医学影像设备学第章核医学成像设备.ppt

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1、医学影像医学影像设备学第章核医学成像学第章核医学成像设备重点难点重点难点v核医学成像设备的基本部件v准直器、晶体的基本结构、特点vSPECT的基本结构及工作原理vPET的基本结构及工作原理v双模式分子影像技术和设备第一节第一节第一节第一节 概概概概 述述述述 目录目录一、发展简史二、分类及应用特点核医学定义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。第一节第一节 概述概述核医学成像核医学成像是一种以脏器内外正常组

2、织与病变组织之间的放射性浓度差别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物放射性核素或其标记化合物引入体内，利用核医学成像仪器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。亦称为功能成像功能成像或代谢成像代谢成像，这是其他技术难以实现的。第一节第一节 概述概述第一节第一节 概述概述一、发展简史一、发展简史1950195019511951井型晶体闪烁计数器井型晶体闪烁计数器 闪烁扫描仪闪烁扫描仪197619761979197919571957照相机照相机PETPETSPECTSPECT20012001PET/CTPET/CTSPECT/CTSPECT/CT201

3、02010PET/MRPET/MR1951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 Landmark in the history of radionuclide imaging第一节第一节 概述概述Cassen and scanner(Cas

4、sen and scanner(扫描仪扫描仪)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 “CassenCassenCassenCassen award award award award”。第一节第一节 概述概述David KuhlDavid Kuhln1952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。n1959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

5、要方法。n1996年获得“Cassen award”，被称为 The Father of Emission TomographyThe Father of Emission Tomographyn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第一节第一节 概述概述Robert NewellRobert Newelln1952年Robert Newell发明了聚焦多孔准直器；n提出了NuclearNuclear 一词。第一节第一节 概述概述AngerAnger and and camera cameran1957

6、年Anger研制出第一台照相机，称之为 AngerAnger照相机照相机。n1963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。第一节第一节 概述概述二、分类及应用二、分类及应用扫描机扫描机 照相机照相机SPECTPET分子影像分子影像？StaticDynamicPlannerTomoFunctionalImagingMolecularFunctionalimaging21世纪世纪Fusion image第一节第一节 概述概述Crucial protein Cell structureDNA,RNA,Enzyme2C H 1V LV HCkC H 3H

7、CReceptor,TransporterSPECT/CT PET/CT PET/MRSPECT/CT PET/CT PET/MRFusion imageFusion image第一节第一节 概述概述（一）照相机n结构结构：闪烁探头、电子线路、显示记录装置以及一些附加设备。n优势优势：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。n已逐步被已逐步被SPECTSPECT以及之后的以及之后的SPECT/CTSPECT/CT所替代。所替代。大视野大视野一次快速成像一次快速成像第一节

8、第一节 概述概述（二）SPECTn结构：结构：在一台高性能高性能 照相机照相机的基础上增加了探头旋转装置探头旋转装置和图像重建的计算机软件系统图像重建的计算机软件系统。n优势：优势：n发现较小的病灶和深部病变，帮助定量分析。n在心肌血流灌注、脑血流灌注、骨盆显像、全身显像等方面比相机具有明显的优势。n兼有多种显像方式。n提高灵敏度，缩短断层采集的时间，提高图像质量。第一节第一节 概述概述（二）SPECT 不足：不足：n灵敏度低。n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固有

9、缺陷。n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。第一节第一节 概述概述（三）双探头符合线路SPECTn结构：结构：在常规双探头常规双探头SPECTSPECT上通过改进探头设计、电子线路、图像校正和图像重建等方面，实现对正电子核素探测的影像设备。双探头双探头SPECTSPECT符合探测外形图及原理示意图符合探测外形图及原理示意图第一节第一节 概述概述n优势：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兼顾常规低能核素显像与正电子核素显像（主要

10、是18F-FDG），有效完成PET所具有的部分部分临床诊断任务。n不足：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不如专用PETPET；进行18F-FDG显像的检查时间较长检查时间较长，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第一节第一节 概述概述（四）PETn结构：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。第一节第一节 概述概述（四）PETn优势：优势：n所用正电子放射性核素（如11C、13N、15O等）可参与人体的生理、生化代谢过程；半衰期比较短半衰期比较短。nPET对射线的限束是电子准直电子准直（

11、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。n衰减校正更准确。n可进行三维分布的“绝对”定量分析定量分析，远优于SPECT。核医学史上划时代的里程碑核医学史上划时代的里程碑第一节第一节 概述概述（五）动物核医学显像仪器n分类：分类：动物SPECT（micro-SPECT）和动物PET（micro-PET）。n特点：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究。对动物进行活体、定量检查，获得

12、活体内的动态信息，实验结果可直接类推至临床。第一节第一节 概述概述第二节第二节核医学成像设备核医学成像设备的基本部件的基本部件目录目录一、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探测器结构示意图示意图照相机的组成：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第

13、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核医学成像设备基本部件示意图n射线通过铅准直器孔道投射到晶体上；n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；n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闪烁荧光传输到各光电倍增管的示意图增管的示意图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定位电路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

14、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第二节核医学成像设备的基本部件光电倍增管工作原理光电倍增管工作原理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n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。n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

15、此事件的X、Y、Z信号。位置权重电阻矩位置权重电阻矩阵示意图阵示意图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二、准直器n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.灵敏度4.适用能量范围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第二节核医学成

16、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第二节核医学成像设

17、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

18、件孔数孔数（x1000个）个）准直器厚准直器厚度度(mm)孔壁厚孔壁厚度度(mm)孔径孔径(mm)距距10厘米处厘米处灵灵敏度敏度(cpm/uCi)几何分辨几何分辨率，率，10厘厘米处米处(mm)系统分辨率，系统分辨率，10厘米处厘米处(mm)透射透射率率低能高分辨低能高分辨准直器准直器(LEHR)14824.050.161.112026.47.51.5%低能通用准低能通用准直器直器(LEAP)9024.050.21.453308.39.41.9%低能超高分低能超高分辨准直器辨准直器(LEUHR)14635.80.131.161004.66.00.8%低能扇形准低能扇形准直器直器(LEFB)6

19、4350.161.532806.37.31.0%中能准直器中能准直器(ME)1440.641.142.9427510.812.51.2%高能准直器高能准直器(HE)859.72413513.213.43.5%心脏专用机心脏专用机准直器准直器4840.250.2-0.41.9285（10cm）810(28cm)6.957.4N/A某型某型准直器参数准直器参数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。

20、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。第三节第三节单光子发射型计算机断层扫描仪单光子发射型计算机断层扫描仪Single Photon Emission Computed TomographySingle Photon Emission Computed Tomography目录目录一、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

21、第三节第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪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 三探头第三节第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪单光子发射型计算机断层扫描仪二、探测器（一）探测原理n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。n传统SPECT实际上与相机的探测器相同。第三节第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪单光子发射型计算机断层扫描仪二、探测器（二）

22、技术进展n采用新型准直器（PMT）。n优势：n降低探头和SPECT机架整体的重量；n提高了SPECT系统分辨率和图像的信噪比；n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）。第三节第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪单光子发射型计算机断层扫描仪二、探测器（二）技术进展n采用碲锌镉（CdZnTe，CZT）半导体探测器。n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，形成的电荷脉冲经过前置放大变成电

23、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。第三节第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪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：n对射线探测具有极高的系统灵敏度。n可以直接将可以直接将 射线转化成电信号射线转化成电信号，具有更高的探测效率和能量分辨率（10 keV6 MeV）。n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。n高度集成化后可减轻整个SPECT设备探头的

24、重量。第三节第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪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。物理量传统结构（晶体+PMT）CZT半导体探测器有效原子数5049（平均）晶体密度/（g/cm3）3.675.78能量分辨率/（140keV）9%12%5%6%分辨率48mm2mm灵敏度高于传统技术810倍 基于基于CZTCZT探测器探测器SPECTSPECT的性能的性能心脏专用SPECT心脏专用心脏专用SPECTSPECTn探头是采用半环状（探头是采用半环状（180180）排列的）排列的CZTCZT半导体半导体探测器；探测器；n心肌断层显像时，探

25、头无需旋转，避免了运动心肌断层显像时，探头无需旋转，避免了运动伪影，提高了仪器的性能；伪影，提高了仪器的性能；n空间分辨率明显提高：空间分辨率明显提高：n固有空间分辨率由48mm提高到2.46mm；n能量分辨率由9.512提高到6.2。第三节第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪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乳腺专用 显像仪显像仪n探头是采用两个互成180的平板CZT半导体探测器构成；n采用99mTc-MIBI等为显像剂，对乳腺进行显像检查。第三节第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪单光子发射型计算机断层扫描仪第三节第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪单光子发射型计算机断层扫

26、描仪三、机架三、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n圆环型机架SPECT旋转机架的主要形式主要形式。n悬臂形机架。n悬吊式机架。n龙门型机架。第三节第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪单光子发射型计算机断层扫描仪三、机架三、机架（二）运动形式1.运动方式：n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断层采集；n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

27、廓红外探测扫描身体轮廓红外探测扫描；n探头沿自身中轴作顺时针和逆时针倾斜或直立运动，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。“轮廓跟踪技术轮廓跟踪技术”第三节第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪单光子发射型计算机断层扫描仪三、机架三、机架（三）功能n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；n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；n保障整个系统(探头、机架、检查床、采集

28、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机架运动的精确度和稳定性是SPECTSPECT质量控制的关键之一质量控制的关键之一第三节第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪单光子发射型计算机断层扫描仪三、机架三、机架（四）控制系统 受机架内定位控制系统定位控制系统的控制。n驱动马达控制电路；n位置信息存储器；n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。第三节第三节 单光子发射型计算机断层扫描仪单光子发射型计算机断层扫描仪四、检查床四、检查床（一）普通功能床升降

29、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（目前目前SPECT/CTSPECT/CT多采用多采用）可以一次进行多床位的数据采集，而无需人工干预无需人工干预。为适应旋转断层的需要，检查床的床板多由碳纤维碳纤维或铝质材料铝质材料制成，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2的效果，明显提高了诊断的准确性。第五节第五节 双模式分子影像技术和设备双模式分子影像技术和设备图像融合图像融合+PETPETCTCTPET/CTPET/CT第五节第五节 双模式分子影像技术和设备双模式分子影像技术和设备三、PET/MRIPET/MRI设备（一）PET/MRI PET/

30、MRI的基本结构（二）PET/MRI PET/MRI临床应用（三）PET/MRI PET/MRI优势第五节第五节 双模式分子影像技术和设备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n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。n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。n插入式结构：PET探测器置于MRI设备内。n全身一体化 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

31、MR检查。第五节第五节 双模式分子影像技术和设备双模式分子影像技术和设备PET/MR的四种模式和发展历程的四种模式和发展历程19972004200620092010+Image fusion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）一）PET/MRI PET/MRI 的基本结构的基本结构 2.PET光电倍增管(Photomultiplier tube,PMT)n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n雪崩光电倍增管(Avalanche photo-multiplier,AP

32、D)对磁场敏感度低，可以确保MR和PETPET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 第五节第五节 双模式分子影像技术和设备双模式分子影像技术和设备 （一）一）PET/MRI PET/MRI 的基本结构的基本结构3.PET/MRI 的衰减校正方法nMRI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n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

33、理 PET 图像进行衰减校正第五节第五节 双模式分子影像技术和设备双模式分子影像技术和设备源于源于MR数据的衰减校正数据的衰减校正优化衰减校正n 图源于磁共振数据，无需额外采集；n 基于磁共振分段及节段矫正方法；n 全身衰减校正；n 用户可自定义 图。第五节第五节 双模式分子影像技术和设备双模式分子影像技术和设备n空间分辨率和组织分辨度高n辐射剂量少n同步采集定位更准n运动伪影消除，对比度高等(二二)PET/MR)PET/MR的优势的优势第五节第五节 双模式分子影像技术和设备双模式分子影像技术和设备PET/CTPET/CT与与PET/MRPET/MR的比较：的比较：优优 势势劣劣 势势PET/CT1.空间分辨率高2.定位精确3.可提供精确的衰减校正图4.可进行TOF采集1.辐射损伤大2.序列化采集3.呼吸及其他运动对图像影响大PET/MR1.软组织分辨率高2.对比度好3.定位精确4.辐射剂量少1.目前无法进行PET的TOF采集2.采集时间相对较长MR LAVA-Flex Water image第五节第五节 双模式分子影像技术和设备双模式分子影像技术和设备小结小结v核医学成像设备的基本部件v准直器、晶体的基本结构、特点vSPECT/CT的基本结构，优势的基本结构，优势vPET/CT的基本结构，优势的基本结构，优势vPET/MR 的技术难点，融合模式，优势的技术难点，融合模式，优势