1、福建医科大学 林好学 第2章 核医学仪器 临床医学八年制核医学教学课件 核医学仪器发展简史 井型晶体闪烁计数器井型晶体闪烁计数器 闪烁扫描机闪烁扫描机 1974 1979 1957 1950 1951 照相机照相机 PET SPECT 2001 PET/CT SPECT/CT 闪烁扫描机 电离作用电离作用 荧光现象荧光现象 感光作用感光作用 第一节第一节 核探测仪器的基本原理核探测仪器的基本原理 一、放射性探测的基本原理一、放射性探测的基本原理 二、放射性探测器的种类二、放射性探测器的种类 （一）闪烁型探测器（一）闪烁型探测器 3.光电倍增管光电倍增管 （photomultiplier tub
2、e，PMT） 2.光导（光导（lightguide）：）： 硅油，有机玻璃硅油，有机玻璃 1.闪烁体(scintillator)： NaI（Tl），），BGO，GSO，LSO 光电倍增管工作原理光电倍增管工作原理 （二）电离型探测器（二）电离型探测器 电离室（电离室（ionization chamber），）， 正比计数器（正比计数器（proportional counter） 盖革计数器（盖革计数器（Geiger-Muller counter） （三）半导体探测器（三）半导体探测器 碲锌镉（碲锌镉（Cadmium-Zinc-Telluride，CZT） （四）感光材料探测器（四）感光材料探测
3、器 感光材料感光材料 三、核探测器的电子学线路三、核探测器的电子学线路 （一）放大器（一）放大器 前置放大器（前置放大器（preamplifierpreamplifier） 主放大器（主放大器（main mplifiemain mplifie） 作用：对电脉冲进行放大、整形、作用：对电脉冲进行放大、整形、 倒相的电子学线路倒相的电子学线路 （二）脉冲高度分析器（二）脉冲高度分析器 （pulse height analyzer，PHA） 输出信号输出信号B 上甄别器上甄别器 下甄别器下甄别器 A C 反 符 合 线 路 反 符 合 线 路 B B 输入信号输入信号C 输入信号输入信号B,C 单道
4、脉冲高度分析器工作原理 核射线测量仪器的组成框图核射线测量仪器的组成框图 核 射 线 核 射 线 闪 烁 体 闪 烁 体 光 导 光 导 光 电 倍 增 管 光 电 倍 增 管 前 置 放 大 器 前 置 放 大 器 主 放 大 器 主 放 大 器 脉 冲 高 度 分 析 器 脉 冲 高 度 分 析 器 记 录 装 置 记 录 装 置 工作电源工作电源 核医学显像仪器与X线显像仪器的区别 第二节第二节 照相机照相机 1957年，由Hal Anger研制成功，因此，也称为Anger型照相机(- Camera) 照相机的组成：照相机的组成： 准直器（collimator） 闪烁晶体 光电倍增管（P
5、MT） 预放大器、放大器 X、Y位置电路 总和电路 脉冲高度分析器（PHA） 显示或记录器件等 一、准直器一、准直器 1. 1.空间分辨率空间分辨率 半峰值全宽度半峰值全宽度 (Full Width at Half Maximum， FWHM)，简称半，简称半 高宽。高宽。 2.2.灵敏度灵敏度 配置该准直器的配置该准直器的照照 相机探头测量单位相机探头测量单位 活度活度(如如1MBq)的放的放 射性核素的计数率射性核素的计数率 (计数计数s)。 3. 3.适用能量范围适用能量范围 孔间壁厚度与孔间壁厚度与射线射线 能量：能量： 0.3mm适用于低能适用于低能 （150kev） 1.5mm适用
6、于中能适用于中能 （150350kev） 2.0mm适用于高能适用于高能 （350keV）。）。 4.准直器的类型 五、脉冲高度分析器五、脉冲高度分析器 六、模数转换器（六、模数转换器（ADC） 四、四、X、Y位置电路位置电路 三、光电倍增管（三、光电倍增管（PMT） 二、闪烁晶体二、闪烁晶体 NaI（Tl）晶体 第三节第三节 SPECTSPECT及及SPECT/CTSPECT/CT 一、一、SPECT SPECTSPECT：Single Photon Emission Computed TomographySingle Photon Emission Computed Tomography
7、单光子发射型电子计算机断层单光子发射型电子计算机断层 照照相机与电子计算机技术相结合发展起来的一种核医学显像照照相机与电子计算机技术相结合发展起来的一种核医学显像 检查仪器，在检查仪器，在照相机平面显像的基础上，应用电子计算机技术照相机平面显像的基础上，应用电子计算机技术 增加了断层显像功能增加了断层显像功能 主要提供组织器官的功能和代谢变化信息主要提供组织器官的功能和代谢变化信息 组成：探测器（探头）、机架、检查床和图像采集处理工作站组成：探测器（探头）、机架、检查床和图像采集处理工作站 探头是探头是SPECTSPECT的核心部件，探头数通常为的核心部件，探头数通常为1313个个 （一） 单
8、探头SPECT （二） 双探头SPECT （三）三探头SPECT （四）双探头符合线路断层显像仪 二、二、SPECT/CT （一）（一）SPECT/CT SPECT和CT两种成熟技术相结合形成的一种新的核医学显像仪器 实现了SPECT功能代谢影像与CT解剖形态学影像的同机融合 一次显像检查可分别获得SPECT图像、CT图像及SPECT/CT融合图像 可以采用X线CT图像对SPECT图像进行衰减校正 （二）（二）SPECT与与CT结合的两种方式结合的两种方式 SPECT和CT位于同一机架： 在SPECT探头机架上安装一个X线球管，对侧安装探测器 SPECT与CT位于不同的机架： 在SPECT机架
9、后再并排安装一个高档螺旋CT SPECT/CT 三、三、SPECT的图像采集的图像采集 （一）采集方式（一）采集方式 静态采集与动态采集静态采集与动态采集 平面采集与断层采集平面采集与断层采集 局部采集与全身采集局部采集与全身采集 门控采集门控采集 （二）断层采集（二）断层采集 SPECTSPECT探头绕患者旋转探头绕患者旋转180180360360 每隔一定角度（每隔一定角度（3 36 6）采集）采集1 1帧图像帧图像 获得靶器官各个方向的放射性分布信息获得靶器官各个方向的放射性分布信息 经过电子计算机重建断层图像。经过电子计算机重建断层图像。 由已知不同方向的物体投影值求该物体内各点的分布
10、称为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 图像重建，也就是利用物体在多个轴向投影图像重建目标图像重建，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。图像的过程。 （一）滤波反投影法（一）滤波反投影法（filtered backprojection，FBP） 滤波滤波(Filter)，反投影，反投影(Backprojection) 。 滤波：滤波：Ramp，Hann，Hanning，Butterworth 重建方法：重建方法： 四、四、SPECT的图像重建的图像重建 反投影重建反投影重建 按照投影方向把按照投影方向把 投影数据反投向投影数据反投向 来的方向。来的方向。 滤波
11、反投影重建滤波反投影重建 用滤波函数去除反用滤波函数去除反 投影重建图像伪影。投影重建图像伪影。 （二（二）迭代重建法 给待求断层图像赋予一个初始估计值给待求断层图像赋予一个初始估计值 根据初始值计算出理论投影值根据初始值计算出理论投影值 将它和实测投影值进行比较，计算出每将它和实测投影值进行比较，计算出每 个像素的修正量，对初始图像进行修正个像素的修正量，对初始图像进行修正 然后再根据新的断层图像估计值计算理然后再根据新的断层图像估计值计算理 论投影值，与实测投影值比较，再次修正论投影值，与实测投影值比较，再次修正 断层图像估计值。断层图像估计值。 接着是第三次循环、第四次循环接着是第三次循
12、环、第四次循环。 衰减校正方法衰减校正方法 为什么要进行衰减校正？为什么要进行衰减校正？ 在探头的对侧设置放射源，利用放射源发射出的射线由患者体外穿透 人体，在SPECT探头上成像。 在同一台SPECT上同时获得透射(transmission)图像和发射(emission)图 像，从透射图像求得被显像部位的三维衰减系数分布图，对发射型断层 图像进行衰减校正。 目前，SPECT/CT可采用X线进行图像衰减校正。 显像用放射性核素显像用放射性核素射线的能量主要在射线的能量主要在80500keV之间之间 人体组织的衰减人体组织的衰减(Attenuation)对投影值有较大影响。对投影值有较大影响。
13、SPECT断层重建算法忽略了组织对断层重建算法忽略了组织对射线的衰减作用，使图射线的衰减作用，使图 像定量不准，出现伪影。像定量不准，出现伪影。 图像衰减校正图像衰减校正(Attenuation Correction，AC)是解决人体衰减的主要方法。是解决人体衰减的主要方法。 五、图像的衰减校正五、图像的衰减校正 空间分辨率 2 空间线性 4 均匀性 3 1 平面源灵敏度 3 3 六、六、SPECT的质量控制和性能评价的质量控制和性能评价 最大计数率 5 固有能量分辨率 7 其他：断层均匀性、空间分辨率、断层厚度 、断层灵敏度等 9 多窗空间位置重合性 3 6 旋转中心 3 8 显像系统的综合
14、评价 10 9 第四节第四节 PET、PET/CT及图像融合技术及图像融合技术 一、PET PET: Positron Emission computed Tomography 正电子发射型电子计算机断层 （一）PET的组成 机架（Gantry）、扫描床、电子柜、操作工作站、 分析工作站及打印设备等。 1.机架 探测器环、棒源（pin source）、射线屏蔽装置、 事件探测系统（the event detection system）、 符合线路（the coincidence circuitry）及激光定位器等组成。 主要功能为数据采集。 （1）探测器环）探测器环 若干个晶体排列而成，是决定
15、PET性能的最重要部分。 探头晶体的材料不同，接收光子并转化为可见光的性能也有差异。 晶体主要有： 锗酸铋（bismuth germinate，BGO） 硅酸钆（gadolinium orthosillicate，GSO） 硅酸镥（lutetium oxyorthosillicate，LSO） LYSO等。 临床型PET（C-PET）采用NaI（Tl）晶体，但现在已经趋于淘汰。 56 Cassettes Assembled to Form Detector Ring 碘化钠晶体探测器示意图 （2）棒源（）棒源（pin source） 将68锗（68Ge）均匀地封装在中空的小棒内；也有使用半衰期
16、较长的137Cs。 作用：对PET扫描仪进行质量控制 透射扫描进行图像衰减校正 （3）隔板（）隔板（speta） 隔板包括2部分： 一部分是探测器环两边的厚铅板，作用是屏蔽探测器外的射线； 另一部分为厚度为1mm的环状钨板，位于探测器环与环之间，将轴向视 野分隔成若干环，钨隔板的作用是屏蔽其他环视野如射的光子对，与准 直器的作用相似； 3D采集时，将钨隔板撤出显像视野，取消屏蔽作用。 目前，仅有3D采集模式的PET已经无隔板。 5.打印设备打印设备 4.操作工作站及分析工作站操作工作站及分析工作站 3.电子柜电子柜 2.扫描床扫描床 18F + （二）PET显像原理 - 双探头SPECT符合探
17、测原理示意图 2透射扫描 透射扫描是利用棒源围绕身体旋转，采集放射性源从体外透射人体后 所剩余的光子。透射扫描和空白扫描的结果相结合可以计算得到组织 的衰减系数。透射扫描的主要目的是对发射扫描进行衰减校正。 作用：对发射扫描进行衰减校正 3早期显像和延迟显像 早期显像（early imaging） 延迟显像（delayed imaging） 双时相显像（dual-time point imaging） 二、二、PET/CT PET/CT CT数据可用于数据可用于PET图像的透射衰减校正图像的透射衰减校正 显像检查时间大大减少。显像检查时间大大减少。 同时获得全身同时获得全身PET、CT及及PE
18、T/CT 图像。图像。 实现了实现了PET（功能）与（功能）与CT（形态）图（形态）图 像同机融合像同机融合 举例：卫星云图与地图举例：卫星云图与地图 （一）（一）PET/CT的结构及功能的结构及功能 由PET和多排螺旋CT组合而成 同一个机架内有PET探测器、CT探测器和X线球管 共用同一个扫描床、图像采集和图像处理工作站 可以采用X线CT图像对PET图像进行衰减校正 PET/CT是一个全新的系统 PET影像（功能） CT影像（形态） 一体化的机架系统一体化的机架系统 一体化的检查床一体化的检查床 一体化的操作工作站系统一体化的操作工作站系统 不是简单的“不是简单的“PET+CT” PET/
19、CT图 CT扫描扫描&PET扫描扫描 PET采集，发射扫描与前面所述的PET图像采集相同 采用棒源进行的透射扫描可由X线CT扫描代替 CT扫描：扫描：通常先进行通常先进行CT扫描扫描 CT扫描的目的：衰减校正、解剖定位、CT诊断 仅用于衰减校正和解剖定位，可采用低毫安/秒设置， 减少病人辐射剂量 用于CT诊断，建议采用标准毫安/秒设置，以优化CT 扫描的空间分辨率 调节球管的电流将病人受到的辐射剂量最小化。 （二）（二）PET/CT的图像采集的图像采集 三、图像融合技术三、图像融合技术 将解剖形态图像和功能代谢图像融合为一体 图像融合是将不同的医学影像或同一类型的医学影像 采用不同方法获得的图
20、像进行空间匹配或迭合 使两个或多个图像数据集融合到一幅图像上 PET/CT融合图像 PET图像 CT图像 第五节第五节 功能测定仪器功能测定仪器 甲状腺功能测定仪 甲状腺功能测定仪 肾功能测定仪 多功能测定仪 探针 肾功能测定仪 多功能测定仪 探针探针 第六节第六节 体外样本测量仪器体外样本测量仪器 第六节第六节 体外样本测量仪器体外样本测量仪器 免疫计数器 液体闪烁计数器 活度计 辐射剂量监测仪是专门用于放射性工作场所的剂量监测装 置，具有剂量率、累计剂量测量、超剂量声光报警、阈值 记忆和多点扫描数据管理等功能。 第七节第七节 辐射防护仪器辐射防护仪器 表面污染检测仪 便携式剂量仪 热释光个
21、人剂量仪 一、半导体探测器与一、半导体探测器与SPECT （一）半导体探测器（一）半导体探测器 碲锌镉（碲锌镉（CadmiumCadmium- -ZincZinc- -TellurideTelluride，CZTCZT）: :最新研制的半导体探测器最新研制的半导体探测器 探测效率高、能量分辨率好探测效率高、能量分辨率好 CZTCZT探测器可以直接将探测器可以直接将 射线转化成电信号射线转化成电信号 探测原理：探测原理： 射线和CZT晶体作用时 晶体内部产生带负电荷的电子和带正电荷的空穴对 产生的电子和空穴对的数量和入射光子的量成正比 电子和空穴向不同的电极运动形成电荷脉冲 经过前放大变成电压脉
22、冲 经过再放大，由后续电子学线路处理进行图像重建 第八节第八节 核医学仪器研究进展核医学仪器研究进展 （二）心脏专用（二）心脏专用SPECTSPECT 探头是采用半环状（探头是采用半环状（180180）排列的）排列的CZTCZT半导体探测器半导体探测器 心肌断层显像时，探头无需旋转，避免了运动伪影，提高了仪器的性能心肌断层显像时，探头无需旋转，避免了运动伪影，提高了仪器的性能 空间分辨率明显提高：空间分辨率明显提高： 固有空间分辨率由48mm提高到2.46mm； 能量分辨率由9.512提高到6.2。 心脏专用SPECT CZT半导体探测器的心脏专用SPECT/CT （三）心脏专用（三）心脏专用
23、SPECT/CTSPECT/CT 实现了实现了SPECTSPECT功能代谢影像与功能代谢影像与CTCT解剖形态学影像的同机融合解剖形态学影像的同机融合 是两种医学影像技术的有机整合是两种医学影像技术的有机整合 乳腺专用显像仪 （四）乳腺专用（四）乳腺专用 显像仪显像仪 探头是采用两个互成探头是采用两个互成180180的平板的平板CZTCZT半导体探测器构成半导体探测器构成 采用采用99m 99mTc Tc- -MIBIMIBI等为显像剂，对乳腺进行显像检查等为显像剂，对乳腺进行显像检查 1.PET探测器：探测器：NaI(Tl)，BGO ，LSO，GSO，半导体探测器等，半导体探测器等 2.飞行
24、时间技术（飞行时间技术（time of flight，TOF） 3.晶体深度效应校正技术晶体深度效应校正技术 4. CT：2排、4排、8排、16排、64排 PET/CT 二、二、PET/CT及及PET/MRI技术的进展技术的进展 PET/MRI 2. PET/MRI一体机，真正意义上的一体机，真正意义上的PET/MRI。 PET/MRI一体机的研发需要设计一种既能在磁场一体机的研发需要设计一种既能在磁场 中正常工作，又不影响中正常工作，又不影响MR成像，还要能承受射频成像，还要能承受射频 场影响的场影响的PET探测模块。探测模块。 1. PET和和MRI分开置于两边，中间共分开置于两边，中间共
25、 用一个扫描床，分别扫描用一个扫描床，分别扫描PET和和MRI 后进行图像融合后进行图像融合 PET和和MRI两种组合模式两种组合模式 PET/MRI 基于核医学临床诊断技术发展起来的基于核医学临床诊断技术发展起来的 专门用于小动物的断层显像装置专门用于小动物的断层显像装置 小动物小动物PETPET（MicroMicro- -PETPET） 小动物小动物SPECTSPECT（MicroMicro- -SPECTSPECT） 双功能显像仪器：双功能显像仪器： MicroMicro- -PET/CTPET/CT、MicroMicro- -SPECT/CTSPECT/CT 三功能显像仪器：三功能显像仪器： MicroMicro- -PET/SPECT/CTPET/SPECT/CT 三、小动物核医学显像仪三、小动物核医学显像仪 micro-PET micro-PET/CT micro-SPECT/CT micro-PET/SPECT/CT 1：放射性探测的基本原理：放射性探测的基本原理 2：光电倍增管的工作原理：光电倍增管的工作原理 3：核射线探测仪器的工作原理：核射线探测仪器的工作原理 4：什么是：什么是SPECT及及SPECT/CT? 5: 什么是什么是PET及及PET/CT? 6: CZT半导体探测器与核医学仪器的半导体探测器与核医学仪器的 进展进展 思考题思考题
