醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)第8章 核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備PPT

1、醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué),第八章 核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備,重點(diǎn)難點(diǎn),核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的基本部件 準(zhǔn)直器、晶體的基本結(jié)構(gòu)、特點(diǎn) SPECT的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 PET的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 雙模式分子影像技術(shù)和設(shè)備,第一節(jié) 概 述,目錄,一、發(fā)展簡(jiǎn)史 二、分類及應(yīng)用特點(diǎn),核醫(yī)學(xué)定義 核醫(yī)學(xué)是研究核技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用及理論的學(xué)科。 應(yīng)用放射性核素或核射線診斷疾病、治療疾病或進(jìn)行醫(yī)學(xué)研究的學(xué)科。 核醫(yī)學(xué)是醫(yī)學(xué)與核物理學(xué)、核電子學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科相結(jié)合的產(chǎn)物。 也是和平利用原子能的重要方面。,第一節(jié) 概述,核醫(yī)學(xué)成像 是一種以臟器內(nèi)外正常組織與病變組織之間的放射性濃度差別為基礎(chǔ)的臟器或病變的顯像方法。 將

2、放射性核素或其標(biāo)記化合物引入體內(nèi)，利用核醫(yī)學(xué)成像儀器在體外探測(cè)體內(nèi)放射性藥物的分布并成像。 亦稱為功能成像或代謝成像，這是其他技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的。,第一節(jié) 概述,第一節(jié) 概述,一、發(fā)展簡(jiǎn)史,1951年，第一臺(tái)閃爍掃描儀（Benedict Cassen） 1957年，第一臺(tái)照相機(jī)（Hal O Anger） 1964年，商品化照相機(jī) 1976年，第一臺(tái)商業(yè)化PET（ECAT） 1979年，第一臺(tái)實(shí)用SPECT（ David Kuhl和Edwards ） 1998年，SPECT/CT（美國(guó)GE公司） 2000年，PET/CT（美國(guó)CTI公司） 2010年，全身一體化PET/MR（德國(guó)西門子公司）,Lan

3、dmark in the history of radionuclide imaging,第一節(jié) 概述,Cassen and scanner(掃描儀),1951年美國(guó)加州大學(xué)的 Cassen研制出第一臺(tái)閃爍掃描儀（Scintillation Scanner）； 逐點(diǎn)打印方式獲得器官的圖像； 促進(jìn)了顯像的發(fā)展； 美國(guó)核醫(yī)學(xué)會(huì)專門設(shè)立了 “Cassen award”。,第一節(jié) 概述,David Kuhl,1952年美國(guó)Pennsylvania大學(xué)一年級(jí)醫(yī)學(xué)生David Kuhl設(shè)計(jì)了掃描機(jī)光點(diǎn)打印法。 1959年用雙探頭掃描機(jī)進(jìn)行斷層掃描，并進(jìn)一步研制和完善斷層顯像儀器，使得SPECT和PET成為

4、核醫(yī)學(xué)顯像的主要方法。 1996年獲得“Cassen award”，被稱為 The Father of Emission Tomography 可以認(rèn)為，沒(méi)有他的遠(yuǎn)見(jiàn)，核醫(yī)學(xué)有可能不會(huì)發(fā)展成為具有特色的專業(yè)。,The father of emission tomography,第一節(jié) 概述,Robert Newell,1952年Robert Newell發(fā)明了聚焦多孔準(zhǔn)直器； 提出了Nuclear 一詞。,第一節(jié) 概述,Anger and camera,1957年Anger研制出第一臺(tái)照相機(jī)，稱之為 Anger照相機(jī)。 1963年在日內(nèi)瓦原子能和平會(huì)議上展出?？朔酥瘘c(diǎn)掃描打印的不足，使核醫(yī)學(xué)

5、顯像走向現(xiàn)代化階段。,第一節(jié) 概述,二、分類及應(yīng)用,第一節(jié) 概述,SPECT/CT PET/CT PET/MR,Fusion image,第一節(jié) 概述,（一）照相機(jī) 結(jié)構(gòu)： 閃爍探頭、電子線路、顯示記錄裝置以及一些附加設(shè)備。 優(yōu)勢(shì)： 通過(guò)連續(xù)顯像可進(jìn)行臟器動(dòng)態(tài)研究； 檢查時(shí)間相對(duì)較短，方便簡(jiǎn)單，特別適合兒童和危重病人檢查； 顯像迅速，便于多體位、多部位觀察； 通過(guò)圖像處理，可獲得有助于診斷的數(shù)據(jù)或參數(shù)。 已逐步被SPECT以及之后的SPECT/CT所替代。,大視野 一次快速成像,第一節(jié) 概述,（二）SPECT 結(jié)構(gòu)： 在一臺(tái)高性能照相機(jī)的基礎(chǔ)上增加了探頭旋轉(zhuǎn)裝置和圖像重建的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)。 優(yōu)

6、勢(shì)： 發(fā)現(xiàn)較小的病灶和深部病變，幫助定量分析。 在心肌血流灌注、腦血流灌注、骨盆顯像、全身顯像等方面比相機(jī)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。 兼有多種顯像方式。 提高靈敏度，縮短斷層采集的時(shí)間，提高圖像質(zhì)量。,第一節(jié) 概述,（二）SPECT 不足： 靈敏度低。 衰減及散射影響較大：體內(nèi)發(fā)射的光子碰到高密度物質(zhì)(例如骨、準(zhǔn)直孔邊緣等)發(fā)生的散射同樣也會(huì)使正常圖像疊加上一幅完全不均勻的偽像。這一直是發(fā)射顯像明顯存在的固有缺陷。 重建圖像的空間分辨率低：固有空間分辨率為 34mm半高寬度（full width at half maximum，F(xiàn)WHM），重建圖像固有空間分辨率為 68mm。,第一節(jié) 概述,（三）雙探頭

7、符合線路SPECT 結(jié)構(gòu)： 在常規(guī)雙探頭SPECT上通過(guò)改進(jìn)探頭設(shè)計(jì)、電子線路、圖像校正和圖像重建等方面，實(shí)現(xiàn)對(duì)正電子核素探測(cè)的影像設(shè)備。,雙探頭SPECT符合探測(cè)外形圖及原理示意圖,第一節(jié) 概述,優(yōu)勢(shì)： 其在保證探測(cè)靈敏度和分辨率的前提下，兼顧常規(guī)低能核素顯像與正電子核素顯像（主要是18F-FDG），有效完成PET所具有的部分臨床診斷任務(wù)。 不足： 空間分辨率、靈敏度、圖像對(duì)比度和進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯像的能力顯然不如專用PET； 進(jìn)行18F-FDG顯像的檢查時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法使用超短半衰期正電子核素（11C和15O等）。,（三）雙探頭符合線路SPECT,第一節(jié) 概述,（四）PET 結(jié)構(gòu)： 探測(cè)器和電子學(xué)線

8、路、掃描機(jī)架和同步檢查床、計(jì)算機(jī)及其輔助設(shè)備。,第一節(jié) 概述,（四）PET 優(yōu)勢(shì)： 所用正電子放射性核素（如11C、13N、15O等）可參與人體的生理、生化代謝過(guò)程；半衰期比較短。 PET對(duì)射線的限束是電子準(zhǔn)直（Electronic Collimator），其靈敏度比SPECT高10100倍；改善了分辨率（可達(dá)4mm），圖像清晰，診斷準(zhǔn)確率高。 衰減校正更準(zhǔn)確。 可進(jìn)行三維分布的“絕對(duì)”定量分析，遠(yuǎn)優(yōu)于SPECT。,核醫(yī)學(xué)史上劃時(shí)代的里程碑,第一節(jié) 概述,（五）動(dòng)物核醫(yī)學(xué)顯像儀器 分類： 動(dòng)物SPECT（micro-SPECT）和動(dòng)物PET（micro-PET）。 特點(diǎn)： 設(shè)計(jì)及工作原理與臨床

9、SPECT和PET設(shè)備一樣。 應(yīng)用對(duì)象：實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。 具有更高的靈敏度和空間分辨率。 目前主要應(yīng)用于藥物研發(fā)和疾病研究等生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究。對(duì)動(dòng)物進(jìn)行活體、定量檢查，獲得活體內(nèi)的動(dòng)態(tài)信息，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可直接類推至臨床。,第一節(jié) 概述,第二節(jié) 核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備 的基本部件,目錄,一、基本結(jié)構(gòu)與工作原理 二、準(zhǔn)直器 三、閃爍晶體,第二節(jié)核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的基本部件,一、基本結(jié)構(gòu)與工作原理 準(zhǔn)直器 閃爍晶體 光電倍增管 放射性探測(cè)器 前置放大器 定位電路 顯示記錄裝置 機(jī)械支架和床,探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖,照相機(jī)的組成： 準(zhǔn)直器（collimator） 閃爍晶體 光電倍增管（PMT） 預(yù)放大器、放大器 X、Y位置電路

10、總和電路 脈沖高度分析器（PHA） 顯示或記錄器件等,第二節(jié)核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的基本部件,第二節(jié)核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的基本部件,核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備基本部件示意圖,射線通過(guò)鉛準(zhǔn)直器孔道投射到晶體上； 晶體產(chǎn)生的閃爍熒光可同時(shí)經(jīng)光導(dǎo)傳輸?shù)剿械墓怆姳对龉苌?，靠近熒光點(diǎn)的光電倍增管接收到的光子多，輸出的電脈沖幅度大； 晶體中發(fā)生一個(gè)閃爍事件就會(huì)使排列有序的光電倍增管陽(yáng)極輸出眾多的幅度不等的電脈沖信號(hào)，對(duì)這些信號(hào)經(jīng)過(guò)權(quán)重處理，就可得到這一閃爍事件的位置信號(hào)P。,閃爍熒光傳輸?shù)礁鞴怆姳对龉艿氖疽鈭D,第二節(jié)核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的基本部件,定位電路 在每個(gè)光電倍增管的輸出端加一個(gè)與位置有關(guān)的權(quán)重電阻或權(quán)重延遲線，每個(gè)管輸出的信

11、號(hào)進(jìn)行位置權(quán)重，再利用加法電路和減法電路將所有經(jīng)過(guò)的位置權(quán)重的信號(hào)總和，利用比分電路得出這一事件將有的位置信號(hào)P。,第二節(jié)核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的基本部件,光電倍增管工作原理,第二節(jié)核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的基本部件,每一個(gè)光電倍增管都與4個(gè)電阻相連接，各電阻的阻值根據(jù)管的位置不同而異。任何閃爍事件發(fā)生在晶體的某個(gè)部位，相對(duì)應(yīng)的光電倍增管通過(guò)位置權(quán)重電阻矩陣就會(huì)輸出特有的位置信號(hào)和能量信號(hào)。 每一個(gè)管都輸出經(jīng)過(guò)位置權(quán)重的X+、X、Y+和Y值，最后需由加法電路將各管的輸出值按X+、X、Y+和Y分別總和起來(lái)而給出此事件的X、Y、Z信號(hào)。,位置權(quán)重電阻矩陣示意圖,第二節(jié)核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的基本部件,二、準(zhǔn)直器 安置在晶體

12、前方的一種特制屏蔽，使非規(guī)定范圍和非規(guī)定方向的射線不得入射晶體，起定位采集信息的作用。,第二節(jié)核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的基本部件,（一）準(zhǔn)直器的主要性能參數(shù) 1. 幾何參數(shù) 2.空間分辨率 3.靈敏度 4. 適用能量范圍,第二節(jié)核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的基本部件,1. 幾何參數(shù) 包括孔數(shù)、孔徑、孔長(zhǎng)、孔間壁厚度，它們決定準(zhǔn)直器的空間分辨率、靈敏度和適用能量范圍等性能參數(shù)。,準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)示意圖,第二節(jié)核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的基本部件,2.空間分辨率 對(duì)兩個(gè)鄰近點(diǎn)源加以區(qū)別的能力，通常以準(zhǔn)直器一個(gè)孔的線源響應(yīng)曲線的FWHM作為分辨率（R）的指標(biāo)，R越小表示空間分辨率越好。 空間分辨率隨被測(cè)物與準(zhǔn)直器外口距離的增加而減低（因此，

13、顯像時(shí)應(yīng)盡量將探頭貼近受檢者體表）。準(zhǔn)直器孔徑越小，分辨率越好。準(zhǔn)直器越厚，分辨率也越高。,第二節(jié)核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的基本部件,3.靈敏度 靈敏度（S）為配置該準(zhǔn)直器的探頭實(shí)測(cè)單位活度（如1MBq）的計(jì)數(shù)率（計(jì)數(shù)s） S=106feE f為所測(cè)射線的豐度 e為光電子峰探測(cè)效率 E為準(zhǔn)直器幾何效率 此公式中未考慮射線在被檢物體內(nèi)的衰減。,第二節(jié)核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的基本部件,4. 適用能量范圍 主要由孔長(zhǎng)及孔間壁厚度決定。 高能準(zhǔn)直器孔更長(zhǎng)，孔間壁也更厚。 厚度0.3mm左右者適用于低能（150keV）射線探測(cè) 1.5mm左右者適用于中能（150keV350keV）射線探測(cè) 2.0mm左右者適用于高能（3

14、50keV）射線探測(cè),第二節(jié)核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的基本部件,（二）準(zhǔn)直器的類型 1.按幾何形狀：針孔型、平行孔型、擴(kuò)散型、會(huì)聚型 2.按適用的射線能量：低能、中能、高能準(zhǔn)直器 3.按靈敏度和分辨率：高靈敏型、高分辨型、通用型,準(zhǔn)直器類型,第二節(jié)核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的基本部件,第二節(jié)核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的基本部件,某型準(zhǔn)直器參數(shù),第二節(jié)核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的基本部件,三、閃爍晶體 閃爍晶體是將射線或X射線轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)光的物質(zhì)。射入NaI:Tl閃爍晶體的射線在閃爍晶體內(nèi)與NaI:Tl晶體發(fā)生光電效應(yīng)和康普頓散射，這時(shí)射線失去能量，發(fā)出近似紫色的閃爍光。 NaI:Tl閃爍晶體是在NaI中摻入微量的Tl而形成的晶體；原子量大，

15、對(duì)射線吸收效率高，能制成大型晶體。 NaI:Tl閃爍晶體不耐急劇變化的溫度，1小時(shí)內(nèi)3的環(huán)境溫度變化即可使其破損（將此稱為潮解性）。 NaI:Tl晶體的厚度一旦增加，其吸收射線的靈敏度也會(huì)升高，但分辨率會(huì)下降。,第三節(jié) 單光子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層掃描儀,Single Photon Emission Computed Tomography,目錄,一、基本結(jié)構(gòu)與工作原理 二、探測(cè)器 三、機(jī)架 四、檢查床 五、控制臺(tái)和計(jì)算機(jī) 六、外圍設(shè)備,第三節(jié) 單光子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層掃描儀,一、基本結(jié)構(gòu)與工作原理 （一）基本結(jié)構(gòu) 探測(cè)器（探頭）、旋轉(zhuǎn)機(jī)架、檢查床、圖像采集控制臺(tái)和圖像處理的計(jì)算機(jī)工作站以及外圍輔助設(shè)備

16、。 （二）工作原理 多探頭型（亦稱掃描機(jī)型）和照相機(jī)型。,單探頭 雙探頭 三探頭,第三節(jié) 單光子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層掃描儀,二、探測(cè)器 （一）探測(cè)原理 由準(zhǔn)直器、NaI（Tl）閃爍晶體、光電倍增管（PMT）、前置放大器和計(jì)算電路等組成。 傳統(tǒng)SPECT實(shí)際上與相機(jī)的探測(cè)器相同。,第三節(jié) 單光子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層掃描儀,二、探測(cè)器 （二）技術(shù)進(jìn)展 采用新型準(zhǔn)直器（PMT）。 優(yōu)勢(shì)： 降低探頭和SPECT機(jī)架整體的重量； 提高了SPECT系統(tǒng)分辨率和圖像的信噪比； 在SPECT探測(cè)器整體性能提高的基礎(chǔ)上，大幅提高分辨率：如配置LEHR準(zhǔn)直器后SPECT系統(tǒng)分辨率可達(dá)到7.5mm（使用NEMA推薦的重建方

17、法）。,第三節(jié) 單光子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層掃描儀,二、探測(cè)器 （二）技術(shù)進(jìn)展 采用碲鋅鎘（CdZnTe，CZT）半導(dǎo)體探測(cè)器。 原理：當(dāng)具有電離能力的射線和CZT晶體作用時(shí)，晶體內(nèi)部產(chǎn)生電子和空穴對(duì)，并且數(shù)量和入射光子的數(shù)量成正比。帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴朝不同的電極運(yùn)動(dòng)，形成的電荷脈沖經(jīng)過(guò)前置放大變成電壓脈沖，其強(qiáng)度與入射光子的能量呈正比。前置放大輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)后續(xù)電路處理，然后進(jìn)行圖像重建。,第三節(jié) 單光子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層掃描儀,二、探測(cè)器 （二）技術(shù)進(jìn)展 CZT半導(dǎo)體探測(cè)器的優(yōu)勢(shì)： 對(duì)射線探測(cè)具有極高的系統(tǒng)靈敏度。 可以直接將射線轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，具有更高的探測(cè)效率和能量分辨率（10 keV6

18、 MeV）。 采用較厚的CZT晶體陣列（至少6mm）和小尺寸像素面元電極設(shè)計(jì)的面元陣列探測(cè)器，能同時(shí)得到好的能譜特性和高的空間分辨率，提高系統(tǒng)靈敏度從而減少放射性示蹤劑的用量，縮短掃描時(shí)間，提高圖像信噪比。 高度集成化后可減輕整個(gè)SPECT設(shè)備探頭的重量。,第三節(jié) 單光子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層掃描儀,二、探測(cè)器 （二）技術(shù)進(jìn)展 采用碲鋅鎘（CdZnTe，CZT）半導(dǎo)體探測(cè)器。,基于CZT探測(cè)器SPECT的性能,心臟專用SPECT,心臟專用SPECT 探頭是采用半環(huán)狀（180）排列的CZT半導(dǎo)體探測(cè)器； 心肌斷層顯像時(shí)，探頭無(wú)需旋轉(zhuǎn)，避免了運(yùn)動(dòng)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48mm提高到2.46mm； 能量分辨率由9.512提高到6.2。,第三節(jié) 單光子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層掃描儀,乳腺專用顯像儀,乳腺專用顯像儀 探頭是采用兩個(gè)互成180的平板CZT半導(dǎo)體探測(cè)器構(gòu)成； 采用99mTc-MIBI等為顯像劑，對(duì)乳腺進(jìn)行顯像檢查。,第三節(jié) 單光子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層掃描儀,第三節(jié) 單光子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層掃描儀,三、機(jī)架 由機(jī)械運(yùn)動(dòng)組件、機(jī)架運(yùn)動(dòng)控制電路、電源保障系統(tǒng)、機(jī)架手控盒及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)顯示器、實(shí)時(shí)監(jiān)視器等組成。 （一）旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu) 圓環(huán)型機(jī)架SPECT旋轉(zhuǎn)機(jī)架的主要形式。 懸臂形機(jī)架。 懸吊式機(jī)架。 龍門型機(jī)架。,第三節(jié) 單光子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷