核医学成像的物理基础及其设备.pptx

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1、 Nuclear Medical Instrument伽 伽 玛 玛 照相机 照相机人体骨骼的全身 第八章 核医学成像主要内容n n 概述 概述n n 核医学成像的物理基础 核医学成像的物理基础n n 核医学成像设备 核医学成像设备n n 照相机 照相机n n 单光子发射型计算机体层设备 单光子发射型计算机体层设备SPECT SPECT n n 正电子发射型计算机体层设备 正电子发射型计算机体层设备PET PET 一、概述n n 核医学成像的过程：核医学成像的过程：n n 将放射线药物引入人体形成发射源。将放射线药物引入人体形成发射源。n n 用 用 射线检测装置可以从体外检测体内放射性核素在

2、 射线检测装置可以从体外检测体内放射性核素在衰变过程中放出的 衰变过程中放出的 射线。射线。n n 核医学成像的基本条件：核医学成像的基本条件：n n 放射性药物标记化和物 放射性药物标记化和物n n 核医学成像设备。核医学成像设备。n n 核医学成像的特点：核医学成像的特点：n n 以脏器内外或脏器内各局部之间的放射性核数浓度差 以脏器内外或脏器内各局部之间的放射性核数浓度差异为基础，显示静态或动态图像。异为基础，显示静态或动态图像。n n 多种动态成像方式。多种动态成像方式。n n 放射性核素具有向脏器或病变组织的特异性聚集。放射性核素具有向脏器或病变组织的特异性聚集。总之，既可以进行解剖

3、成像，又可以提供有关脏器与病 总之，既可以进行解剖成像，又可以提供有关脏器与病变的功能和分子水平的信息。变的功能和分子水平的信息。核医学显像的技术特点核医学显像的技术特点放射核素 放射核素引入人体 引入人体 参与人体 参与人体 新陈代谢 新陈代谢 特定脏器 特定脏器 组织中聚集 组织中聚集 放射性活度 放射性活度分布的外部测量 分布的外部测量 以图像形式显示 以图像形式显示 功能性显像 功能性显像半衰期短 半衰期短 核素数量少 核素数量少 灵敏度高 灵敏度高n n 1:1:同位素 同位素 指具有相同质子数 指具有相同质子数 原子序数 原子序数 但具有不同中子数的 但具有不同中子数的核数。一般分

4、为两种，一是同位素性质比较稳定没有放 核数。一般分为两种，一是同位素性质比较稳定没有放射性，一是具有放射性。射性，一是具有放射性。n n 2:2:衰变 衰变 指核素自发的发生结构和能量状态的改变，放射出 指核素自发的发生结构和能量状态的改变，放射出、射线并转变成另一种核素的过程。射线并转变成另一种核素的过程。二二.核成像的物理基础核成像的物理基础射线的产生：射线的产生：原子核衰变产生 原子核衰变产生 射线 射线例如：例如：衰变 衰变 衰变、衰变、衰变、核裂变过程中伴随 衰变、核裂变过程中伴随 射线的产生 射线的产生=+射线 射线7 71.1.放射性核素成像的物理基础放射性核素成像的物理基础核衰

5、变n n 核衰变主要由以下几种 核衰变主要由以下几种n n 衰变 衰变 反响式：反响式：射线由 射线由 粒子构成 粒子构成,粒子实际上是氦原子核 粒子实际上是氦原子核Y Y为子核 为子核,Q,Q表示衰变时从核内放出的能量 表示衰变时从核内放出的能量-衰变能 衰变能n n 衰变 衰变 反响式：反响式：粒子实际上是电子，这种衰变是由于放射性核素中有一个中子 粒子实际上是电子，这种衰变是由于放射性核素中有一个中子变为质子的结果：变为质子的结果：中子 中子质子 质子 中微子 中微子能量 能量 核衰变n n 衰变 衰变 当原子核中有一个质子转变为中子时，放射出一个正 当原子核中有一个质子转变为中子时，放

6、射出一个正电子 电子 反响式：反响式：n n 衰变 衰变 原子核由高能态向低能态跃迁时，释放出 原子核由高能态向低能态跃迁时，释放出 光子的现象。光子的现象。射线的波长和能量根据放射性元素的种类而定。射线的波长和能量根据放射性元素的种类而定。n n 性质：性质：同 同X X Ray Ray一致，但是二者的来源不一样，一致，但是二者的来源不一样，X X线是原子核外发射 线是原子核外发射出来的射线，而 出来的射线，而 射线是原子核内发射出来的射线。射线是原子核内发射出来的射线。医学放射性核素的来源医学放射性核素的来源 1.1.反响堆生产放射性核素 反响堆生产放射性核素 化学处理后生产出 化学处理后

7、生产出医用放射性核素 医用放射性核素以 以235 235U U和 和239 239Pu Pu为核 为核燃料的反响堆 燃料的反响堆 n,f n,f 裂变反响 裂变反响 裂变过程中产 裂变过程中产生的中子 生的中子 n n 来 来轰击靶物 轰击靶物 n,n,、n,p n,p、n,n,、n,2n n,2n 等 等核反响 核反响 丰中子核素 丰中子核素第二节 第二节 原子核的放射性 原子核的放射性2.2.盘旋加速器生产医用放射性核素 盘旋加速器生产医用放射性核素短和超短寿命贫中子核素 短和超短寿命贫中子核素盘旋加速器加速 盘旋加速器加速 带电粒子 带电粒子p p、d d、3 3 He He轰击靶物质

8、轰击靶物质 产生核素 产生核素化学别离 化学别离高纯度的放射性核素 高纯度的放射性核素 衰变电子俘获 衰变电子俘获 照相机、照相机、SPECT SPECT和 和PET PET显像 显像医学放射性核素的来源医学放射性核素的来源 3.3.放射性核素发生器生产医用放射性核素 放射性核素发生器生产医用放射性核素 以长半衰期母体核素和短半衰期子体 以长半衰期母体核素和短半衰期子体核素的 核素的“衰变 衰变 生长关系为基本原 生长关系为基本原理 理“母牛装 母牛装置 置最常用 最常用99 99M MO O 99m 99mTc Tc发生器 发生器医学放射性核素的来源医学放射性核素的来源 n n 1957 1

9、957年 年Anger Anger研制出第一台 研制出第一台 照相机，称 照相机，称之为 之为 Anger Anger照相机，照相机，1963 1963年在日内瓦原 年在日内瓦原子能和平会议上展出。它克服了逐点扫 子能和平会议上展出。它克服了逐点扫描打印的缺乏，使核医学显像走向现代 描打印的缺乏，使核医学显像走向现代化阶段 化阶段结构与原理 结构与原理 组成：组成：探头 探头,机架 机架,电子学线路 电子学线路,计算机 计算机,显示系统装置 显示系统装置 原理：探测到 原理：探测到 光子经电子学线路分析形成脉冲信号，经计算机采集 光子经电子学线路分析形成脉冲信号，经计算机采集,处理 处理,最后

10、以不同灰度或色阶显示二维脏器显影或放射性分布 最后以不同灰度或色阶显示二维脏器显影或放射性分布 第三节第三节一、相机核医学成像设备核医学成像设备 一结构与原理 一结构与原理 组成：组成：在高性能 在高性能 相机 相机上增加了支架旋转的机械局部、断层床、上增加了支架旋转的机械局部、断层床、图像重建软件 图像重建软件 二、SPECTn nDavid Kuhl David Kuhl1959 1959年用 年用双探头的扫描机进行 双探头的扫描机进行断层扫描，并进一步 断层扫描，并进一步研制和完善断层显像 研制和完善断层显像仪器，使得 仪器，使得SPECT SPECT和 和PET PET成为核医学显像的

11、 成为核医学显像的主要方法 主要方法单光子计算机发射断层显像仪 单光子计算机发射断层显像仪single photon emission puted tomography single photon emission puted tomography原理：原理：探头围绕受检对象或部位呈 探头围绕受检对象或部位呈180 180 和 和/或 或360 360 旋转，旋转，从 从多角度、多方位采集一系列平面投影像，经计算 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 机图像处理系统重建获 建获 得横断层面、冠状面和 得横断层面、冠状面和 矢状面影像。矢状面影像。目前已开展到双探头、三探

12、头，且增加了新的功能。目前已开展到双探头、三探头，且增加了新的功能。n n 二应用 二应用 n n 各种脏器动静态断层显像及全身显像 各种脏器动静态断层显像及全身显像n n 为核医学最广泛应用的显像仪器，三级甲等医院必备仪 为核医学最广泛应用的显像仪器，三级甲等医院必备仪器。器。三、三、PETPET 发射 发射+正电子放射性核素在体内经 正电子放射性核素在体内经湮灭辐射产生两个能量相 湮灭辐射产生两个能量相同、方向相反的 同、方向相反的511keV 511keV 光子同时入射至互成 光子同时入射至互成180 180 环绕人体的多 环绕人体的多个探测器而被接收，把这些 个探测器而被接收，把这些

13、光子对按不同的角度分组，可获得放 光子对按不同的角度分组，可获得放射性核素分布在各个角度的投影。常用发射正电子核素主要有：射性核素分布在各个角度的投影。常用发射正电子核素主要有：18 18F F、碳、碳 11 11C C、氧、氧 15 15O O、氮、氮 13 13N N、嗅、嗅 76 76Br Br等。等。511 KeV 511 KeV Gamma Gamma Ray Ray511 KeV 511 KeV Gamma Gamma Ray Ray+-D DD D一结构与原理 一结构与原理 PET PET主要由探测系统包括晶体、电子准直、符合线路和 主要由探测系统包括晶体、电子准直、符合线路和飞

14、行 飞行 技术，计算机数据处理系统，图像显示和断层床等组成。技术，计算机数据处理系统，图像显示和断层床等组成。正电子发射计算机断层显像仪，正电子发射计算机断层显像仪，positron emission tomography positron emission tomography二应用 二应用 动静态断层显像、定量分析，是肿瘤、神经和 动静态断层显像、定量分析，是肿瘤、神经和心血管疾病诊断与临床医学研究应用的重要设备。心血管疾病诊断与临床医学研究应用的重要设备。目前最先进的 目前最先进的PET PET是探头多环型、模块和 是探头多环型、模块和3D 3D结构。结构。探头晶体除外经典锗酸铋 探头晶

15、体除外经典锗酸铋BGO BGO，已推出硅酸镥，已推出硅酸镥LSO LSO 硅酸钆 硅酸钆GSO GSO和混合型晶体，如 和混合型晶体，如LYSO LYSO。近年来，近年来，PET PET与 与CT CT合二为一的显像设备问世，称之 合二为一的显像设备问世，称之PET/CT PET/CT符合线路符合线路PETPET方法方法放射源技术铯 放射源技术铯 137 137Cs Cs、钡、钡 133 133Ba Ba X-CT X-CT 技术 技术 X-CT X-CT 技术可进行同机解剖结构与功能代谢图像融合，技术可进行同机解剖结构与功能代谢图像融合，fusion imaging fusion imagi

16、ng对病灶可做出精确定位诊断。对病灶可做出精确定位诊断。图像融合 是指不同图像 是指不同图像 SPECT,PET,CT,MRI SPECT,PET,CT,MRI 之间的 之间的空间配准或结合。利用各种成像方式的特点，为不同的影像提 空间配准或结合。利用各种成像方式的特点，为不同的影像提供互补信息，增加图像质量，以期对临床诊断和治疗的定位、供互补信息，增加图像质量，以期对临床诊断和治疗的定位、观察提供有效的方法。观察提供有效的方法。一、一、照相机原理照相机原理 照相机构造原理 照相机构造原理1.1.探头 探头 射线源 射线源探头 探头位置信号 位置信号能量信号 能量信号照相示波器 照相示波器准直

17、器 准直器电阻矩阵 电阻矩阵光电倍增管 光电倍增管闪烁体 闪烁体XY XYZ Z 射线 射线Z Z 信号 信号位置 位置 信号 信号“复眼 复眼n n闪烁体 闪烁体n n光电倍增管 光电倍增管n n电阻矩阵 电阻矩阵激发荧光 激发荧光荧光 荧光n n准直器 准直器排除干扰成像的 排除干扰成像的 射线 射线铅制 铅制NaI NaI Tl Tl 晶体 晶体电脉冲 电脉冲 增强 增强六角形排列 六角形排列 每个并接四个电阻 每个并接四个电阻输出 输出X X-、X X+、Y Y-、Y Y+四组电流 四组电流1.1.探头 探头一、一、照相机原理照相机原理 第二节 第二节 原子核的放射性 原子核的放射性一

18、、一、照相机原理照相机原理 1.1.探头 探头 相机结构 相机结构n n 相机准直器 相机准直器Collimator Collimator n n 闪烁探测器 闪烁探测器NaI NaI晶体 晶体n n 光电倍增管 光电倍增管 PMT PMT n n 位置电路 位置电路n n 数据分析计算机 数据分析计算机NaI NaI 晶体 晶体 光电倍增管 光电倍增管准直器孔 准直器孔探头周围铅屏蔽 探头周围铅屏蔽 准直器固 准直器固定结构 定结构 相机的工作示意图 相机的工作示意图预放器阵列 预放器阵列位置变换电路 位置变换电路X+X+X-X-Y+Y+Y-Y-A/D A/D A/D A/D行地址 行地址列

19、地址 列地址计数式 计数式图像帧存 图像帧存能量窗口 能量窗口E E读写控制 读写控制处理和显示 处理和显示 照相机 照相机相机准直器相机准直器n n准直器准直器n n 由铅或铅钨合金从中央打孔或者是四周合拢形成的装置，放于病 由铅或铅钨合金从中央打孔或者是四周合拢形成的装置，放于病人与晶体之间。人与晶体之间。n n 保证 保证 照相机的分辨率和定位的准确 照相机的分辨率和定位的准确 准直器 准直器 collimator collimator 仅局限于某一空间单元的射线能进入闪烁计数器，其他区域 仅局限于某一空间单元的射线能进入闪烁计数器，其他区域射线不得进入，排除干扰成像的射线 射线不得进入

20、，排除干扰成像的射线,建立放射性核素与图像的空 建立放射性核素与图像的空间对应关系。间对应关系。准直器的作用 准直器的作用 视野 视野 FOV FOV 射线在准直器的作用下直接射入晶体的区域 射线在准直器的作用下直接射入晶体的区域视野以外射线不能到达的区域 视野以外射线不能到达的区域 屏蔽区 屏蔽区准直器的作用准直器的作用 准直器 准直器n n 作用：滤除非规定范围和非规定方向的 作用：滤除非规定范围和非规定方向的 射线。射线。n n 准直器类型：准直器类型：1 1、针孔形、针孔形 2 2、平行孔形、平行孔形 3 3、扩散型、扩散型 4 4、会聚型、会聚型 晶体 晶体 NaI NaI Tl T

21、l掺铊碘化钠。掺铊碘化钠。作用是把经准直器进入的射线能量转换成荧光光子。作用是把经准直器进入的射线能量转换成荧光光子。Tl Tl元素在这里仍作激活剂用，减少信号失真，增加探测效率。元素在这里仍作激活剂用，减少信号失真，增加探测效率。闪烁晶体闪烁晶体 n n由于光电效应和与晶体内碘化物的离子的康普顿散射，由于光电效应和与晶体内碘化物的离子的康普顿散射，光子与探测 光子与探测器互相作用。这种相互作用导致电子释放而继续与晶体的网格相互作 器互相作用。这种相互作用导致电子释放而继续与晶体的网格相互作用产生光。这种过程称为闪烁。用产生光。这种过程称为闪烁。闪烁晶体闪烁晶体n n 理想的闪烁晶体 理想的闪

22、烁晶体 要求：要求：1 1对入射的 对入射的 光子有较高的俘获效率 光子有较高的俘获效率 2 2与入射光子相互作用后的发光率高，发光持续时间较短 与入射光子相互作用后的发光率高，发光持续时间较短 3 3材料要有良好的光学性能，对荧光的传播呈透明而且折射率小 材料要有良好的光学性能，对荧光的传播呈透明而且折射率小等 等光电倍增管 光电倍增管 PMT PMT n n 每 每7 7到 到10 10个光子入射到光电阴极上，就会产生一个电子。个光子入射到光电阴极上，就会产生一个电子。从阴极来的电子聚焦到倍增管电极上被吸收后会放出更多 从阴极来的电子聚焦到倍增管电极上被吸收后会放出更多的电子一般是 的电子

23、一般是6 6到 到10 10个。这些电子再聚焦到下一个倍 个。这些电子再聚焦到下一个倍增管电极上，这个过程在倍增管电极阵列上不断重复。增管电极上，这个过程在倍增管电极阵列上不断重复。光电倍增管的排列方式每一个边排列 每一个边排列3 3个，总共 个，总共19 19个 个 每一个边排列 每一个边排列4 4个，总共 个，总共37 37个 个 每一个边排列 每一个边排列5 5个，总共 个，总共61 61个 个 每一个边排列 每一个边排列6 6个，总共 个，总共91 91个 个 每一个边排列 每一个边排列7 7个，总共 个，总共127 127个 个光电倍增管 光电倍增管 为数众多的光电倍增管均匀地排列在

24、晶体的后面，紧贴着晶体。为数众多的光电倍增管均匀地排列在晶体的后面，紧贴着晶体。数量多少与定位的准确性有关。数量多少与定位的准确性有关。权电阻网络n n 权电阻网络紧跟在光电倍增管阵列后面并在求和矩阵电路 权电阻网络紧跟在光电倍增管阵列后面并在求和矩阵电路 SMC SMC 中接收来自倍增管的电流脉冲。这使得位置电路 中接收来自倍增管的电流脉冲。这使得位置电路能够决定闪烁事件在探测晶体的何处发生。能够决定闪烁事件在探测晶体的何处发生。n n 位置计算 位置计算 权电阻网络 权电阻网络 这一位置相关信号经 这一位置相关信号经“位置计算电路 位置计算电路 进一步处理后就可以较准确地给出闪烁点的坐 进

25、一步处理后就可以较准确地给出闪烁点的坐标。最后，能量信号与位置坐标信号组合起来 标。最后，能量信号与位置坐标信号组合起来在监视器上显示，就形成了完整的核医学图像。在监视器上显示，就形成了完整的核医学图像。脉冲高度分析器与显示装置脉冲高度分析器与显示装置n n 为了减少折射光子对图象效果的影响，设计了脉冲高度分 为了减少折射光子对图象效果的影响，设计了脉冲高度分析器，通过设定上下限阈值，将高于上限阈值和下限阈值 析器，通过设定上下限阈值，将高于上限阈值和下限阈值的光子能量排除在外。的光子能量排除在外。有选择性地记录从晶体和光电倍增管输送来的电脉冲信号。有选择性地记录从晶体和光电倍增管输送来的电脉

26、冲信号。排除本底及其他干扰信号。排除本底及其他干扰信号。三、脉冲幅度分析器三、脉冲幅度分析器 时间 时间阈值 阈值计数率 计数率 计数率密度 计数率密度脉冲幅度 脉冲幅度脉冲幅度甄别器原理 脉冲幅度甄别器原理 2.2.单道脉冲幅度分析器 单道脉冲幅度分析器3.3.多道脉冲幅度分析器 多道脉冲幅度分析器 直接测出幅度在 直接测出幅度在 V V V V+V V之间脉冲计数 之间脉冲计数两个甄别器 两个甄别器差值 差值 V V叫道宽。叫道宽。下限甄别器甄别阈值 下限甄别器甄别阈值 V V上限甄别器阈值 上限甄别器阈值 V V+V V多个脉冲分析器 多个脉冲分析器 一次测量得出一个单道脉冲 一次测量得

27、出一个单道脉冲 幅度分析器屡次测量的结果 幅度分析器屡次测量的结果三、脉冲幅度分析器三、脉冲幅度分析器 核医学成像 n n 概念：概念：是一种以脏器内外或脏器正常组织与病变组织之间的放射性浓 是一种以脏器内外或脏器正常组织与病变组织之间的放射性浓度差异为基础的脏器或病变组织的显像方法。度差异为基础的脏器或病变组织的显像方法。核医学成像的过程和基本条件：核医学成像的过程和基本条件：1 1、先把某种放射性同位素标记在药物上，形成放射性药物并、先把某种放射性同位素标记在药物上，形成放射性药物并引人人体内，当它被人体的脏器和组织吸收后，就在体内形成了辐射 引人人体内，当它被人体的脏器和组织吸收后，就在

28、体内形成了辐射源。源。2 2、用、用 射线检测装置可以从体外检测体内放射性核素在衰变 射线检测装置可以从体外检测体内放射性核素在衰变过程中放出的 过程中放出的 射线，从而构成放射性同位素在体内分布密度的图像。射线，从而构成放射性同位素在体内分布密度的图像。由于放射性药物与一般天然元素或其他化合物一样，能够正常地参 由于放射性药物与一般天然元素或其他化合物一样，能够正常地参与机体的物质代谢，因此 与机体的物质代谢，因此核医学成像的图像不仅反映了脏器和机体组 核医学成像的图像不仅反映了脏器和机体组织的形态，更重要的是提供了有关脏器功能及相关的生理、生化信息。织的形态，更重要的是提供了有关脏器功能及相关的生理、生化信息。