生物医学工程专业医学成像4

放射性核素成像系统生物医学工程教研室张汇泉引入内容：Q：核医学成像过程是怎样的？P731.核医学成像的基本条件①具有能够选择性聚集在特定脏器或病变的放射性核素或其标记化合物，使该脏器或病变与临近组织之间的放射性浓度差达到一定程度②利用核医学成像仪探测到这种放射性浓度差，并根据需要以一定的方式将它们显示成像Q：核医学成像的基本特点1、核医学成像以脏器内外或脏器内各部分之间的放射性浓度差别为基础，显示的静态和动态图像，该图像不仅反映了人体组织、脏器和病变的位置、形状和大小，而且还提供了包括整体或局部组织功能，以及脏器功能的每个微小局部变化和差别。2、核医学具有多种动态成像方式3、一些放射性核素具有向脏器或病变的特异性聚集，由此而获得的核素成像具有较高的特异性，可显示不同组织类型的肿瘤、各种神经受体、炎症、转移灶等组织器官的影像。２．核医学成像设备发展史P73一、放射性核素成像的物理基础P73（一）同位素1、放射性放射性有无？大多数放射性转变是分步转变的：同量异位转变（包括β发射，正电子发射，电子俘获），之后是同质异能转变（包括r发射，内转换）和沿轨道运行电子相互作用2、概念同质异能素：具有相同组成但是能量不同的核素。同量异位素：具有相同质量素（中子和质子的总数），但原子序数不同的核素。同中子异核素：具有相同数目中子的核素。（二）衰变物理半衰期，生物半衰期（三）射线性质（四）放射性材料的选择1、放射性方面2、生产成本方面3、子体核素分离技术4、防护与污染（五）递次衰变规律不稳定原子核→子核（仍然有放射性）→新代子核→……→稳定核素（六）放射平衡递次衰变中，当衰变常数之间存在某种对比关系时，可出现平衡现象1、暂时平衡此种情况，子核B将按母核A的衰变规律变化，这时两者的数目都减少，它们之间保持固定比例，叫暂时平衡。2、长期平衡只要母核A半衰期比子核B长得多，在观测时间内，母核数目变化极小，则子核及活度就会达到饱和，两核活度相等，叫长期平衡。3、不成平衡母核半衰期远小于各代子核。易知给定时间后，母核将几乎全部转换为子核，然后，子核按自己的方式衰减。二、γ照相机γ扫描机逐点扫描，成像时间长，不能获得动态图像。γ照相机是一种快速显像设备，它不仅能提供静态图像，而且可提供动态图像，了解血流和代谢过程，是诊断肿瘤和循环系统疾病的重要设备。（一）系统构成由准直器、闪烁晶体、光电倍增管、前置放大器、定位电路、显著记录装置、机械支架和床组成。其中将准直器、闪烁晶体、光电倍增管、前置放大器、电子矩阵电路等固定在一个支架上，组成探测器探头。γ相机的基本组成如图所示。当受检者注射放射性同位素标记药物后，放射性核素有选择地浓聚在被检脏器内，该脏器就成了一个立体射线源，该射线源放射出的γ射线经过准直器射在NaI(TL)晶体上，立即产生闪烁光点。闪烁光点发出的微弱荧光被光导耦合至光电倍增管（PMT），输出脉冲信号。这些脉冲信号经后面的电子线路处理形成能量和位置两个通道的信号，位置信号确定显示光点的位置，能量信号确定该光点的亮度。经过一定时间的积累，便形成一幅闪烁图像，并可用照相机拍摄下来，就完成了一次检查。系统流程：人体→→准直器→→闪烁晶体→→光电倍增管→→前置放大器→→定位器→→图象处理电路→→显示器→→照相机γ相机的结构和主要部件如图所示，γ相机主要由探头、电子线路和显示系统三部分组成。探头探头是γ相机的核心部件，它包括准直器、闪烁晶体、光电倍增管、前置放大电路、光导和定位网络电路等。（二）准直器1、地位：它决定γ相机的系统均匀性、分辨率、灵敏度等重要性能指标，是探头的很重要的组成部分。2、组成：因为碘化钠晶体价格昂贵，又脆弱易碎，经不起机械撞击和挤压，经不起±2℃的温度变化，铅制的准直器又成为它的最好的保护层。即准直器是铅质，多孔的探头前端的覆盖物。3、发展：早期的探头受工艺限制大多数为圆形，视野也小（有效直径约350mm）。为了适应早期（60～70年代）使用的放射性药物的能量（如364keV的碘－131、410keV的金－198等），所用的晶体较厚（＞1.27cm）。厚晶体增加了中、高能量的灵敏度，却降低了固有分辨率，因此，早期γ相机的性能不甚理想。随着锝-99m（99mTc）放射性核素的广泛应用，金-198、碘-131等中高能放射性核素已基本不在γ相机上使用，使γ相机的晶体有可能减薄，现在大多采用厚度为0.95cm的晶体。随之探头视野增大，更多的γ相机采用有效视野（U-FOV）为500×400mm的矩形探头，光电倍增管由开始的十余只增加到数十只，甚至近百只，准直器由针孔型、平行孔型、扩散孔型又增加了扇型准直器。这些改进或进展使γ相机的系统性能指标得到较大提高。4、作用：实现空间定位5、分类（P75）（1）平行孔型常用，灵敏度高。肝脏（2）张角型（扩散型）用于全身显像（3）聚焦型（会聚型）灵敏度、分辨率高用于脊椎（4）针孔型适用于较表浅的小脏器和小病变甲状腺（三）闪烁晶体P77闪烁晶体是γ相机探头很重要的组成部分。基本功能：1、吸收r光子2、将r图像转变为光学图像要求：1、对入射光子有较高的俘获效率2、与入射光子相互作用后的发光效率高，但发光的持续时间较短3、材料的发光效率高，具有良好的光学性能，对荧光的传播呈透明且折射小等等（四）光电倍增管阵列与位置计算电路P781、光电倍增管阵列（1）光电倍增管构成平面矩阵（2）结构光电阴极，窗材料，聚焦电极，倍增极，阳极（P78图4.6）（3）作用：将微弱的光成比例的转换为较大的电脉冲（闪烁晶体激起）荧光→→光电倍增管→→闪烁点的二维分布→→各光电管的光电子数→→电路矩阵电路（使屏上亮点的位置和光电管编码有对应关系）2、电子电阻矩阵电路矩阵分为X+,X-,Y+,Y-四行，每一光电管的电流脉冲都将输入到矩阵对应的一列四个电阻上，从这个电阻上形成电压脉冲，该脉冲又分两路。（1）送入脉冲加法电路，叠加为Z脉冲Z脉冲幅度由r射线的能量决定，经脉冲高度分析后去控制示波器电子枪的阴极或控制栅极。（2）由四个电阻上输出脉冲进入X、Y电路X、Y位置电路由两个差放组成，分别接收X+,X-,Y+,Y-信号，这将使得接收X+，X-信号的差放输出决定光点在屏上的X坐标信号，而接受Y+,Y-信号差放输出决定Y坐标信号。（五）脉冲高度分析器与显示装置P79三、放射性同位素成像系统的分析（一）视野r相机的视野（FOV）是一个重要的性能，因为它关系到任何一个时刻能够成像的患者身体的大小范围。FOV取决于晶体的大小、准直器的类型，在某些系统还取决于成像物体和照相机晶体之间的距离。（二）系统的灵敏度1、准直器的影响2、闪烁晶体厚度的影响3、脉冲高度分析器中能量阈值的设定4、时间影响（三）模糊度或分辨力1、造成图像模糊的因素（1）运动模糊（2）系统固有模糊2、准直器引起的模糊（1）孔的大小（2）厚度（3）照相机与成像物体间的距离（四）对比度（五）均匀性（六）系统噪声（七）空间畸变由于在图像由晶体传送到观察屏过程中出现的情况，r相机可能会产生空间畸变，当图像内不同点在传送过程中彼此间有相对运动时就会发生畸变，它导致图像内物体的形状和大小失真。四、发射性计算机断层摄影（一）SPECT1、单光子相对于双光子而言。在放射性核素成像中，r光子的检测有两种方法，一种是单光子检测法（SPC），一种是双光子检测法（ACD）2、类型与探头特点（1）扫描型SPECT多探头环形，结构与X线CT类型，由数量众多的探头围成环形，同时分别检测各个方向的r线。这类型的设备体层灵敏度高，空间分辨率好，成像时间短，甚至可以进行快速动态成像，但价格昂贵，而且不能全身显像和平面显像兼顾，因此不易推广。（2）r照相机型SPECTA.探头固定型4台r相机互成90°固定安装而成。检测准直器采用多孔准直器或旋转斜孔准直器，采集不同角度的r射线投影进行图像重建。由于角度有限，空间分辨率和均匀度都较差，容易产生伪影。B.探头旋转型r相机的探头围绕身体旋转360°或180°进行完全角度或有限角度取样，所得到的投影数据丰富，可以重建各个方向的符合临床要求的体层影像。这种旋转的r相机型的SPECT，同时兼有平面显像、体层显像和全身显像的功能，是当今SPECT的主流，目前有单探头、双探头和三探头旋转型SPECT。3、成像原理各类型的SPECT通常都是由检测器、机架体层床、控制台、计算机以及外围设备构成。图像重建的关键在检测器以及软件处理方面。（1）基本成像原理（2）检测器目前多探头的SPECT多使用扇形准直器、圆锥形准直器和发散形准直器。使用这一类的准直器可同时提高分辨率和灵敏度，但视野范围要减少。探头内部电路中，数字型已经取代模拟型，并都采用了先进的能量、线性和均匀性等自动校正和补偿的电路，使电路性能更加精确和稳定，而光电倍增管的数目却有减少。（3）旋转机构SPECT的机架主要用来支撑检测器，让检测器在其上平稳运动。为了能得到分辨度及灵敏度都好的图像，在有些装置中，只有准直器旋转，而其他（如闪烁晶体和光电倍增管及后继电路）均被固定。旋转装置在体层成像时，除了圆形和椭圆形轨道外，还可以沿体表轮廓进行旋转；另，自动轮廓旋转系统能够自动调节探头和病人的距离，使检测器与被检部分尽可能贴近，良好地自动对体表轮廓跟踪扫描，简化操作，减少采集时间，有效地提高成像分辨率，适用于脑成像和全身成像。（4）控制台与计算机SPECT的工作条件及所有数据都由计算机统一控制和管理。（5）外围设备主要任务是将检查结果显示、记录和进行储存，它包括彩色显示器、激光打印机、多幅照相机等装置。此外，还有生理信号检测设备、检查床，以及用于仪器校正和质量检测的专用器材和模型等。4、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。5、优缺点P83（二）PET拓展：1、化工中的PET聚对苯二甲酸乙二醇酯英文名:polyethyleneterephthalate，简称PET2、英语考试PET剑桥通用英语证书PETPET（PreliminaryEnglishTest）是剑桥通用英语五级系列英语证书考试的第二级，该系列证书考试是为初级至高级各个水平的英语学习者设计的高质量的国际英语考试，是终生有效的英语能力证明。PET考核考生的实用英语技能，无论是对学习还是工作，PET考试都能促进考生语言能力的发展，并为希望参加剑桥第一证书英语考试（FCE）的考生打下坚实基础。PET计算机考试也已在全球推出。3、医学中的PET（派特）全称为：正电子发射型计算机断层显像（PositronEmissionComputedTomography），是核医学领域比较先进的临床检查影像技术。一、工作原理：大致方法是将某种物质，一般是生物生命代谢中必须的物质，如：葡萄糖、蛋白质、核酸、脂肪酸，标记上短寿命的放射性核素（如F18，碳11等），注入人体后，通过对于该物质在代谢中的聚集，来反映生命代谢活动的情况，从而达到诊断的目的。最近各医院主要使用的物质是氟代脱氧葡萄糖，简称FDG。其机制是，人体不同组织的代谢状态不同，在高代谢的恶性肿瘤组织中葡萄糖代谢旺盛，聚集较多，这些特点能通过图像反映出来，从而可对病变进行诊断和分析。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