價方面已經(jīng)顯示出獨特的優(yōu)勢，并有望在不久的將來取得突破性進展。在艾滋病性腦病的治療和戒毒治療等方面的新藥開發(fā)中有重要的指導作用。 （3）心血管疾病患者:能檢查出冠