核技术与医学影像学的关系-PETCT的应用和质量控制课件.ppt

1、l 物理与医学的关系物理与医学的关系l 核技术在医学影像学的应用核技术在医学影像学的应用l 医学影像学的发展医学影像学的发展l PET/CT与分子影像学与分子影像学 l PET/CT质量控制和辐射安全质量控制和辐射安全l 现代医学是多学科结合的产物现代医学是多学科结合的产物(包刮物理学包刮物理学)l 物理学物理学(核物理学核物理学)是放射学的基石和基础是放射学的基石和基础l 医学与物理的结合形成了医学物理学医学与物理的结合形成了医学物理学l 医学影像学的奠基人大多是伟大的物理学家医学影像学的奠基人大多是伟大的物理学家l 医学离不开物理医学离不开物理,医院需要物理学家的融入医院需要物理学家的融入

2、l 诊断放射学诊断放射学 影像学影像学(Diagnostic Radiology)l 放射肿瘤学放射肿瘤学(Radiation Oncology)l 核医学核医学(Nuclear Medicine)l 放射防护学放射防护学(Radiation Protection)l 辐射安全辐射安全(Radiation Safety)l 放射生物学放射生物学(Radiation Biology)l 放射物理放射物理(放射治疗放射治疗)Radiation Physicsl 核医学物理核医学物理(核医学核医学)Nuclear medicine Physicsl 影像物理影像物理(放射诊断学放射诊断学)Imagi

3、ng Physicsl 放射防护放射防护(保健物理保健物理)Radiation Protection Health Physicsl 生物医学工程生物医学工程 Bio-Engineering (人工脏器人工脏器 生物材料生物材料)X-线的发现伦琴（伦琴（W K RONTGEN，1845-1923）世界上第一张世界上第一张X射线照射线照片，片，1895年年12月月22日日伦琴夫人伦琴夫人 安娜安娜l 伦琴在放射学界享有盛名伦琴在放射学界享有盛名l 发现发现X线线 奠定了放射学奠定了放射学,放射肿瘤学的基础放射肿瘤学的基础l“伦琴伦琴”长期被作为辐射剂量的实用单位长期被作为辐射剂量的实用单位l 第

4、一个发现放射性第一个发现放射性,奠定了核医学的基础奠定了核医学的基础l“贝可贝可”是放射性的国际单位是放射性的国际单位(衰变衰变/秒秒)l 第一次用乳胶照相第一次用乳胶照相,现仍用于医学研究现仍用于医学研究l 发现放射性铀和钋发现放射性铀和钋,奠定了核医学的基础奠定了核医学的基础l“居里居里”作为放射性的实用单位在医学中长期使作为放射性的实用单位在医学中长期使用用l 从铀中提取的镭曾用于妇科宫颈癌治疗从铀中提取的镭曾用于妇科宫颈癌治疗l 一战期间一战期间 亲自制备亲自制备 X光机为战士服务光机为战士服务l 质能转换公式质能转换公式 E=mc2 PET 成像原理的基础成像原理的基础 l 光电效应

5、光电效应 射线与物质相互作用的三大效应之一射线与物质相互作用的三大效应之一l 将闪烁探测技术用于放射学将闪烁探测技术用于放射学l 第一次将图像重建技术用于放射学第一次将图像重建技术用于放射学l 发明了发明了CT 断层扫描仪断层扫描仪l 奠定了现代影像学的基础奠定了现代影像学的基础l 医学影像学的奠基人是伟大的核物理学家医学影像学的奠基人是伟大的核物理学家l 核物理是核医学教育和人才培养的必修课核物理是核医学教育和人才培养的必修课l 放射性核素和射线是医学影像成像的源泉放射性核素和射线是医学影像成像的源泉l 闪烁探测技术是影像设备的核心闪烁探测技术是影像设备的核心l 闪烁晶体的应用和发展推动了闪

6、烁晶体的应用和发展推动了PET的发展的发展l 单道单道,多道分析器是核素显像设备的重要组成部分多道分析器是核素显像设备的重要组成部分l 核物理知识可以解释影像的质量和伪影核物理知识可以解释影像的质量和伪影l X-射线射线:X射线射线-球管产生球管产生 X射线射线-照相照相,CT成像成像l 单光子放射性核素单光子放射性核素(射线射线)反应堆生产反应堆生产 衰变衰变:N P+-照相机和照相机和SPECTl 正电子放射性核素正电子放射性核素(511 KeV 射线射线)加速器生产加速器生产 +衰变衰变:P N+N+2x511KeV2x511KeV光子光子,PET和和PET/CTl 闪烁扫描仪闪烁扫描仪

7、 B.Cassen 1951l-照相机照相机 H.O.Anger 1957l SPECT Kuhl(1963),Jaszczak(1977)l PET M.M.Ter-Pogosium 1975l SPECT/PET G.Muehllehner 1995l PET/CT D.W.Townsend 1995,2001l 碘化钠晶体碘化钠晶体(NaI)l 锗酸铋晶体锗酸铋晶体(bismuth germinate,BGO)l 硅酸镥硅酸镥(lutetium oxyorthosillicate,LSO)l 硅酸钇硅酸钇(yttrium oxyorthosillicate,YSO)l 硅酸镥硅酸镥(钇钇

8、)(LYSO)l 硅酸钆硅酸钆(gadolinium orthosillicate,GSO)l 半导体半导体,锑锌镉锑锌镉(cadmium zinc telluride,CZT)l 三明治晶体三明治晶体(sandwich YSO/LSO,12cm)常规影像学常规影像学 模拟图像模拟图像 (1895)(Conventional Imaging)现代影像学现代影像学 数字断层图像数字断层图像 (1972)(Modern Medical Imaging)分子影像学分子影像学 解剖功能融合图像解剖功能融合图像 (Molecular Imaging)(2001)1895年年 伦琴发现伦琴发现X线线 开创

9、了用射线观察人体和疾病的新纪元开创了用射线观察人体和疾病的新纪元 奠定了放射学的基础奠定了放射学的基础 常规放射影像学价廉，剂量低，分辨好常规放射影像学价廉，剂量低，分辨好l 1896年年,H.Becquerel发现放射性发现放射性 1898年年,居里夫人发现新元素钋居里夫人发现新元素钋 1924年年,G.Hevesy发明放射性示踪技术发明放射性示踪技术 开创了用放射示踪技术研究人体功能的新开创了用放射示踪技术研究人体功能的新时代时代 常规核术显像价廉，图像质量好，剂量低常规核术显像价廉，图像质量好，剂量低 核医学概况核医学概况l 定义定义:用射线和放射性药物诊断和治疗疾病用射线和放射性药物诊

10、断和治疗疾病l 内容内容:显像，治疗，放免测定，功能测定显像，治疗，放免测定，功能测定l 全国：全国：1,000多家，多家，6000多人，多人，600 ECT，200 PET和和PET/CT,100 加速器加速器l 北京：北京：48家家,400 多人多人,60 ECT，20 PET/CT l 闪烁扫描仪闪烁扫描仪 B.Cassen 1951l-照相机照相机 H.O.Anger 1957l SPECT Kuhl(1963),Jaszczak(1977)l PET M.M.Ter-Pogosium 1975l SPECT/PET G.Muehllehner 1995l PET/CT D.W.Tow

11、nsend 1995,2001SPECT(珈玛珈玛)照相机照相机 双探头双探头SPECTPET/CT发射计算断层（发射计算断层（ECT）分类）分类 单光子发射计算断层单光子发射计算断层 正电子发射断层正电子发射断层单光子发射计算断层单光子发射计算断层Single Photon Emission Computed TomographySPECT的分类的分类l 单探头单探头SPECTl 双探头双探头SPECTl 双探头符合线路双探头符合线路SPECT/PETl 图像融合图像融合SPECT/CT l 材料：材料：NaI(Tl),3/8英寸或英寸或1英寸英寸(SPECT/PET)l 作用：波长转换剂作

12、用：波长转换剂,将光子转换为可见光将光子转换为可见光l 影响：均匀性、空间分辨、能量分辨影响：均匀性、空间分辨、能量分辨l 注意：防潮、保温、加盖准直器注意：防潮、保温、加盖准直器l 损坏：颜色变黄、透明度差、损坏：颜色变黄、透明度差、将可见光转换为电信号将可见光转换为电信号 圆形圆形PMT 方形方形PMT 六角形六角形PMT 位置灵敏型位置灵敏型PMT 阴极、阴极、打拿极打拿极(倍增极倍增极)、阳极、阳极双探头符合成像双探头符合成像 SPECT/PET 项目项目 成像源成像源 成像参数成像参数 性质性质X线线CT X线线 CT值值 解剖解剖B超超 超声波超声波 超声波反射超声波反射 解剖解剖

13、MRI RF T1、T2、化学位移、化学位移 解剖、功能解剖、功能SPECT -线线 放射性浓度放射性浓度 功能功能PET -线线 放射性浓度放射性浓度 代谢功能代谢功能PET/CT ,x-线线 放射性浓度放射性浓度 功能和解剖功能和解剖l CT是是X射线透射成像射线透射成像,又称又称 TCT X射线与射线与线的异同线的异同 CT的本质仍是测物质的衰减系数的本质仍是测物质的衰减系数 X射线产生射线硬化效应射线产生射线硬化效应 (Beam Hardening)单层单层CT,螺旋容积动态螺旋容积动态CT,能谱能谱CT?分子影像学分子影像学CT?l 定义：定义：CT值是物质衰减系数的另一种表示方法值

14、是物质衰减系数的另一种表示方法l 公式：公式：airwaterwatermatCT1000)(物值 mat、water、air 分别为物体分别为物体、水、空气的线性衰水、空气的线性衰减系数减系数l 影响影响CT值的因素：有效原子序数、机型、能量、值的因素：有效原子序数、机型、能量、脏器大小、厚度、解剖结构脏器大小、厚度、解剖结构 等等 X射线与射线源的异同特点 X射线 射线本质本质 光子流光子流 光子流光子流能谱能谱 多能谱多能谱 单能谱单能谱能量能量 0-140kVp(75 keV)50-511 keV光子通量光子通量 高高 低低射线硬化射线硬化 有有 无无防护防护 容易容易 难难 射线硬化

15、效应（射线硬化效应（Beam Hardening)Beam Hardening)n定义：定义：X射线穿透物质后改变能谱成分，射线穿透物质后改变能谱成分，高能成分增加，低能成分减少，高能成分增加，低能成分减少，射线平均能量增加。射线平均能量增加。n影响：产生硬化后的射线透过物质时，透影响：产生硬化后的射线透过物质时，透 过多，衰减少，物质的过多，衰减少，物质的CT值减少，值减少，表现为低密度。表现为低密度。射线硬化产生伪影射线硬化产生伪影 物体E50keV80keVAverageAverageNCT的层与环的层与环“层层”与与”环环”“”“为为”螺旋螺旋CT的参数的参数 “层层”指断层数指断层数

16、,由软件决定由软件决定 “环环”指探头的排数指探头的排数,由硬件决定由硬件决定 64环最多环最多64层层,也可以是也可以是32层或层或16层层 PET的层数的层数=(环数环数x2)-1,如如32环环,63层层 Magnetic Resonance Imaging MRI MRI原称原称NMR MRI发生在原子核范围内发生在原子核范围内 MRI是是同位素的应用同位素的应用 T1、T2 与半衰期与半衰期 T1/2类同类同 MR信号产生涉及能级跃迁信号产生涉及能级跃迁活体状态下活体状态下细胞分子水平细胞分子水平应用影像学技术应用影像学技术定性定量研究生物过程定性定量研究生物过程l 成像元素是一种或一

17、类分子成像元素是一种或一类分子l 分子影像实现了微观与宏观的相互转化分子影像实现了微观与宏观的相互转化l 用现代影像技术观察活体生物代谢过程用现代影像技术观察活体生物代谢过程l 分子影像不是看分子分子影像不是看分子,也看不到分子也看不到分子l 分子探针是分子影像的关键技术分子探针是分子影像的关键技术l 分子探针三要素分子探针三要素:生物适应性生物适应性,靶向性靶向性,放大性放大性Glucose FDG glucose 2-deoxy-2fluoro-glucoseOxygenCarbonFluorinel SPECT,SPECT/CTl PET,PET/CT,PET/MR l MRI,MRSl

18、 OCT(光学相干断层光学相干断层 )l CT?l 超声超声?PET成像原理和应用成像原理和应用正电子发射断层正电子发射断层Positron Emission Tomography1995年年 Townsend研制研制 PET/CT2000年年 PET/CT在在RSNA问世问世2001年年 PET/CT用于临床用于临床2002年年 中国中国PET/CT用于临床用于临床2012年年 美国有美国有PET,PET/CT 3000多台多台2012年年 日本日本 有有PET,PET/CT 近近500台台l2012年年 中国有中国有PET/CT 200 台台 上海复旦大学华山医院上海复旦大学华山医院PET

19、/CT 中心中心What is PET?Isotope productionCYCLOTRONSTracer production CHEMISTRY SYSTEMSImaging SCANNERPositron Emitting IsotopesIsotopeHalf-LifeProductionCarbon-1120.5 min14N(p,a a)11CNitrogen-1310.0 min16O(p,a)a)13NOxygen-15 2.1 min14N(d,n)15OFluorine-18110 min18O(p,n)18F(F-)20Ne(d,a a)18F(F2)Gallium-6

20、868 minDaughter of Ge-68(271days)Rubidium-82 1.27 minDaughter of Sr-82(25days)Small elements(C,N,O,F)allow“real”biochemistry Short half-lives make tracer production an integral part of PET 1934年狄拉克年狄拉克,安德森发现正电子安德森发现正电子 正电子带一个正电荷正电子带一个正电荷 正电子有一定的能量和射程正电子有一定的能量和射程 正电子只能瞬间存在正电子只能瞬间存在(10-9 S)正电子由正电子由+衰变

21、产生衰变产生 正电子与电子结合产生湮灭辐射正电子与电子结合产生湮灭辐射Positron travels 1-3mm(depending on energy)before annihilation.Annihilation process conserves:-Energy(photons are 511KeV).-Momentum(photons are almost exactly colinear).Simultaneous detection of two 511KeV photons-event along line between detectors.n nb b+b b 1-3mm

22、511KeV511KeVCoincidence Detection(符合符合)Events occurring between detectors contribute coincidence counts.Recorded counts are proportional to line integral of activity between the detectors.DET 1DET 2Pulse ProcessingANDPulse ProcessingRPMTPMTCOINCIDENCE PROCESSINGDETECTOR RING ProcessingElectronics Pr

23、ocessingElectronicsCoincidenceProcessorData Sorting,HistogramImage ReconComputerImagesl 精确的解剖定位精确的解剖定位l 全身解剖代射断层影像全身解剖代射断层影像l 鉴别肿瘤良恶性鉴别肿瘤良恶性l 监测肿瘤治疗疗效监测肿瘤治疗疗效l 帮助制定放疗计划帮助制定放疗计划PET/CT与放疗与放疗pre-treatmentpost-treatmentTreatment planRT planning and responseCase:Female with bronchial CA for RTP.Scan prot

24、ocol:Standard whole-body PET/CT scan pre-and post-therapy.Pre-and post-therapy PET/CT can be registered using manual syngo-fusion tool.Findings:Evaluate extent of disease prior to RT.RT planning based CT or PET/CT.Evaluate RT response.Data Courtesy of University Essen(Dr s S Marnitz and S Mueller)正电

25、子真实的湮没位置正电子真实的湮没位置ToF PET:降低噪声降低噪声,提高灵敏度提高灵敏度S=t*v(c)DOI information improves spatial resolution at periphery.1.7mm 68Ge-68Ga sources separated at 6mm each http:/www.pet-Liver Metastasis Max:14.6mm,Min:4mmPET/MR CasePET/CT PET/MR核医学设备的质量控制核医学设备的质量控制与质量保证与质量保证什么是什么是 质量保证质量保证(QA)?l 质量质量(Q-Quality):本性本

26、性,特性特性l 保证保证(A-Assurance):保障保障,承诺承诺,安全安全l 质量保证质量保证(QA):尽一切努力尽一切努力,保证质量保证质量 消除错误和伪影消除错误和伪影 不是单一环节不是单一环节什么是质量控制什么是质量控制(QC)?l 质量控制质量控制:Quality Control(QC)l 一特殊过程或程序一特殊过程或程序l QA的的 一部分一部分l 保证特殊过程的质量保证特殊过程的质量医疗卫生质量保证医疗卫生质量保证u QA in health care l 高超的技术和先进设备高超的技术和先进设备l 准确的诊断和合理的治疗准确的诊断和合理的治疗l 和谐的关系和优良的服务和谐的

27、关系和优良的服务核医学的质控组织和标准核医学的质控组织和标准l National Electrical Manufacturers Association NEMA (NU-2 1994,2001,2007)l International Electro-technical Commission(IEC)l International Atomic Energy Agency(IAEA)l Hospital Physics Association(HPA)l AMPA American Medical Physics Association PET/CT 质控质控u Routing Quali

28、ty Controlu Acceptance Testu Image Quality验收测试验收测试u 人员人员:工厂工厂 医院医院 资质机构资质机构 专家专家u 18F 放射源和摸型放射源和摸型u NEMA 2001 QA software 检测项目检测项目(NEMA 2001)l Special Resolutionl Sensitivityl Scatter Fractionl Count Rate performancel Accuracy of Corrections l Image Quality Radiation Safety and Protection of PET/CT5

29、11KeV 光子的物理特性光子的物理特性l 穿透能力强穿透能力强:为为99mTc的的3.65倍倍,131I的的1.6倍倍l 衰减系数：衰减系数：=0.096cm-1 (水水)99mTc为为0.14cm-1l 半吸收厚度：半吸收厚度：511KeV：7.14cm(水水),4.1 mm(铅铅)140KeV：5.0 cm(水水),0.17mm(铅铅)l 康普顿散射：康普顿散射：511KeV：170341KeV 60%140KeV：130KeV 80%什么是放射性什么是放射性?放射性放射性/放射线放射线 看不见看不见 摸不着摸不着 闻不到闻不到 放射线放射线/放射性放射性是是 物质存在的一种形式物质存在

30、的一种形式 质量和能量的相互转化质量和能量的相互转化放射性有哪些特征放射性有哪些特征 放射性标记放射性标记 皮肤发红皮肤发红 胶片感光胶片感光 探测器计数探测器计数放射线有哪几种放射线有哪几种 a a 射线射线 (氦原子核氦原子核)b b射线射线 (高速电子流高速电子流)射线射线 (光子流光子流,同位素产生同位素产生)射线射线 (光子流光子流,机器产生机器产生)半衰期半衰期 放射性同位素的特征量放射性同位素的特征量 放射性同位素衰变一半的时间放射性同位素衰变一半的时间 不同的同位素有不同的半衰期不同的同位素有不同的半衰期 半衰期的符号半衰期的符号 T1/2 放射性永远不会衰变完放射性永远不会衰

31、变完 5个个T1/2 后剩后剩 3/100 10个个T1/2后剩后剩 1/1000放射性的能量放射性的能量 放射性的穿透能力放射性的穿透能力 单位为电子伏特单位为电子伏特(ev)1 Kev=1000 ev 1 Mev=1000Kev=1x106 ev半吸收厚度半吸收厚度 防护材料厚度的量防护材料厚度的量 阻挡射线一半所需的厚度阻挡射线一半所需的厚度 符号为符号为 d ,单位单位 mm,cm 射线永远不能阻挡完射线永远不能阻挡完 5个个d 阻挡阻挡 1/100 10个个d 阻挡阻挡 1/1000放射性的活度放射性的活度 描述放射性多少的量描述放射性多少的量 单位为居里单位为居里(Ci)=3.7x

32、1010 衰变衰变/秒秒 1 居里居里=1000毫居里毫居里 1毫居里毫居里=1000微居里微居里 贝可贝可(Bq)=1次衰变次衰变/秒秒 1 KBq=1000Bq 1 MBq=1000 K Bq最大允许剂量最大允许剂量 不同类型人员剂量限量不同不同类型人员剂量限量不同 (GB 18871-2002)放射工作人员放射工作人员:20 mSv/年年 最高最高 50 mSv/年年 公众公众 :1 mSv/年年,最高最高 5 mSv/年年 病人病人:PET(5mSv),CT(540MSv)我院我院哪些设备有放射线哪些设备有放射线?直线加速器直线加速器,刀刀,模一定位机模一定位机 -线机线机,DSA,C

33、T,CR,DR 核医学科核医学科,PET/CT,ECTl 包括所有的临床过程包括所有的临床过程l 仪器质控仪器质控l 药物质控药物质控l 放射防护与安全放射防护与安全l 病人的管理病人的管理l 物理与医学是紧密相联的物理与医学是紧密相联的,医学需要物理学家的支持与参予医学需要物理学家的支持与参予 l 全面了解医学物理学的内涵可以开扩我们的眼界全面了解医学物理学的内涵可以开扩我们的眼界,丰富我们的知识丰富我们的知识,促进对外交流促进对外交流l 核技术是影像学建立和发展的基石核技术是影像学建立和发展的基石,PET/CT 的发展依赖于核探测技术进步的发展依赖于核探测技术进步l PET/CT 是分子影像学的重要组成部分是分子影像学的重要组成部分,新的学科新的学科转换医学转换医学(Translational Medicine)又向我们走来又向我们走来