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1、医学影像设备学,第八章核医学影像设备,重点难点,核医学成像设备的基本部件准直器、晶体的基本结构、特点SPECT的基本结构及工作原理PET的基本结构及工作原理双模式分子影像技术和设备,第一节 概 述,目录,一、发展简史二、分类及应用特点,核医学定义核医学是研究核技术在医学中的应用及理论的学科。应用放射性核素或核射线诊断疾病、治疗疾病或进行医学研究的学科。核医学是医学与核物理学、核电子学、化学、生物学以及计算机技术等学科相结合的产物。 也是和平利用原子能的重要方面。,第一节 概述,核医学成像是一种以脏器内外正常组织与病变组织之间的放射性浓度差别为基础的脏器或病变的显像方法。将放射性核素或其标记化合
2、物引入体内，利用核医学成像仪器在体外探测体内放射性药物的分布并成像。亦称为功能成像或代谢成像，这是其他技术难以实现的。,第一节 概述,第一节 概述,一、发展简史,1951年，第一台闪烁扫描仪（Benedict Cassen）1957年，第一台照相机（Hal O Anger）1964年，商品化照相机1976年，第一台商业化PET（ECAT）1979年，第一台实用SPECT（ David Kuhl和Edwards ）1998年，SPECT/CT（美国GE公司）2000年，PET/CT（美国CTI公司）2010年，全身一体化PET/MR（德国西门子公司）,Landmark in the histor
3、y of radionuclide imaging,第一节 概述,Cassen and scanner(扫描仪),1951年美国加州大学的 Cassen研制出第一台闪烁扫描仪（Scintillation Scanner）；逐点打印方式获得器官的图像；促进了显像的发展；美国核医学会专门设立了 “Cassen award”。,第一节 概述,David Kuhl,1952年美国Pennsylvania大学一年级医学生David Kuhl设计了扫描机光点打印法。1959年用双探头扫描机进行断层扫描，并进一步研制和完善断层显像仪器，使得SPECT和PET成为核医学显像的主要方法。1996年获得“Cass
4、en award”，被称为 The Father of Emission Tomography可以认为，没有他的远见，核医学有可能不会发展成为具有特色的专业。,The father of emission tomography,第一节 概述,Robert Newell,1952年Robert Newell发明了聚焦多孔准直器；提出了Nuclear 一词。,第一节 概述,Anger and camera,1957年Anger研制出第一台照相机，称之为 Anger照相机。1963年在日内瓦原子能和平会议上展出。克服了逐点扫描打印的不足，使核医学显像走向现代化阶段。,第一节 概述,二、分类及应用,第
5、一节 概述,SPECT/CT PET/CT PET/MR,Fusion image,第一节 概述,（一）照相机结构：闪烁探头、电子线路、显示记录装置以及一些附加设备。优势：通过连续显像可进行脏器动态研究；检查时间相对较短，方便简单，特别适合儿童和危重病人检查；显像迅速，便于多体位、多部位观察；通过图像处理，可获得有助于诊断的数据或参数。已逐步被SPECT以及之后的SPECT/CT所替代。,大视野一次快速成像,第一节 概述,（二）SPECT结构：在一台高性能照相机的基础上增加了探头旋转装置和图像重建的计算机软件系统。优势：发现较小的病灶和深部病变，帮助定量分析。在心肌血流灌注、脑血流灌注、骨盆显
6、像、全身显像等方面比相机具有明显的优势。兼有多种显像方式。提高灵敏度，缩短断层采集的时间，提高图像质量。,第一节 概述,（二）SPECT 不足：灵敏度低。衰减及散射影响较大：体内发射的光子碰到高密度物质(例如骨、准直孔边缘等)发生的散射同样也会使正常图像叠加上一幅完全不均匀的伪像。这一直是发射显像明显存在的固有缺陷。重建图像的空间分辨率低：固有空间分辨率为 34mm半高宽度（full width at half maximum，FWHM），重建图像固有空间分辨率为 68mm。,第一节 概述,（三）双探头符合线路SPECT结构：在常规双探头SPECT上通过改进探头设计、电子线路、图像校正和图像重
7、建等方面，实现对正电子核素探测的影像设备。,双探头SPECT符合探测外形图及原理示意图,第一节 概述,优势：其在保证探测灵敏度和分辨率的前提下，兼顾常规低能核素显像与正电子核素显像（主要是18F-FDG），有效完成PET所具有的部分临床诊断任务。不足：空间分辨率、灵敏度、图像对比度和进行动态显像的能力显然不如专用PET；进行18F-FDG显像的检查时间较长，无法使用超短半衰期正电子核素（11C和15O等）。,（三）双探头符合线路SPECT,第一节 概述,（四）PET结构：探测器和电子学线路、扫描机架和同步检查床、计算机及其辅助设备。,第一节 概述,（四）PET优势：所用正电子放射性核素（如11
8、C、13N、15O等）可参与人体的生理、生化代谢过程；半衰期比较短。PET对射线的限束是电子准直（Electronic Collimator），其灵敏度比SPECT高10100倍；改善了分辨率（可达4mm），图像清晰，诊断准确率高。衰减校正更准确。可进行三维分布的“绝对”定量分析，远优于SPECT。,核医学史上划时代的里程碑,第一节 概述,（五）动物核医学显像仪器分类：动物SPECT（micro-SPECT）和动物PET（micro-PET）。特点：设计及工作原理与临床SPECT和PET设备一样。应用对象：实验动物。具有更高的灵敏度和空间分辨率。目前主要应用于药物研发和疾病研究等生物医学基础研
9、究。对动物进行活体、定量检查，获得活体内的动态信息，实验结果可直接类推至临床。,第一节 概述,第二节核医学成像设备的基本部件,目录,一、基本结构与工作原理二、准直器三、闪烁晶体,第二节核医学成像设备的基本部件,一、基本结构与工作原理准直器闪烁晶体光电倍增管 放射性探测器前置放大器定位电路显示记录装置机械支架和床,探测器结构示意图,照相机的组成：准直器（collimator）闪烁晶体光电倍增管（PMT）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,第二节核医学成像设备的基本部件,第二节核医学成像设备的基本部件,核医学成像设备基本部件示意图,射线通过铅准直器孔道投
10、射到晶体上；晶体产生的闪烁荧光可同时经光导传输到所有的光电倍增管上，靠近荧光点的光电倍增管接收到的光子多，输出的电脉冲幅度大；晶体中发生一个闪烁事件就会使排列有序的光电倍增管阳极输出众多的幅度不等的电脉冲信号，对这些信号经过权重处理，就可得到这一闪烁事件的位置信号P。,闪烁荧光传输到各光电倍增管的示意图,第二节核医学成像设备的基本部件,定位电路在每个光电倍增管的输出端加一个与位置有关的权重电阻或权重延迟线，每个管输出的信号进行位置权重，再利用加法电路和减法电路将所有经过的位置权重的信号总和，利用比分电路得出这一事件将有的位置信号P。,第二节核医学成像设备的基本部件,光电倍增管工作原理,第二节核
11、医学成像设备的基本部件,每一个光电倍增管都与4个电阻相连接，各电阻的阻值根据管的位置不同而异。任何闪烁事件发生在晶体的某个部位，相对应的光电倍增管通过位置权重电阻矩阵就会输出特有的位置信号和能量信号。每一个管都输出经过位置权重的X+、X、Y+和Y值，最后需由加法电路将各管的输出值按X+、X、Y+和Y分别总和起来而给出此事件的X、Y、Z信号。,位置权重电阻矩阵示意图,第二节核医学成像设备的基本部件,二、准直器安置在晶体前方的一种特制屏蔽，使非规定范围和非规定方向的射线不得入射晶体，起定位采集信息的作用。,第二节核医学成像设备的基本部件,（一）准直器的主要性能参数1. 几何参数2.空间分辨率3.灵
12、敏度4. 适用能量范围,第二节核医学成像设备的基本部件,1. 几何参数包括孔数、孔径、孔长、孔间壁厚度，它们决定准直器的空间分辨率、灵敏度和适用能量范围等性能参数。,准直器结构示意图,第二节核医学成像设备的基本部件,2.空间分辨率对两个邻近点源加以区别的能力，通常以准直器一个孔的线源响应曲线的FWHM作为分辨率（R）的指标，R越小表示空间分辨率越好。空间分辨率随被测物与准直器外口距离的增加而减低（因此，显像时应尽量将探头贴近受检者体表）。准直器孔径越小，分辨率越好。准直器越厚，分辨率也越高。,第二节核医学成像设备的基本部件,3.灵敏度灵敏度（S）为配置该准直器的探头实测单位活度（如1MBq）的
13、计数率（计数s） S=106feEf为所测射线的丰度e为光电子峰探测效率E为准直器几何效率此公式中未考虑射线在被检物体内的衰减。,第二节核医学成像设备的基本部件,4. 适用能量范围主要由孔长及孔间壁厚度决定。高能准直器孔更长，孔间壁也更厚。厚度0.3mm左右者适用于低能（150keV）射线探测1.5mm左右者适用于中能（150keV350keV）射线探测2.0mm左右者适用于高能（350keV）射线探测,第二节核医学成像设备的基本部件,（二）准直器的类型1.按几何形状：针孔型、平行孔型、扩散型、会聚型2.按适用的射线能量：低能、中能、高能准直器3.按灵敏度和分辨率：高灵敏型、高分辨型、通用型,
14、准直器类型,第二节核医学成像设备的基本部件,第二节核医学成像设备的基本部件,某型准直器参数,第二节核医学成像设备的基本部件,三、闪烁晶体闪烁晶体是将射线或X射线转变为可见光的物质。射入NaI:Tl闪烁晶体的射线在闪烁晶体内与NaI:Tl晶体发生光电效应和康普顿散射，这时射线失去能量，发出近似紫色的闪烁光。NaI:Tl闪烁晶体是在NaI中掺入微量的Tl而形成的晶体；原子量大，对射线吸收效率高，能制成大型晶体。NaI:Tl闪烁晶体不耐急剧变化的温度，1小时内3的环境温度变化即可使其破损（将此称为潮解性）。NaI:Tl晶体的厚度一旦增加，其吸收射线的灵敏度也会升高，但分辨率会下降。,第三节单光子发射
15、型计算机断层扫描仪,Single Photon Emission Computed Tomography,目录,一、基本结构与工作原理二、探测器三、机架四、检查床五、控制台和计算机六、外围设备,第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪,一、基本结构与工作原理（一）基本结构探测器（探头）、旋转机架、检查床、图像采集控制台和图像处理的计算机工作站以及外围辅助设备。（二）工作原理 多探头型（亦称扫描机型）和照相机型。,单探头 双探头 三探头,第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪,二、探测器（一）探测原理由准直器、NaI（Tl）闪烁晶体、光电倍增管（PMT）、前置放大器和计算电路等组成。传统SPECT实际
16、上与相机的探测器相同。,第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪,二、探测器（二）技术进展采用新型准直器（PMT）。优势：降低探头和SPECT机架整体的重量；提高了SPECT系统分辨率和图像的信噪比；在SPECT探测器整体性能提高的基础上，大幅提高分辨率：如配置LEHR准直器后SPECT系统分辨率可达到7.5mm（使用NEMA推荐的重建方法）。,第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪,二、探测器（二）技术进展采用碲锌镉（CdZnTe，CZT）半导体探测器。原理：当具有电离能力的射线和CZT晶体作用时，晶体内部产生电子和空穴对，并且数量和入射光子的数量成正比。带负电的电子和带正电的空穴朝不同的电极运动
17、，形成的电荷脉冲经过前置放大变成电压脉冲，其强度与入射光子的能量呈正比。前置放大输出的信号经过后续电路处理，然后进行图像重建。,第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪,二、探测器（二）技术进展CZT半导体探测器的优势：对射线探测具有极高的系统灵敏度。可以直接将射线转化成电信号，具有更高的探测效率和能量分辨率（10 keV6 MeV）。采用较厚的CZT晶体阵列（至少6mm）和小尺寸像素面元电极设计的面元阵列探测器，能同时得到好的能谱特性和高的空间分辨率，提高系统灵敏度从而减少放射性示踪剂的用量，缩短扫描时间，提高图像信噪比。高度集成化后可减轻整个SPECT设备探头的重量。,第三节 单光子发射型计算
18、机断层扫描仪,二、探测器（二）技术进展采用碲锌镉（CdZnTe，CZT）半导体探测器。,基于CZT探测器SPECT的性能,心脏专用SPECT,心脏专用SPECT探头是采用半环状（180）排列的CZT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；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。,第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪,乳腺专用显像仪,乳腺专用显像仪探头是采用两个互成180的平板CZT半导体探测器构成；采用99mTc-MIBI等为显像剂，对乳腺进行显像检查。,第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪,第三
19、节 单光子发射型计算机断层扫描仪,三、机架由机械运动组件、机架运动控制电路、电源保障系统、机架手控盒及其运动状态显示器、实时监视器等组成。（一）旋转结构圆环型机架SPECT旋转机架的主要形式。悬臂形机架。悬吊式机架。龙门型机架。,第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪,三、机架（二）运动形式1.运动方式：探头及其悬臂以机架机械旋转轴为中心，作顺时针或逆时针的圆周或椭圆或人体轮廓的运动，检查床与导轨垂直，主要适用于断层采集；探头及其悬臂沿圆周运动，半径方向作向心或离心直线运动，可以使探头在采集数据时尽可能贴近病人，缩短旋转半径，提高空间分辨率，也称身体轮廓红外探测扫描；探头沿自身中轴作顺时针和逆时
20、针倾斜或直立运动，主要适用于双探头呈90o方式进行180o心肌血流灌注断层显像或兼顾双探头时的质量控制的数据采集中。2.控制方式：手动和自动。,“轮廓跟踪技术”,第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪,三、机架（三）功能根据操作控制命令，完成不同采集条件所需要的机架的各种运动；把心电R波触发信号以及探头的位置信号、角度信号等通过模数转换器(analog-digital converter，ADC)传输给计算机，并接受计算机控制进行各种动作；保障整个系统(探头、机架、检查床、采集计算机及其辅助设备等)的供电，提供稳定的各种规格的高低压电源。,机架运动的精确度和稳定性是SPECT质量控制的关键之一,
21、第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪,三、机架（四）控制系统 受机架内定位控制系统的控制。驱动马达控制电路；位置信息存储器；定位处理器：实际上是一个微型计算机，是控制探头及机架转动的角度、移动的距离及识别位置。其受主计算机的控制，并将各种定位数据传输给主计算机。,第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪,四、检查床（一）普通功能床升降可以手动或自动完成，但前进和后退必须手动完成。（二）多功能床（目前SPECT/CT多采用）可以一次进行多床位的数据采集，而无需人工干预。为适应旋转断层的需要，检查床的床板多由碳纤维或铝质材料制成，具有重量轻、硬度大，韧性高，对射线的衰减少等特点（要求对射线的衰减5%）
22、，可承担200kg以上的重量。,第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪,五、控制台和计算机（一）采集工作站基本信息的录入：数据采集：采集模式：静态模式采集（static mode acquisition）；动态模式采集（dynamic mode acquisition）；门控模式采集（gated mode acquisition）；断层模式采集（tomography mode acquisition）；门控断层模式采集（gated tomography mode acquisition）；全身采集（whole body acquisition）。采集数据管理：SPECT的质量控制和各种校正：能量
23、、线性、均匀性和旋转中心校正图实时校正采集数据。,其他：断层均匀性、空间分辨率、断层厚度、断层灵敏度等,9,SPECT的质量控制和性能评价,第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪,第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪,五、控制台和计算机（二）处理工作站手工处理规程：感兴趣区（region of interest，ROI）的勾画等。临床处理规程：心肌血流灌注断层、肺通气灌注、全身骨、肾动态显像的常规处理软件等。数据库维护：数据的导入、导出、查询等。,在核医学影像诊断中具有重要作用。,第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪,六、外围设备（一） ECG触发器（二）多功能运动踏车功量仪（三）肺通气专用雾化
24、器（四）打印机（五）各种质量控制模型线性模型、四象限铅栅模型、SLIT铅栅模型、系统灵敏度测试面源以及PECT/PET断层模型等。,SPECT-PET断层模型（Model 76-823）,四象限铅栅模型,第四节正电子发射型计算机断层扫描仪,目录,一、基本结构与工作原理二、探测器三、机架四、计算机和网络系统,第四节正电子发射型计算机断层扫描仪,正电子发射体发射出的正电子（）在极短时间内与其临近的电子（）发生碰撞而发生湮没辐射，即在二者湮没的同时，产生两个方向相反的能量皆为511keV的光子。两个相对的闪烁探头加符合电路组成湮没符合探测装置。上述两个方向相反的光子可以同时分别进入这两个探头，通过符
25、合电路形成一个Z信号，而被探测到。,湮没符合探测,R,PMT,PMT,COINCIDENCE,PROCESSING,DETECTOR,RING,符合探测装置示意图,CoincidenceProcessor,Data Sorting,Histogram,Image ReconComputer,Images,第四节正电子发射型计算机断层扫描仪,第四节正电子发射型计算机断层扫描仪,PET与照相机和SPECT相比具有以下优点：不需要准直器检测灵敏度高本底小，分辨率好易于吸收校正可正确定量,第四节正电子发射型计算机断层扫描仪,二、探测器探测器是PET设备的核心部分，它由闪烁晶体、光电倍增管和高压电源组成
26、。探测器的性能优劣直接影响PET的整体性能好坏。晶体是组成探测器的关键部件之一，其主要作用是能量转换，即将高能光子转换为可见光子，再由光电倍增管将光信号转换为电信号，再经一系列电子线路系统完成记录。目前有锗酸铋（BGO）及硅酸镥（LSO）等晶体。,第四节正电子发射型计算机断层扫描仪,性能优良的探测器需满足以下几点要求：高探测效率高的空间分辨率高可靠性和稳定性短分辨时间,第四节正电子发射型计算机断层扫描仪,三、机架机架主要用来固定探测器及让探测器在其上以某种方式运动，根据探测器在机架上排列的阵列形状，机架的中心孔可以是六角形或圆形的。按探测器在机架上的排列形状和运动方式，PET可分：固定型旋转型
27、旋转平移型摆动旋转型,四、计算机和网络系统计算机是PET的重要组件，它控制所有的硬件设备，采集和组织数据，执行各种误差校正，重建断层图像，对图像进行处理和分析，显示图像和有关信息。PET的核心软件还包括数据库管理及操作、图像显示、图像硬拷贝及文件存档、文件格式转换及网络传输等。,第四节正电子发射型计算机断层扫描仪,第五节双模式分子影像技术和设备,目录,一、SPECT/CT设备二、PET/CT设备三、PET/MRI设备,SPECT/CT PET/CT PET/MR,多模式融合影像技术,一、SPECT/CT设备（一）SPECT/CT的基本结构 （二）SPECT/CT的优势,第五节 双模式分子影像技
28、术和设备,（一）SPECT/CT的基本结构 机架：SPECT/CT是将SPECT和CT两种设备安装在 同一个机架衰减校正：CT图像提供的解剖结构信息可以用于对SPECT图像进行衰减校正两种融合方式：一个是配置低剂量CT的SPECT/CT另一个发展方向是配置具有诊断价值CT 的 SPECT/DCT,第五节 双模式分子影像技术和设备,（二）SPECT/CT的优势提高了影像诊断的准确性可以进行半定量分析 实现了个性化的诊断CT扫描，提升医学影像检查的效价比,第五节 双模式分子影像技术和设备,二、PET/CT设备（一）PET/CT的基本结构（二）PET/CT优势,第五节 双模式分子影像技术和设备,（一
29、） PET/CT的基本结构探测器：PET/CT探头还是由分离的PET探头和CT探头组成，CT探头在前，PET探头在后。扫描系统：将PET和螺旋CT整合在一台机器中，通过一个较长的检查床将两个相对独立的、共轴的设备单元相连接，两个设备单元将保持一个合理的距离，以避免电磁干扰。两套系统可各自独立使用或联合使用，一次扫描可获得PET、CT及PET与CT的融合图像，达到了取长补短、信息互补的目的 。,第五节 双模式分子影像技术和设备,（二） PET/CT的优势优势融合：一次扫描过程中，实现功能与结构图像的同机融合。可以显示病变部位的病理生理变化及形态结构，产生了1+12的效果，明显提高了诊断的准确性。
30、,第五节 双模式分子影像技术和设备,图像融合,+,PET,CT,PET/CT,第五节 双模式分子影像技术和设备,三、PET/MRI设备（一） PET/MRI的基本结构 （二） PET/MRI临床应用（三） PET/MRI优势,第五节 双模式分子影像技术和设备,（一）PET/MRI的基本结构1. PET/MRI 的四种模式分离式结构：PET和MRI并列放置于两房间，MR和PET之间使用一个公共转运床“穿梭系统” 转运患者，将获得的图像进行软件融合。串联式结构：PET与MRI 按一定顺序排列放置，类似于PET/CT中的串联式结构，采用分步采集数据的方法。插入式结构：PET探测器置于MRI设备内。全
31、身一体化 PET/MR：将PET和MR有机组合在同一个机架内，一次扫描即可同时完成全身PET和MR检查。,第五节 双模式分子影像技术和设备,PET/MR的四种模式和发展历程,分离的PET+MR,分体的PET+MR,一体化PET/MR （小晶体）,一体化PET/MR （大晶体）,（一）PET/MRI 的基本结构 2. PET光电倍增管 (Photomultiplier tube, PMT)传统PET光电倍增管： MRI 磁场可改变电子运行轨迹进而造成探测电子损失，因此PMT无法在磁场中正常运行雪崩光电倍增管 (Avalanche photo-multiplier, APD) 对磁场敏感度低，可以
32、确保MR和PET之间互不干扰，PET的定量准确度不受PET探测器的物理性能和发热的影响，更能发挥PET/MR多参数的成像优势,第五节 双模式分子影像技术和设备,（一）PET/MRI 的基本结构3. PET/MRI 的衰减校正方法MRI反映的是质子弛豫时间和密度的分布，无法直接得到物体的衰减图，如何利用MRI得到物体的衰减图成为PET/MRI系统的关键技术，目前在PET/MRI系统中，需通过间接计算法进行衰减校正目前主要研究方法有四种：组织分类法，图谱配准法，透射扫描法和发射数据重建法，通过特殊算法直接处理 PET 图像进行衰减校正,第五节 双模式分子影像技术和设备,源于MR数据的衰减校正,优化衰减校正 图源于磁共振数据，无需额外采集； 基于磁共振分段及节段矫正方法； 全身衰减校正； 用户可自定义 图。,第五节 双模式分子影像技术和设备,空间分辨率和组织分辨度高辐射剂量少同步采集定位更准运动伪影消除，对比度高等,(二)PET/MR的优势,第五节 双模式分子影像技术和设备,PET/CT与PET/MR的比较：,MR LAVA-Flex Water image,第五节 双模式分子影像技术和设备,小结,核医学成像设备的基本部件准直器、晶体的基本结构、特点SPECT/CT的基本结构，优势PET/CT的基本结构，优势PET/MR 的技术难点，融合模式，优势,
