生物醫(yī)學(xué)圖像處理】單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像

1、 單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像(SPECT) Siemens的SPECT系統(tǒng) GE的SPECT系統(tǒng) 要點(diǎn) 核醫(yī)學(xué)介紹 SPECT的發(fā)展 SPECT的成像方法 SPECT的示蹤劑 SPECT的相機(jī) SPECT的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) SPECT的臨床應(yīng)用 核醫(yī)學(xué) 又稱原子（核）醫(yī)學(xué)，是研究同位素及核輻射的醫(yī)學(xué)應(yīng)用及理論基礎(chǔ)的科學(xué)，是核技術(shù)和醫(yī)學(xué)相結(jié)合的一門新興學(xué)科，也是人類和平利用原子能的一個(gè)重要方面。 核醫(yī)學(xué)的任務(wù)是用核技術(shù)診斷、治療和研究疾病。 核醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)包括臟器顯像、功能測(cè)定和體外放射免疫分析。 核醫(yī)學(xué)的方法 在進(jìn)行臟器顯像和/或功能測(cè)定時(shí)，醫(yī)生根據(jù)檢查目的，給病人口服或靜脈注射某種放射性示蹤劑，使之

2、進(jìn)入人體后參與體內(nèi)特定器官組織的循環(huán)和代謝，并不斷地放出射線。 這樣我們就可在體外用各種專用探測(cè)儀器追蹤探查，以數(shù)字、圖像、曲線或照片的形式顯示出病人體內(nèi)臟器的形態(tài)和功能。 核醫(yī)學(xué)的特點(diǎn) 核醫(yī)學(xué)顯像方法簡(jiǎn)單、靈敏、特異、無創(chuàng)傷性、安全（病人所受輻射劑量低于一次X攝片所受劑量）、易于重復(fù)、結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，并能反映臟器的功能和代謝，因此在臨床和基礎(chǔ)研究中的應(yīng)用日益廣泛。 核醫(yī)學(xué)儀器 照相機(jī) 可同時(shí)記錄臟器內(nèi)各個(gè)部份的射線，以快速形成一幀器官的靜態(tài)平面圖像 可觀察臟器的動(dòng)態(tài)功能及其變化 既是顯像儀又是功能儀 ECT SPECT PET ECT Emission Computed tomography

3、，同位素發(fā)射計(jì)算機(jī)輔助斷層顯像 利用儀器探測(cè)人體內(nèi)同位素動(dòng)態(tài)分布而成像 可作功能、代謝方面的影像觀察 是由電子計(jì)算機(jī)斷層(CT)與核醫(yī)學(xué)示蹤原理相結(jié)合的高科技技術(shù) ECT SPECT Single Photon Emission Computed Tomography，單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像 能給出臟器的各種斷層圖像 也具有一般相機(jī)的功能，可以進(jìn)行臟器的平面和動(dòng)態(tài)（功能）顯像 SPECT SPECT SPECT SPECT的發(fā)展 1959 David Kuhl 和 Roy Edwards取得了世界上第一臺(tái)橫截面發(fā)射斷層圖 1963 Kuhl 和 Edwards發(fā)展出來的放射斷層系統(tǒng)成為SPE

4、CT的前身 1976 Keyes發(fā)明第一臺(tái)相機(jī)SPECT系統(tǒng) 1983 商業(yè)化相機(jī)SPECT問世 2003 利用迭代重建算法進(jìn)行衰減修正的SPECT SPECT的原理 SPECT檢測(cè)通過放射性原子（稱為放射性核，如TC-99m 、TI-201）發(fā)射的單射線。放射性核附上的放射性藥物可能是一種蛋白質(zhì)或是有機(jī)分子，選擇的標(biāo)準(zhǔn)是它們的用途或在人體中的吸收特性。比如，能聚集在心肌的放射性藥物就用于心臟SPECT成像。這些能吸收一定量放射性藥物的器官會(huì)在圖像中呈現(xiàn)亮塊。如果有異常的吸收狀況就會(huì)導(dǎo)致異常的偏亮或偏暗，表明可能處于有病的狀態(tài)。 SPECT的原理 SPECT成像方法 一個(gè)探頭可以圍繞病人某一臟

5、器進(jìn)行360旋轉(zhuǎn)的相機(jī)，在旋轉(zhuǎn)時(shí)每隔一定角度（3或6）采集一幀圖片 經(jīng)電子計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理，將圖像疊加，利用濾波反投影（FBP）方法，可以從一系列投影像重建橫向斷層影像。由橫向斷層影像的三維信息再經(jīng)影像重新組合可以得到矢狀、冠狀斷層和任意斜位方向的斷層影像。 SPECT成像基本步驟 用短半衰期核素Tc-99m等標(biāo)記某些特殊化合物經(jīng)靜脈注入人體 探測(cè)聚集于人體一定器官、組織內(nèi)，標(biāo)記于化合物上的Tc-99m衰變所發(fā)出的射線 將射線轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)斷層重建為反映人體某一器官生理狀況的斷面或三維圖像 SPECT技術(shù)介紹 雙頭獲取 濾波反投影 門控心臟獲取 動(dòng)態(tài)獲取 Chang氏衰減校正

6、 精確傳送 SPECT重建算法步驟 數(shù)據(jù)投影 數(shù)據(jù)傅立葉變換 數(shù)據(jù)濾波 數(shù)據(jù)反變換 反投影 衰減校正 散射校正 濾波反投影(FBP) FBP方法的優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算過程簡(jiǎn)單，重建速度快，重建后的SPECT圖像分辨率能夠滿足臨床需要。 FBP方法的缺點(diǎn)：該方法重建的圖像存在固有星狀偽影，重建后的圖像分辨率較差。 衰減校正 目前的SPECT理論把投影數(shù)據(jù)近似為病人體內(nèi)的放射性藥物分布沿投影線的積分，忽略了人體組織對(duì)射線的散射與吸收效應(yīng)。然而，對(duì)于核醫(yī)學(xué)所使用的能量在60511keV的射線來說，人體組織的衰減對(duì)投影數(shù)據(jù)有相當(dāng)大的影響，因此需要進(jìn)行衰減校正。 一方面取決于人體衰減系數(shù)圖( map)的獲取，另一

7、方面取決于衰減校正的算法。 SPECT的示蹤劑 由放射性同位素標(biāo)記的放射性藥物會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部輻射。 這種放射性藥物稱為示蹤劑，可以是注射也可以是吸入。正是示蹤劑的衰減放射出射線。 常用能夠標(biāo)記放射性藥物有：MIBI（心肌顯象）； MDP（全身骨顯象）； ECD（腦血流顯象） 常用的放射性示蹤劑 用放射性Tc-99m標(biāo)記的各種化合物 短半衰期（6.02小時(shí)）放射性同位素,主要放射低能射線,其能量為141keV 輻射劑量只有一次X攝片的1/101/2 沒有副作用，大部分在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)即排出體外，留在體內(nèi)的放射性也會(huì)在短時(shí)間內(nèi)衰變掉 其他常用的放射性核素還有Tl-201、I-131、I-123、Ga-67

8、、In-111等 放射性藥物及其臨床應(yīng)用 SPECT系統(tǒng) 探頭（旋轉(zhuǎn)型照相機(jī)） 機(jī)架 斷層床 計(jì)算機(jī)和光學(xué)照相系統(tǒng) SPECT的相機(jī) 相機(jī)收集病人體內(nèi)發(fā)射的射線，使我們重建出發(fā)射部位的圖像，了解特定器官或系統(tǒng)的功能。 康普頓相機(jī) 相機(jī)結(jié)構(gòu) 相機(jī)準(zhǔn)直器（Collimator） 閃爍探測(cè)器（NaI晶體） 光電倍增管(PMT) 位置電路 數(shù)據(jù)分析計(jì)算機(jī) 相機(jī)準(zhǔn)直器 準(zhǔn)直器位于晶體之前，是探頭中首先和射線相接觸的部分。準(zhǔn)直器的性能在很大成度上決定了探頭的性能。準(zhǔn)直器能夠限制散射光子,允許特定方向光子和晶體發(fā)生作用。 閃爍探測(cè)器 一種鉈激活碘化鈉NaI(Tl)探測(cè)晶體普遍用于相機(jī)中。在核醫(yī)學(xué)中，這種晶體

9、對(duì)于放射性核發(fā)射的射線能量有最佳的探測(cè)效率。探測(cè)晶體一般為圓形或矩形。典型的是3/8厚且尺度為30-50 cm。 由于光電效應(yīng)和與晶體內(nèi)碘化物的離子的康普頓散射，光子與探測(cè)器互相作用。這種相互作用導(dǎo)致電子釋放而繼續(xù)與晶體的網(wǎng)格相互作用產(chǎn)生光。這種過程稱為閃爍。 光電倍增管 每7到10個(gè)光子入射到光電陰極上，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電子。從陰極來的電子聚焦到倍增管電極上被吸收后會(huì)放出更多的電子（一般是6到10個(gè)）。這些電子再聚焦到下一個(gè)倍增管電極上，這個(gè)過程在倍增管電極陣列上不斷重復(fù)。 位置電路和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī) 位置邏輯電路緊跟在光電倍增管陣列后面并在求和矩陣電路(SMC)中接收來自倍增管的電流脈沖。這使得

10、位置電路能夠決定閃爍事件在探測(cè)晶體的何處發(fā)生。 最后，一臺(tái)數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)處理進(jìn)來的投影數(shù)據(jù)，使它成為一張可讀的反映病人體內(nèi)三維活性分布的圖像。計(jì)算機(jī)可能使用各種方法來重建圖像，比如濾波反投影算法或迭代重建。 相機(jī)成像方案 平面成像 相機(jī)固定在病人上方，獲取單一角度數(shù)據(jù) 平面動(dòng)態(tài)成像 固定角度，長(zhǎng)時(shí)間觀察放射性示蹤劑運(yùn)動(dòng) SPECT成像 繞病人旋轉(zhuǎn)，獲取放射性示蹤劑三維分布 門控SPECT成像 結(jié)合ECG獲取心動(dòng)周期不同階段的圖像 平面動(dòng)態(tài)成像 SPECT的新類型 目前幾乎所有的SPECT都屬于旋轉(zhuǎn)照相機(jī)型。 當(dāng)今世界上最新型號(hào)的單光子核素顯像儀是雙探頭可變角帶衰減校正的SPECT，需要時(shí)可以升

11、級(jí)為既可行SPECT顯像，又可行18F-FDG/PET葡萄糖代謝顯像的符合探測(cè)顯像儀。 SPECT的總體特點(diǎn) 示蹤劑適應(yīng)面廣，特異性高，放射性小，不干擾體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定，有獨(dú)到的診斷價(jià)值。 時(shí)域解像精度不到千分之一秒 。 放射性核的等離子放射物可能對(duì)孩子和孕婦有危險(xiǎn)性。 保留了照相機(jī)全部平面顯像的性能 分層臟器功能觀察到臟器功能動(dòng)態(tài)變化，化學(xué)物質(zhì)在臟器內(nèi)代謝分布、血管量的變化、腫瘤免疫及受體定位等。 SPECT的優(yōu)勢(shì) 兼具CT和核醫(yī)學(xué)兩種優(yōu)勢(shì)，較CT的容積采集信息量大 超快速、大容量的操作診斷臺(tái)，圖像掃描和圖像處理同步，并有高級(jí)圖像后處理臺(tái) 是當(dāng)前唯一的一種活體生理、生化、功能、代謝信息的四維顯

12、像方式 明顯提高了病變的檢測(cè)率 價(jià)格優(yōu)勢(shì) SPECT與PET比較 分辨率相近 衰減少 衰減修正偽差少 散射少 輻射劑量少 更合適的放射性核（半衰期更長(zhǎng)） 價(jià)格便宜 重建算法相似 靈敏度低 噪聲大，獲取時(shí)間長(zhǎng) SPECT的臨床應(yīng)用 早期冠心病、心肌炎、腦缺血性疾病、惡性腫瘤早期骨轉(zhuǎn)移的檢測(cè) 原發(fā)癲癇、短暫腦缺血發(fā)作，肝血管瘤分腎功能測(cè)定及一些軟組織腫塊定性心血池功能顯像和多參數(shù)分析測(cè)定 肺通氣功能、腎小球慮過率GFR和腎臟有效血流量ERPF功能測(cè)定 甲狀腺疾病的常規(guī)檢查等方面 SPECT圖像-腦部 SPECT圖像-腦部 SPECT圖像-腦部 SPECT圖像-心臟 SPECT圖像-骨骼 SPECT

13、的研究方向 動(dòng)力學(xué)和示蹤劑反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 傳送掃描 工業(yè)化發(fā)展 新示蹤劑 小動(dòng)物系統(tǒng) 放射性核治療計(jì)劃 臨床透視 Terms ECT: Emission Computed Tomography SPECT: Single Photon Emission Computed Tomography PET: Positron Emission Tomography FBP: Filtered Backprojection MIBI: Methoxyisobutyl Isonitrile MDP: Methylenediphosphonate ECD: Ethylcysteinate Dimer Term

14、s PMT: photomultiplier tube SMC: summing matrix circuit ECG: Electrocardiograph GFR: glomerular filtration rate ERPF: Effective renal plasma flow NaI 晶體 光電倍增管 準(zhǔn)直器孔 探頭周圍鉛屏蔽 準(zhǔn)直器固定結(jié)構(gòu) ? ? ? ? 2例癲癇患者SPECT圖像:發(fā)作間期低灌注(A圖)，發(fā)作期高灌注(B圖)。癲癇灶發(fā)作間期在SPECT上呈低灌注暗影，發(fā)作期變?yōu)楦吖嘧⒘劣啊?* * 美國(guó)菲利普三探頭ECT 迭代重建 散射校正 運(yùn)動(dòng)校正 分辨率補(bǔ)償 部分體積修正 FBP方法是把探頭采集到的二維投影數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)濾波降低統(tǒng)計(jì)噪聲后，將二維投影數(shù)據(jù)反投影到預(yù)先設(shè)定的三維矩陣過程。 6 140 Sulfur Tc-99m 肝臟 78 2 90 511 Citrate FDG Ga-67 F-18 腫瘤顯象 6 62