核医学成像设备

~1~教案首页第8次课授课时间2007.04.11完成时间2007.04.01课程名称医学影像设备学年级2003、2004专业，层次医学影像五年制本科教员种银保专业技术职务高级工程师授课方式（大，小班）大班学时3授课题目（章，节）第八章核医学成像设备基本教材或主要参考书医学影像设备学（第二版），徐跃等主编，人民卫生出版社2005年12月出版医学影像设备（第一版），冯开梅等主编，人民卫生出版社2003年1月出版教学目的与要求：掌握:1.Г照相机的构成和工作原理2.SPECT基本结构与工作原理3.PET-CT基本结构与工作原理了解:1.核医学成像设备的发展2.核物理基础知识大体内容与时间安排：1.复习与导课(Review&Introduction)--------------------------------5分钟；2.核医学设备发展历程（HistoryofNuclearMedicalImagingDevice）---20分钟；3.Г照相机（GammaRadiography）------------------------------------35分钟；4.单光子发射型计算机体层设备（SinglePhotonEmissionCT）-----------25分钟；5.正电子发射型计算机体层设备（PositionEmissionCT)----------------30分钟；6.小结（Summary）---------------------------------------------------5分钟。教学方法：1.按讲义，利用多媒体等讲解本次课内容2.组织学生提问，了解学生对讲课内容掌握情况3.组织学生见习，了解核医学成像设备结构及性能教学重点，难点：重点：核医学设备各系统的结构、工作原理及应用。难点：核医学设备及易出故障部分的电路原理教研室审阅意见：教学安排符合教学大纲的要求，体现了教学的目的和特点，教学重点突出，教学方法和手段得当，教学时数分配合理，教案书写规范，同意实施。（教学组长签名）（教研室主任签名）年月日~2~教案续页基本内容辅助手段和时间分配第一节概述一、核医学成像核医学成像是将发射一定能量γ射线的放射性药物引入机体，通过体内代谢，浓集于相关脏器。一旦脏器功能改变，或脏器组织局部病变，必然影响放射性药物的分布，从体外探测该药物发射的γ射线，就可分析判断放射性药物在脏器内的分布与浓集信息。核医学成像既与被检物体的密度改变相关，还与其功能状态相连系。所以是一种将结构与功能相结合的成像技术。二、核医学成像基本条件1.放射性药物：对被检脏器或病变组织具有选择性聚集分布，且与邻近组织之间的放射性浓度达到一定程度。2.从体外探测体内γ放射性的探测仪器与信息处理、显示成像。三、核医学成像设备的发展1.γ照相机①1957年研制成功；②采用大型闪烁晶体实现一次成像，既可作静态也可作快速连续动态显像；③经历了模拟、模-数和数字化的成像过程。2.SPECT（singlephotonemissionCT)①1979年研制成功；②克服了γ相机平面显像所固有的影像重叠，分辨力差和不能精确定量的缺陷。成为当今心、脑显像，尤其是脑血流和功能显像不可缺少的成像设备，是国内利用率最高的核医学影像设备。3.PET（positionemissiontomography)①于上个世纪80年代问世；②是利用发射正电子的人体基本组成元素的同位素（常用18F、11C）而成像的设备；导课：5’核医学设备发展历程作概括的介绍：20’列举相应图片、视频及动画资料，详细讲解影像设备各种作用启发式教学法γ照相机的构成医用影像发展~3~③是当今核医学领域，也是医学影像领域顶尖的成像设备。因为该设备可从分子水平高精度地显示活体内的代谢和生化活动，获取各种定量的生理参数。4.PET/CT同位素是同一元素中的不同类的原子。它们有相同数目的质子（和电子）却有不同数目的中子。例如氕、氘和氚，它们原子核中都有1个质子，但是它们的原子核中分别有0个中子，1个中子及2个中子，所以它们互为同位素。3.核衰变放射性同位素的原子核很不稳定，会不间断地、自发地放射出射线，直至变成另一种稳定同位素，这就是所谓“核衰变”。放射性同位素在进行核衰变的时候，可放射出α射线、β射线、γ射线和电子俘获等.核衰变的速度不受温度、压力、电磁场等外界条件的影响，也不受元素所处状态的影响，只和时间有关。4.半衰期半衰期（half-life）即一定数量放射性同位素原子数目减少到其初始值一半时所需要的时间。如磷－32的半衰期是14.3天，就是说，假使原来有100万个磷－32原子，经过14.3天后，只剩下50万个了。半衰期是放射性同位素的特征常数，不同的放射性同位素有不同的半衰期，衰变的时候放射出射线的种类和数量也不同。5.用于临床的放射性核素的要求半衰期合适：半衰期尽量短(减小病人的辐照剂量)，一般选半衰期为几小时到几天的核素,目前几’的放射性核素也开始应用,半衰期过短,显像工作难以完成,10小时左右适宜。射线能量恰当:用于诊断的核素产生的射线应能穿出机体被探测器探测到；能量过低，在体内吸收太多,能量过高，则屏蔽、准直困难，影响空间分辨率，探测效率也下降；临床用射线能量一般在50—500keV之间，100~300keV为宜。产生的射线种类及能量单一：射线种类及能量单一，以减少散射和其它效应形成的测量本底；核素的衰变产物是稳定核素。便于标记:与标记化合物紧密结合,不脱标。6.用于临床放射性核素的种类~4~锝（technetium）99mTc43：经衰变产生140keV的г射线，不伴生β辐射，适合使用闪烁探测器探测；半衰期为6.02h；几乎适合于所有器官的显像和血流动力学研究。碘（iodine）131I53：经衰变产生605keV的β、364keV的г和637的г；物质理想半衰期为8.04h；适于做甲状腺、肾、肝、脑、肺、胆的显像、功能测量和治疗。但г能量偏高,г相机探测效率低，图像分辨率差。7.放射性核素的来源：反应堆生产、核裂变产物分离、放射性核素发生器生产:是从长半衰期的母体核素中提取半衰期较短的放射性子体核素的装置、回旋加速器生产。第二节γ照相机一、γ照相机组成与工作原理γ相机把人体脏器内的放射性核素的三维分布变成一张二维分布的图像或照片.工作原理：当受检者注射放射性同位素标记药物后，放射性核素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。1.准直器（1）构成与功能：是一种由重金属（常用铅、钨或铅钨合金）加γ照相机工作原理15’γ相机的组成课间休息10’~5~工制作，安置在闪烁晶体前方的屏蔽体，限制非规定范（方向）的γ射线入射闪烁晶体，即实现定位采集信息的作用。（2）按几何形状分类单孔会聚型，外口径2~6mm，外口与晶体间距15~20cm。由于其探测立体角很小，故S很低。影像与实体倒向。若外口与实体间距缩短，影像放大倍数增大，S也增高。故应根据脏器大小调节间距b。适用于较表浅的小脏器和小病灶显像。孔道与准直器内外口垂直，孔道直径相等，且平行。它的S较高，且较少受b值影响。但b值对R有直接影响，即b增大，R降低。平行孔型准直器是常用的准直器。准直器的中部孔道平行，周边孔道逐渐向外扩散。由于周边是扩散的孔道，使探测视野扩大，但其S和R均不及中部孔道。常与直径不够大的晶体配套使用于全身显像。准直器的各孔道由外口向内口扩散，即由内向外成会聚状。对被检实体的放大倍数较小，但S和R较高。此型准直器较少使用。按能量不同区分准直器：类型适用的能量范围临床应用低能通用准直器低能高分辨率准直器75-170KevTC－99M标记的放射性药物中能通用准直器中能高分辨率准直器170-300KevGA－67类药物高能通用准直器270-360Kev甲状腺高能和甲状腺肿瘤超高能准直器511KevF－18－FDG代谢类显像剂超高能双核素准直器120-520Kev同时做脏器的血流灌注的代谢显像主要性能参数［空间分辨力］表示对两个相邻的点放射源之间的分辨能力。准直器孔径越小、准直器越厚，空间分辨率越高。γ相机的基本组成γ照相机组成与工作原理准直器的构成和功能~6~［灵敏度］为准直器能够探测到放射性物质的能力，用单位放射性活度的放射性计数率来表示。S与准直器几何效率E成正比。可见，准直器孔越大，S越高；准直器越厚，孔间壁越厚，S越低。［适用能量范围］取决于准直器孔间壁厚度t：t＝0.3mm左右者适用于＜150KeV(低能)γ，t＝1.5mm左右者适用于150~350KeV(中能)γ，t＝2.0mm左右者适用＞350KeV(高能)γ。针对上述三项参数，依据被检γ射线能量选用相应的t值准直器。同时应具有高空间分辨率和高灵敏度。闪烁晶体闪烁体材料有多种，核医学设备最常用的是铊激活的NaI晶体，当受射线照射时能发出波长为415nm的兰绿色光。闪烁体的作用是将入射的射线能量变换为闪烁光，即微弱的光脉冲信号。闪烁体的外形是金属盒，晶体封装在金属盒体内，晶体的输出面是一光学玻璃，输出面和光电倍增管耦合。光电倍增管光电倍增管是将光能转换为电能，并对微弱的电信号进行放大的装置(放大倍数在107以上)。它由光阴极、聚焦极、多级次阴极和收集电子的阳极组成。光阴极接收晶体发射的荧光，产生光电子。光电子受电场作用经聚焦极聚集后快速射向第一个次阴极，在电子冲击力撞击下产生较多的电子…X/Y位置线路为什么要定位？一个射线源闪烁事件会使γ相机内排列有序的众多光电倍增管输出幅度不等的电脉冲信号，靠近射线源的光电倍增管接受的光子最多，~7~输出的电脉冲最大。为了区分射线源闪烁事件发生的具体部位，就需要确定相对应的光电倍增管同时输出能量信号和位置信号。如何定位？γ相机的每个光电倍增管前置放大器的输出端连接与位置相关的权重电阻进行信号位置权重，再利用加、减法电路将所有经位置权重的信号总和，利用比分电路得出与放射事件相吻合的位置信号，这一组电路称为定位电路。每个光电倍增管前置放大器的输出端均与四个电阻相连接，各个光电倍增管的位置不同，其后连接的电阻阻值也不同。计算一个闪烁事件发生后，在PM矩阵的P8位置信号：X+＝0，X-＝40Y+＝Y-＝20Z＝0＋40＋20＋20＝80X＝（0－40）/80＝－0.5Y＝（20－20）/80＝0实际情况复杂的多，由于一个γ光子产生的闪烁事件，被PM矩阵中的多支PM接受，各自在输出端输出4个信号（X＋、X－、Y＋、Y－），但每个γ光子产生的闪烁事件，总符合公式：电脉冲信号分析器电脉冲信号分析器起到对脉冲信号筛选判断和高度分析的作用。因为来自放射性药物的信号会因其处于不同线性深度上的核素通过体层的厚度不同，形成的脉冲高度也有差别，当只需要某一层面的信息时，也应该将来自其它层面的信息剔除。对信号脉冲高度的筛选,1niXiViXniYiViY1niiYiVY1ZYYYYYYYniiXiVX1,1niXiViXZXXXXXXX~8~工作由甄别电路和反符合电路来完成。它们的电压V(甄别电压)的脉冲被输出：V的被拦截而不被输出。四、γ照相机性能（一）γ照相机灵敏度（二）视野（FOV）（三）分辨力灵敏度γ照相机灵敏度可以用它对单位放射性所能探测到并用于成像的光子数来表示。它很大程度上取决于准直器的设计。准直器：大多数照相机系统准直器可以更换，这可改变灵敏度，但是灵敏度最大的准直器同时也产生最大图像模糊。闪烁晶体厚度对探测效率有一定影响。厚晶体有助于得到较高的灵敏度，但是产生图像更模糊视野，γ照相机的视野是一个重要