核医学成像.

核技术成像概述若将一定量的放射核素引入人体，它将参与人体的新陈代谢，或者在特定的脏器或组织中聚集。RNI的本质就是体内放射活度分布的外部测量，并将测量结果以图像的形式显示出来。它含有丰富的人体内部功能性信息，因此，RNI以功能性显像为主。放射性核素能自发地进行衰变，使原来的核素的数量不断减少并产生出新的核素。衰变后的新核有的是稳定的核素，有的仍是放射性核素并继续进行衰变，核衰变方式有等多种，但所有放射性核素在衰变时都遵循着共同的基本规律。有效半衰期由于人体的排泄作用使核素数量的减少也按指数规律变化，它对应的衰变常数，称为生物衰变常数。为有效衰变常数，其中为物理衰变常数。物理半衰期，生物半衰期，它们之间的关系为1/21/21/2111epbTTT射线探测利用放射性探测仪器（或测量装置）可以探测和记录放射性同位素所放出射线（或粒子）的种类、数量（强度）和能量（能谱）等。临床医学上常通过探测放射性的方法来观察放射性同位素在人体脏器内的分布，以诊断脏器是否存在病变和确定病变所在的位置等。一、闪烁计数器闪烁计数器是射线探测的基本仪器，它由闪烁体、光学收集系统和光电倍增管组成。其测量原理是：射线在晶体内产生荧光，利用光导和反射器组成的光收集器将光子投射到光电倍增管的光阴极上，击出光电子，光电子在光电倍增管内被倍增、加速，在阳极上形成电流脉冲输出，电流脉冲的高度与射线的能量成正比，电流脉冲的个数与辐射源入射晶体的光子数目成正比，即与辐射源的活度成正比。闪烁计数器的优势是：它既可以测量光子也可以探测带电粒子，特别是对射线有很高的探测效率；经光电倍增管给出的电流脉冲有较强抗干扰能力，适用于较复杂环境的工作。1、脉冲幅度甄别器闪烁计数器所产生的电流脉冲的幅度和辐射光子的能量成正比，如测出脉冲幅度与计数的关系曲线就等于测出了幅射能谱。只允许一定幅度脉冲通过的电路，并将通过的脉冲送到计数器中记录，这种仪器就是脉冲幅度甄别器（pulseamplitudediscriminator）。图6-3表示脉冲幅度甄别器原理，图中(a)表示（b）表示在不同甄别阈值下的计数率曲线：（c）表示计数率密度。实际上曲线(c)是曲线(b)导数的绝对值，在10V和30V附近有两个波形，表明存在两组射线，两个波形幅度分别表示了其相对强度。2、单道脉冲幅度分析器能直接测出幅度在之间脉冲计数的仪器叫单道脉冲幅度分析器，它由两个甄别器组成。上限甄别器有较高的甄别阈值，下限甄别器阈值为V，其差值叫道宽。脉冲幅度分析器伽玛照相机和单光子发射型计算机断层照相机是将人体内放射性核素分布快速、一次性显像的设备。它不仅可以提供静态图像也可以进行动态观测，既可提供局部组织脏器的图像，也可以提供人体人身的照片。图像中功能信息丰富，是诊断肿瘤及循环系统疾病的重要装置。照相机的探头也就是发射型计算机断层（ECT）中的单光子发射型计算机断层（SPECT）的探头。1、探头探头是照相机的关键部件，由准直器、闪烁体、光电倍增管、电阻矩阵等部件组成，如图6-13。其作用是把人体内分布的放射性核素辐射的射线限束、定位，用多个光电倍增管将由射线在闪烁体激起的荧光转化为电脉冲，再将这些电脉冲转化为控制像点位置的位置信号和控制像点亮度的Z信号。2、位置信号和Z信号每一个光电倍增管给出的电流都要经前置放大后分别通过四个电阻形成的位置信号。此外，四个位置信号还要在一个加法器中总合起来，再通过脉冲幅度分析器，选取需要的脉冲信号送到示波器的Z输入端，控制像点的亮度，此信号又称为Z信号。3、显示和记录位置信号和Z信号都由一个延迟电路控制，使像点按时间顺序依次形成，最后形成完整的画面。示波器是照相机的基本显示装置。一般使用三台示波器，一台是记忆示波器用于储存图像；另外两台是与记忆示波器同步的普通显示器，一台用于照相，另一台用于医生对图像的观察。光电倍增管光电倍增管在闪烁探测器中占有非常重要的地位，它探测到光子和给出电信号只要6－30ns的时间。高灵敏度的光电倍增管的放大倍数得到108，能够探测到单个入射的光子在光电倍增管的真空管内，打拿极依次排列，电压逐次升高，入射的光子在阴极上打出光电子。电子在任两个打拿极之间加速，击中打拿极后产生出更多的电子，电子经过几个打拿极放大后将达到可观测的电荷量，流过负载电阻形成电压信号输出。光电倍增管的参数辐照灵敏度：–标准频率和功率的光照射，电信号的输出强度和入射光强度之比。辐照灵敏度定义为安培／流明电流放大：–相同光强照射下阴极电流和阳极电流之比，这个比值在光电倍增管工作时保持稳定。量子效应：–产生的光电子数和入射的光子数之比，和辐照灵敏度直接相关。光谱效应：–辐照灵敏度随光频率的变化而产生的变化，因此光电倍增管具有仅对某些波段的光灵敏特性阴极暗电流：在没有光入射的情况下，仍有电流输出。–热电子发射，因此应让光电倍增管工作在较低的温度下–残余气体电离：电子电离管内的残余气体，电离出的正离子会打击在打拿极上产生了新的电子，电子随后被打拿极放大产生信号，这种噪音出现在正常信号的尾端。–玻璃闪烁：环境射线或玻璃内射线，引起的非正常的电信号输出。–漏电流：光电倍增管内结构材料绝缘或表面的电流–场发射：工作电压过高时，产生的尖端放电电子引起。磁场效应：–磁场的存在会影响电子的移动轨迹，而使部分电子不能被下一级的打拿极接收到，从而降低了放大倍数。–光电倍增管多放置在磁场屏蔽套中，减小磁场的影响。线性和饱和：–入射光超过一定数值时，光阴极的光电转换达到饱和。–高压过高，放大倍数大造成后几级打拿极之间的漂移电荷影响了电场分布从而造成电子增益缩小。准直器由于射线的辐射的各向同性，必需用一装置来判断光辐射的来源。类型平等多孔发散型会聚型或针孔型准直器的参数灵敏度空间分辨率深度响应灵敏度在空气垂直准直器轴线旋转的均匀平面光源，探测器测得的通过准直器的计数率与平面光源单位面积上的放射性活度的比值。空间分辨力显像装置能分辨两线源或点源的最小距离的倒数。LFdFWHMR0＝＝相对计数率焦平面FLd0MTF把实物对比度转化为图像对比度的方法空间周期和频率MTF＝1MTF＜1SIMMMTF＝LFdFWHMR0＝＝R是F的函数，在某一个深度上有一最小分辨距离其2倍分别为焦点远限和焦点近限焦平面FL时间特性：–脉冲上升时间：电脉冲信号从辐度的10％上升到90％的时间，约1～30ns。–渡越时间：从光进入光电倍增管到电信号输出的时间，约6～50ns。–渡越时间涨落：渡越时间的分布的半宽度，0.1ns～1ns。高压极性：–多数高压倍增管，将阳极接地而阴极工作在负高压，负高压容易和处在地电位的磁屏蔽之间发生放电而引起噪音。可在两者之间增设一层和阴极同电位的电极层，将放电排除在真空管以外–可以使阴极处于地电位，而阳极处在正高压。但是在阳极到前端电子学电路之间串接耐高压电容隔直。使最初的打拿极不会发生放电。外部电路光电倍增管的输出电流流入阻容电路。电阻为PMT的负载电阻和放大电路的的输入阻抗的并联，电容为PMT的分布电容和输入电容的并联。电信号的形状决定于PMT输出电荷的衰减常数t1（即，输入光信号的衰减）和放大电路阻容时间常数t2。–当t2很大时，电荷释放很慢，PMT电荷逐渐积累，PMT的输出电压信号从零逐渐增长至最大值。–当t1很大时，电荷得不到积累就被释放掉，因此PMT的电压信号幅值很小，而且时间宽度窄。因此PMT的放大电路需要接合实际的需要和闪烁体的特征参数来设计。二、单光子发射型计算机断层原理发射型计算机断层是通过计算机图像重建来显示已进人体内的放射性核素在断层上的分布。ECT分为单光子发射型计算机断层（SPECT）及正电子发射型计算机断层（PET）。1、成像的本质与方法ECT的本质是由在体外测量发自体内的射线技术来确定在体内的放射性核素的活度。SPECT的放射性制剂都是发生衰变的同位素，体外进行的是单个光子数量的探测。SPECT的成像算法与X-CT类似，也是滤波反投影法。即由探测器获得断层的投影函数，再用适当的滤波函数进行卷积处理，将卷积处理后的投影函数进行反投影，重建二维的活度分布。照相机型SPECT在临床应用上占绝对优势。它由照相机探头、旋转扫描支架及成像软件构成，整体在计算机控制之下。2、数据的衰减校正和照相机一样，射线转变成的电流脉冲要经过各自的放大器和单道脉冲幅度分析器进行处理，但处理后的数据还不能用于成像，还要进行射线的衰减校正。SPECT中不希望穿出人体的射线有衰减，因为SPECT是通过射线的体外计数来标定体内放射性活度。衰减是不可避免的，它的存在严重影响了活度的精度。目前ECT机中多采用平均衰减校正的方法。这种校正方法是很粗糙的。SPECT可以提供建立三维图像的信息，也可以建立任意方位的断层图像，这为临床诊断提供了方便。SPECT在空间分辨力、定位的精确度、计算病变部位的大小和体积等方面远优于照相；而且与照相比较，断层图像受脏器大小、厚度的影响大为降低，对一些深度组织的探测能力也显著提高。SPECT有利于发现早期的病变，在这方面SPECT明显优于X-CT和B超，甚至MR。正电子发射型计算机断层一、正电子发射型计算机断层原理1、采用具有自准直符合计数方法根据动量守恒，涅灭辐射产生的双光子飞行在同一直线上，但方向相反。在衰变发生的区域两侧，放置两个光子探测器，当两个探测器同时接收到光子时，符合电路会给出一个计数。从图6-16中可以看出为获得投影数据要求探测在某一方向（直线）上的计数，SPECT中的射线就要在探测器中加装准直器，这样很多的光子就被准直器挡掉了。而湮灭辐射有自准直作用，无需准直器，这样PET的灵敏度大大提高，引入体内的放射性性剂的量大为减少。将探测器一对一对的用符合电路联结起来，每对探测器就给出一个投影数据，足够多的探测器就给出了足够多的投影数据，利用计算机按一定的算法，如滤波反投影法，就可重建放射性同位素在人体断层上的活度分布。由于探头总有一定的高度与宽度，在内，两个不相关的光子也有可能进入两个探测器，也会给出一个计数，但这个计数是假的，并不表示在投影方向上发生了一次衰变，这样的符合叫做随机符合，它是符合计数的噪声。2、衰减校正符合探测带来的另一好处是湮灭辐射发生地点对测量结果的影响不大，而这个不大的影响还可以得到很精确的校正。PET的量化精度可提高到10%。3、PET的检测系统PET检测系统为多环结构，见图6-17。多环结构检测系统一次采集可以获得多个断层图像数据。如环的个数为n，则一次获得个断层数据，其中n个来自同一环内的符合探测，个断层数据则来自相邻环之间的交叉符合计数。二、正电子发射型计算机断层的技术优势PET与其他影像技术比较有以下一些技术优势：1、PET所用的放射性制剂中的核素是构成人体生物分子的主要元素，在理论上可以显示机体进行的生理、生化过程。2、由于采用了贫中子核素，其半衰期极短，如11C、12N、15O和18F的半衰期都是以分钟计，有“超短半衰期核素”之称，故对人体的放射性剂量很小，在临床检查上可以进行多次给药、重复成像检查。3、PET采用了具有自准直的符合电路计数方法，省去了准直器，使探测效率即灵敏度大为提高。这带来的直接好处是放射性制剂用量大为减少，成像信号的信噪比大为提高，相对照相和SPECT图像质量更高，患者的安全性更高。4、由于正电子发生电子对湮灭的距离为1.0mm左右，所以PET图像空间分辨距离较SPECT提高近十倍，更有效检出5~10mm的病灶。5、因为衰减校正更为精确，PET便于做定量分析。6、PET多环检测技术可以获得大量容积成像数据，从而可以进行三维图像重建。PET所用的核素制剂主要是人体富有的贫中子短寿命同位素核素制剂，如11C、12N、15O和18F等。这些核素要在加速器中通过相关的核反应来产生，其特点是寿命很短，还得配有合成放射性制剂的热配室，这是PET设备昂贵的原因。显像技术定义放射性药物注入人体后，显像仪探测放射性核素在