医科大学精品课件：第二章 核医学仪器.ppt

1、第二章 核医学常用仪器,Instruments of Nuclear Medicine,概 述,定义： 在医学中用于探测和记录放射性核素放出射线的种类、能量、活度，以及随时间变化规律和空间分布的仪器，统称为核医学仪器。 核医学仪器是实现核医学工作必不可少的基本工具，根据使用目的不同，可分为显像仪器（包括照相机、SPECT、PET等）、脏器功能测量仪器、放射性计数测量仪器、辐射剂量监测仪器以及放射性核素治疗仪器等，其中显像仪器是临床核医学最重要的组成部分。,概 述,发展简史：,第一节 放射性探测仪器的基本原理,放射性探测的基本原理是建立在射线与物质相互作用的基础上，主要包括射线的电离作用、激发作

2、用（荧光现象）以及感光作用。 带点粒子可以直接引起物质的电离、激发，而射线则是通过与物质相互作用的光电效应、康普顿效应或电子对生成效应产生次级电子，再由次级电子引起物质产生电离或激发作用。,一、放射性探测的基本原理,二、放射性探测仪器的基本构成和工作原理,用于放射性探测的仪器种类繁多，但其基本构成是一致的，通常都由两大部分组成：放射性探测器和后续电子学单元。 根据射线探测的原理，可将探测仪器分为四大类：闪烁型探测器、电离型探测器、半导体探测器和感光材料探测器。 本节以目前最常用的固体闪烁计数器为例，简要介绍放射性探测仪器的基本构成和工作原理。,第一节 放射性探测仪器的基本原理,探头,闪烁型探测

3、器的工作原理,后续电子学线路,主放大器（main amplifier）,主放大器由放大、成形等电路组成，其主要功能，一方面是进一步放大前置放大器输出的信号，以达到供信号数字化所需要的电平；另一方面是成形滤波，将前置放大器输出的脉冲信号进行整形或倒相，减小基线涨落，以提高信噪比。,脉冲高度分析器（pulse height analyzer，PHA）,单道脉冲高度分析器工作原理,后续电子学线路,显示记录装置,定标器（scaler）：用来记录脉冲数目的电子仪器，主要用于样品放射性测量和辐射防护领域的放射性污染测量。 计数率仪（count rate meter）：一种能连续显示单位时间内所测脉冲的平均

4、数及其随时间变化的仪器，常用于脏器功能测定和表面放射性沾染测量等。 显像仪器：经过计算机的采集、处理、分析后，放射性核素在组织脏器内的分布情况可以用图像的方式显示出来，例如照相机、SPECT和PET等。,放射性探测仪器的组成框图,三、照相机的基本结构,第一节 放射性探测仪器的基本原理,1957年，由Hal Anger研制成功，因此也称为Anger型照相机(- Camera),三、照相机的基本结构,第一节 放射性探测仪器的基本原理,准直器（collimator） 闪烁晶体 光电倍增管（PMT） 预放大器、放大器 总和电路 定位电路和能量电路 脉冲高度分析器（PHA） 显示或记录器件等,核医学显像

5、仪器与X线显像仪器的区别,1. 准直器（collimator）,准直器是安置于晶体前方、由铅或铅钨合金制成的一种特殊装置，有若干个小孔贯穿其中，称为准直孔。准直器的作用是只允许与准直孔角度相同的射线到达晶体并被探测，其他方向的射线则被吸收或阻挡。,第一节 放射性探测仪器的基本原理,1. 准直器（collimator）,准直器的几何参数包括：孔数、孔径、孔长及孔间壁厚度 决定了准直器的空间分辨率、灵敏度和适用能量范围等性能参数 准直器的空间分辨率与灵敏度是一个矛盾关系,第一节 放射性探测仪器的基本原理,第一节 放射性探测仪器的基本原理,2. 闪烁晶体（scintillation crystal）

6、,照相机的晶体目前基本上都采用NaI(Tl)晶体，其作用是将入射的射线转换成荧光光子； 晶体的直径与探头的有效视野有关，而晶体的厚度则与探测效率和固有分辨率有关； 目前普遍应用的大视野通用型照相机多使用厚度为9.5mm(3/8in)的矩形晶体，尺寸可达到600500mm，兼顾99mTc和131I标记药物的显像。,第一节 放射性探测仪器的基本原理,3. 光电倍增管（PMT）,根据照相机探头尺寸的不同，由数目不等的光电倍增管组成阵列，均匀地排列在晶体的后面； 光电倍增管的数量多少与定位的准确性有关，数量多可增加显像的空间分辨率和定位的准确性。,第一节 放射性探测仪器的基本原理,4. 定位电路和能量

7、电路,一个光子在晶体中产生多个闪烁光子，可被多个光电倍增管接收。各个光电倍增管接收的闪烁光子数目随其离闪烁中心(光子处)的距离增加而减少，输出的脉冲幅度也较小。即：在晶体中发生一个闪烁事件，就会使排列有序的光电倍增管阳极端输出众多幅度不等的电脉冲信号，经过相加处理得到X、X、 Y和Y四个总和信号。,对这些信号经过进一步处理，就可以得到这一闪烁事件的位置信号(x、y)和能量信号(z)，在显示屏的相应位置上出现一个荧光信号，荧光的亮度与射线能量大小成正比。,照相机的工作原理,注入人体的放射性核素发射出的射线首先经过准直器准直，然后打在碘化钠晶体上，碘化钠晶体产生的荧光光子由一组光电倍增管收集； 将

8、所有光电倍增管收集到的信号经过处理可以产生位置信号和能量信号，作为一个闪烁事件在相应的位置被记录； 所有的记录构成一幅人体放射性浓度分布图像。,第三节 SPECT及双探头符合探测,第三节 SPECT及双探头符合探测,一、SPECT基本结构,SPECT是在相机的基础上发展起来的核医学影像设备，它实际上是在一台高性能相机的基础上增加了探头旋转功能和图像重建计算机软件； 其基本机构主要由探头、旋转运动机架、计算机及其辅助设备等三大部分构成； 探头是SPECT的核心部件，根据临床需要设计探头数量，通常为1-3个。,第三节 SPECT及双探头符合探测,二、SPECT工作原理,相机的探头围绕受检对象或部位

9、呈360或180旋转，从多角度、多方位采集一系列平面投影像，经计算机图像处理系统重建获得横断层面、冠状面和矢状面影像。,脑血流断层显像,第三节 SPECT及双探头符合探测,二、SPECT工作原理,第三节 SPECT及双探头符合探测,三、SPECT成像特点,SPECT断层显像清除了不同体层放射性的重叠干扰，可以单独观察某一体层内的放射性分布，这不仅有利于发现较小的异常和病变，还使得局部放射性核素定量分析进一步精确； SPECT同时兼有平面显像、动态显像、断层显像和全身显像的功能。,Planar imaging,Tomographic imaging,第三节 SPECT及双探头符合探测,四、SPE

10、CT数据采集和断层图像重建,SPECT的图像采集方式除了普通照相机已有的静态采集、动态采集、门控采集和全身采集之外，还有断层采集和门控断层采集； 相对于照相机的二维采集，断层采集条件的选择有其特殊的要求，例如采集矩阵大小、断层采集的方式（步进采集或连续采集）和角度、旋转半径、采集时间控制等； 由于人体组织对射线有明显的衰减作用，体内衰减可达到50%80%，因此SPECT在图像重建之前必须设法消除由于射线在到达探测器之前的衰减所引起的误差，这就需要准确地进行衰减校正。,第三节 SPECT及双探头符合探测,四、SPECT数据采集和断层图像重建,由已知不同方向的物体投影值求该物体内各点的分布称为图像

11、重建，也就是利用物体在多个轴向投影图像重建目标图像的过程； 常用重建算法有滤波反投影法（filtered backprojection，FBP)和迭代法两种，后者以有序子集最大期望值法(ordered subset expectation maximization，OSEM)为代表。,第三节 SPECT及双探头符合探测,五、SPECT/CT图像融合技术,SPECT/CT是SPECT和CT两种成熟技术相结合形成的一种新型核医学显像仪器，实现了SPECT功能代谢显像与CT解剖形态学影像的同机融合 SPECT/CT中CT的作用: 衰减校正、解剖定位及诊断功能,第三节 SPECT及双探头符合探测,第三

12、节 SPECT及双探头符合探测,六、双探头符合线路SPECT,主要由可变角双探头SPECT系统、符合探测技术和衰减校正装置构成； 既可以做常规的SPECT，又可以对正电子湮灭辐射产生的两个方向相反的 511 keV 光子进行符合探测成像；,第三节 SPECT及双探头符合探测,六、双探头符合线路SPECT,晶体一般采用25.4mm（1 in）激光切割晶体，它可以有效地阻止511keV光子穿透晶体逃逸，较好地兼顾了低能核素的SPECT显像和高能核素的符合探测显像； 采用透射扫描技术对正电子符合采集图像进行衰减校正，主要有核素穿透源（如137Cs）和X线透视源两种方法； 具备某些PET的功能，并且具

13、有一机多能和价格低廉的优势，尤其适合基层单位使用； 但其空间分辨率、灵敏度、图像对比度等方面显然不如专用PET，成像速度慢，仅适用于18F的成像。,第三节 PET、PET/CT、 PET/MR及小动物PET,一、PET基本结构及原理,PET主要由机架、扫描床、电子柜、操作工作站、分析工作站及打印设备等组成。,第三节 PET、PET/CT、 PET/MR及小动物PET,1. PET显像原理,PET显像是将发射正电子的核素引入体内，其发射的正电子经湮灭辐射转换成能量相同、方向相反的两个光子射至体外，由PET的成对符合探测器采集，经过计算机重建而成断层图像，显示正电子核素在体内的分布情况; 常用发射

14、正电子核素主要有：18F、11C、15O、13N等。,第三节 PET、PET/CT、 PET/MR及小动物PET,1. PET显像原理,正电子探测与单光子探测的最大区别在于，单光子探测时需要重金属制成的准直器排除不适于成像的光子，而正电子探测采用符合电子准直方式，无须使用准直器。,第三节 PET、PET/CT、 PET/MR及小动物PET,2. PET的探测器,一般是将若干个晶体、光电倍增管（PMT）以及放大和定位电路安装于具有保护和光屏蔽作用的外壳内。 常用的探测器结构组合多为464组合，即4个光电倍增管与64个微晶体块组合为一个单元。,第三节 PET、PET/CT、 PET/MR及小动物P

15、ET,2. PET的探测器,一组探测器组合叫组块（block），几个组块可组成探测器组（bank），若干组探测器组又组成探测器环（ring），PET的探头便是由若干探测器环排列组成。,第三节 PET、PET/CT、 PET/MR及小动物PET,PET采用高原子序数或高密度的晶体材料，如BGO、GSO、LSO和LYSO等。,第三节 PET、PET/CT、 PET/MR及小动物PET,3. PET的数据校正,由于PET使用短半衰期核素，采用电子符合准直的探测方式，并且出于对影像进行绝对定量或半定量分析的要求，必须通过对采集到的各种数据和影响因素进行更为复杂的校正，以达到提高影像质量和消除图像的伪影

16、的目的。 常用的校正方法包括放射性核素衰变校正、探测器归一化、衰减校正、散射校正、随机符合校正、死时间校正以及脏器运动校正等。,第三节 PET、PET/CT、 PET/MR及小动物PET,二、PET/CT,由PET和CT两部分组成，两者组合在同一个机架内； 共用同一个扫描床、图像采集和图像处理工作站； 采用X线CT图像对PET图像进行衰减校正。,PET/CT融合图像,PET图像(功能),CT图像(形态),1+12,第三节 PET、PET/CT、 PET/MR及小动物PET,三、PET/MRI,第三节 PET、PET/CT、 PET/MR及小动物PET,四、小动物PET,micro-PET,mi

17、cro-PET/CT,第三节 PET、PET/CT、 PET/MR及小动物PET,四、小动物PET,micro-PET/SPECT/CT,第四节 脏器功能测定仪器,一、甲状腺功能测定仪（甲功仪）,是一台单探头射线计数测量装置，由准直器、闪烁探测器、放大器、单道脉冲高度分析器、定标器或计算机组成； 采用张口型单孔准直器，适合浅表脏器的功能测量； 主要用于测定甲状腺吸碘率，评价甲状腺吸碘功能。,a：正常志愿者 b：甲亢 c：甲亢高峰前移 d：甲低,第四节 脏器功能测定仪器,二、肾功能测定仪,由两套相同的探测器、放大器、甄别器、计数率仪记录装置或计算机组成。两个探头分别固定在可以升降和移动的支架上，

18、分别对准左、右两肾； 所得到的时间-放射性曲线就是肾功能曲线，简称肾图。,第四节 脏器功能测定仪器,三、多功能测定仪,由多套探头组成的功能测定仪，可同时测定一个脏器的多个部位或多个脏器的功能。 该仪器的设计一般采用床椅合一可调试结构。 各个探头既可分别使用也可组合使用，完成多项不同的任务。,第五节 体外样本测量仪器及辐射防护仪器,一、闪烁计数器,测量样品射线计数的典型装置是配备井型探测器的闪烁计数器； 可以获得近似4立体角的几何测量条件，大大提高测量的灵敏度。,第五节 体外样本测量仪器及辐射防护仪器,一、闪烁计数器,全自动闪烁计数器是在井型计数器基础上发展起来的新型设备； 可以实现自动测量、自

19、动换样、自动记录和分析测量数据、自动打印测量和分析结果。,第五节 体外样本测量仪器及辐射防护仪器,二、手持式射线探测器,由探头和信号处理显示器两部分组成，具有体积小、准直性能好、灵敏度高、使用方便等特点； 信号处理显示器由数字显示装置和声控信号处理系统组成； 主要用于术中前哨淋巴结的探测。,第五节 体外样本测量仪器及辐射防护仪器,三、活度计,用于测量放射性药物所含放射性活度的一种专用放射性计量仪器，最常用的是电离室型活度计； 可以直接测量盛在注射器内的放射性溶液并直读测量结果。,第五节 体外样本测量仪器及辐射防护仪器,四、液体闪烁计数器,使用液态闪烁体接受射线并转换成荧光光子的放射性计量仪。

20、可以达到4立体角的几何测量条件，减少射线的吸收； 主要用于测量射线和低能射线（如3H、14C）。,第五节 体外样本测量仪器及辐射防护仪器,五、表面污染和工作场所剂量监测仪,表面污染监测仪是用于监测放射性工作场所工作人员体表、服装、鞋等表面有无放射性沾染和沾染多少的检测； 工作场所监测仪是用于测量放射性工作场所射线的照射量； 这两类仪器的探测原理基本相同，有便携式和固定式之分。,第五节 体外样本测量仪器及辐射防护仪器,六、个人剂量监测仪,便携式剂量仪,热释光个人剂量仪,是从事放射性工作的人员必不可少的装备，用于测量个人接受外照射剂量的仪器，射线探测器部分体积较小，可佩带在身体的适当部位。 根据射线探测的原理，可分为电离室型便携式剂量仪和热释光个人剂量仪两类。,Thank You !,