核醫(yī)學大型設備上崗證技師培訓講解.ppt

核醫(yī)學大型設備上崗證技師培訓 核醫(yī)學儀器設備,中國醫(yī)學科學院腫瘤醫(yī)院核醫(yī)學科 耿建華,核醫(yī)學儀器設備按用途分類,計量儀器 活度計 輻射防護 測污儀、環(huán)境監(jiān)測、個人劑量儀 體外樣品測定儀器 計數器、液閃儀、放免儀 非顯像測定儀器 甲狀腺功能測定儀、腎功能儀、探針 顯像設備 相機、SPECT、PET 放藥生產及質控設備 回旋加速器、藥物合成儀、薄層掃描儀、高壓液相儀,探測儀器基本構成原理,基本構成由三部分組成 探頭 將射線的輻射能轉變?yōu)殡娦盘?電子線路部分 對探頭輸出的電信號進行處理（如信號放大、能量甄別，信號定位、時間符合、各種校正等） 各種附加部件 輔助作用，按不同的檢測目的而配備（如床、計算機、自動控制系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)和儲存系統(tǒng)等）,SPECT與相機,SPECT（single photon emission computed tomography)由相機旋轉構成，核心部件為相機。 獲得平面、斷層 、全身圖像。具有相機的所有功能，其性能高于普通相機。 在很多臨床應用中，SPECT只應用了其相機的功能， 相機逐漸被SPECT取代,SPECT與相機系統(tǒng),硬件系統(tǒng) 探頭、電子線路部分、機架、掃描床及計算機 軟件系統(tǒng) 采集軟件、校正軟件、圖像處理軟件及顯示軟件等,SPECT與相機探頭,準直器 晶體NaI(Tl) 光電倍增管(PMT),準直器,構成: 由單孔或多孔的鉛合金制作成 功能：讓一定方向入射的射線通過，吸收其它方向入射的射線，按照一定規(guī)律把放射性核素的分布投影到照相機探頭的晶體上。,準直器的主要性能參數,空間分辨率：區(qū)別兩個鄰近點源的能力，以點源或線源響應曲線的半高寬度（FWHM）表征準直器的空間分辨率 半高寬度越小，表示空間分辨率越好 幾何參數決定分辨率,幾何參數：孔數、孔徑、孔長及孔間壁厚度,靈敏度：準直器對光子的通過率 -幾何參數決定分辨率 適用能量范圍：由孔長和孔間壁厚度決定 高能準直器孔長，孔間壁厚,準直器分類,從形狀分類 平行孔型 發(fā)散孔型 針孔型 聚焦型,準直器,平行孔準直器,分辨率: 準直孔越小，準直器越厚(孔長越長），探頭距病人距離越近，分辨率越高 靈敏度: 準直孔越大，準直器越薄(孔長越短），孔間壁越小，靈敏度越高。與被顯像物與準直器間距無關 分辨率靈敏度,平行孔準直器,晶 體,功能：把高能的光子轉換成可見閃爍光 射線入射到晶體上， 射線與晶體原子相互作用 光電效應 康普頓散射 使晶體原子激發(fā)。 退激回到基態(tài)，發(fā)射熒光（閃爍光 ）410nm 一個光子產生多個熒光光子。 閃爍晶體(scintillating crystal)，閃爍成像(scintillating imaging),晶體,NaI 晶體厚度： 厚度分辨率，靈敏度? 厚度分辨率，靈敏度 2/8 (6.35mm ) 低能單光子成像 3/8 (9.525mm ) 低能單光子成像 5/8 (15.875mm) 兼顧低能、高能單光子及符合成像 8/8 (25.4mm ) 兼顧低能、高能單光子及符合成像 NaI 晶體大小 30cm30cm-50cm60cm,光電倍增管,功能：把晶體產生的閃爍光信號轉換成電信號并將之放大。 光電倍增管由光陰極、電子聚焦系統(tǒng)、多級倍增極和陽極組成： 熒光光陰極光電子倍增極二次發(fā)射電子倍增極倍增級 光電倍增管接收閃爍光的表面形狀有圓形、六角形及方形等 光電倍增管數量依據探頭尺寸，從十幾個到上百個 光電倍增管的數量越多，空間分辨率越高,光電倍增管,光電倍增管的輸出分為兩路 位置電路：X、Y定位信號 能量電路：能量總和、甄別,SPECT與相機的電路,放大 位置電路 能量電路 各種校正 ,位置電路和能量電路,位置電路 光電倍增管接收光強Ii，根據位置，權重為 Xi和Yi ，輸出幅度分別為： XiIi 和YiIi 能量電路 輸出信號幅度為全部光電倍增管探測到的光強度之合Ii，Z信號（總和電路），代表了射線的能量，將之輸入到PHA，進行能量甄別，在能窗內，記錄 閃爍光的位置：,X、Y的數值不受射線能量大小的影響，圖像的大小與射線的能量無關,脈沖幅度分析器（pulse height analyzer，PHA）,功能：甄別能量，選擇一定能量范圍，剔除散射、噪聲 總和電路輸出幅度為 的脈沖信號，由脈沖幅度分析器（PHA）分析，使?jié)M足設定能窗的光子被記錄，剔除低能光子（例如，散射光子）及高能光子。 對99mTc發(fā)出的140keV，能窗為10%，只記錄能量為126154 keV的光子。經放大的電脈沖幅度入射射線能量 單道脈沖分析器-單能窗 多道脈沖分析器-多能窗 ，,SPECT與相機框圖,SPECT與相機,SPECT與相機的機架與掃描床 相機的機架：固定支撐探頭 SPECT機架：還提供使探頭繞掃描床旋轉的功能 相機通常沒有專用的掃描床 SPECT配有專用的掃描床，掃描時，掃描床可移動，獲得全身圖像。 計算機 SPECT或相機的工作站 功能：控制SPECT或相機的采集、處理、存儲及顯示圖像 SPECT的斷層圖像需重建及各種校正軟件，并需要更大圖像存儲空間，因此要求更高配置的計算機,SPECT與相機工作原理概述,將特定放射性藥物注入患者體內 一定的時間后,放射性藥物在體內達到顯像的要求，開始進行相機或SPECT成像 從人體中發(fā)射出的光子首先到達準直器，準直器限制入射光子的方向，只允許與準直器孔方向相同的光子透過，以便于光子定位 到達晶體的光子與晶體相互作用，被晶體吸收并產生多個閃爍光子 閃爍光經過光導被各個光電倍增管接收。光電倍增管將閃爍光轉變成電脈沖信號 該電脈沖信號經過特殊位置電路定位、能量電路甄別被記錄，成為一個計數 成像裝置記錄大量的閃爍光點，經過處理、校正，形成一幅人體放射性濃度分布圖像，即為一幅相機圖像或SPECT平面圖像。,SPECT斷層成像工作原理概述,旋轉采集 探頭圍繞患者旋轉 投影圖像 根據需要在預定時間內采集360度或180度范圍內不同角度處的平面圖像，任一角度處的平面圖像稱為投影圖像（projection image）。 重建 利用多幅投影圖像，通過數據處理、校正、圖像重建獲得體內斷層圖像，即SPECT斷層圖像。 重建算法 濾波反投影法 迭代法,SPECT與相機,相機探頭繞人體旋轉SPECT SPECT與照相機相同 SPECT探頭與相機探頭結構原理相同 SPECT具備相機的功能 SPECT與照相機不同 SPECT性能（均勻性、線性、穩(wěn)定性）優(yōu)于相機 SPECT探頭繞人體旋轉，圖像重建SPECT斷層圖像 SPECT可獲得斷層圖像、全身平面圖像及局部平面圖像 相機只能獲得局部平面圖像 SPECT要求高配置工作站 SPECT機架及掃描床比相機復雜,SPECT基本結構,SPECT斷層圖像校正,衰減校正 散射校正,衰減校正（attenuation correction，AC）,光子在人體內的衰減造成SPECT重建斷層圖像 “中空”或稱“熱邊”現象，使深部計數減低，圖像失真 需要衰減校正,衰減,I=I0e-d,衰減校正,軟件校正 用某種算法，在圖像重建前或后或重建中，進行校正。 假設成像的組織器官是均勻的，非均勻衰減的校正效果不理想 透射掃描校正法 用放射源或CT投射掃描獲得成像組織衰減的分布，即衰減圖。利用衰減圖在圖像重建過程中進行衰建校正。 對于非均勻衰減的情況能校正出較為理想的重建圖像 用X-CT獲取透射投影，由于X光和光子的能譜不同，人體組織對它們的衰減系數是不一樣的，所以X-CT測量出的衰減系數值需要修正后才能用來校正。(Xray for Attenuation),散射校正 (scattering correction),射線在患者體內及晶體內行進的過程中，與體內組織及晶體相互作用發(fā)生康普頓散射 散射使光子能量損失，且運動方向發(fā)生偏移，使位置信息產生偏差，造成混淆和假計數，使圖像變模糊，分辨率下降。本底計數提高，造成不均勻的本底噪聲，降低了圖像的對比度，可使小病灶淹沒在本底中。,散射校正,散射校正基本原理 估計散射光子對成像的貢獻 將其從投影數據或重建圖像中減掉散射成分,SPECT和相機性能指標,SPECT性能 探頭性能（平面圖像性能）相機性能指標 反映平面圖像的質量 斷層性能指標 反映斷層圖像的質量 全身掃描性能 反映全身掃描圖像的質量,SPECT探頭和相機性能指標,固有（intrinsic）性能:卸下準直器 與準直器性能無關 系統(tǒng) （ system ）性能: 安裝準直器 與準直器性能有關,SPECT探頭和相機性能指標,有效視野（useful field of view，UFOV） 探頭尺寸的95% 中心視野（central field of view，CFOV） UFOV的75%,SPECT和相機性能指標,1.空間分辨率 2. 空間線性 3. 能量分辨率 4. 均勻性 5. 多窗空間配準度 6. 計數率特征 7. 靈敏度 8. 探頭屏蔽性能,空間分辨率（spatial resolution）,反映能分辨兩點間最小距離 用點源、線源擴展函數半高寬、十分之一高寬表示,空間分辨率,半高寬(full width at half maximum, FWHM） 十分之一高寬(full width at tenth maximum,FWTM),空間分辨率（spatial resolution）,固有分辨率（intrinsic spatial resolution） 晶體、光電倍增管的性能及能窗等采集條件 系統(tǒng)分辨率(system spatial resolution ) 固有分辨率及準直器的分辨率決定,空間線性（spatial linearity）,描述圖像的位置畸變程度 絕對線性（absolute linearity） X及Y方向的線擴展函數峰值偏離距離 微分線性（differential linearity） X及Y方向的線擴展函數峰值偏離距離的標準差 線性值越小，其線性越好。,固有能量分辨率 （intrinsic energy resolution）,描述探頭對射線能量的辨別能力 用光電峰的半高寬與峰值處能量的百分比表示,能量分辨率（%） =（EFWHM /E0）100%,固有能量分辨率測試,點源：5FOV Daily QC,均勻性（uniformity）,描述相機探頭對一均勻泛源的響應 積分均勻性（integral uniformity， Ui） 探頭視野內的均勻性 微分均勻性(differential uniformity,Ud) X方向及Y方向相鄰5個像素間均勻性 探頭UFOV視野中的均勻性 探頭CFOV視野中的均勻性,多窗空間配準度 （multiple window spatial registration）,描述不同能窗成像時，相機對不同能量光子的定位能力 用不同能窗時一點源的圖像在X及Y方向上的最大位移表示。 67Ga源： 93keV 300keV 184keV,計數率特征 （count rate performance）,描述計數率隨活度的變化特征 最大觀察計數率 20%丟失時觀察計數率 觀察計數率隨活度的變化曲線,靈敏度(sensitivity),描述探頭對源的響應能力 系統(tǒng)平面靈敏度 探頭對平行于該探頭放置的特定平面源的靈敏度 與準直器的類型、晶體厚度、窗寬、源的種類及形狀有關 與源距準直器的距離無關 單位活度在單位時間內的計數 單位：counts/(minMBq)、counts/(sMBq)、或counts/(minCi),探頭屏蔽性能(shield leakage),描述探頭對視野之外源的屏蔽能力 對患者本身FOV之外放射性的屏蔽 用點源（點源與探頭平面的垂直距離為20cm）在距探頭FOV邊緣前后10、20、30cm的最大屏蔽計數與在FOV中心處計數率的百分比表示。 對周圍環(huán)境放射性的屏蔽 將點源置于距地面1m，距探頭兩側及前后2m處。用探頭分別朝上、下、左、右時的計數率與FOV中心處計數率的百分比表示 屏蔽泄漏=最大屏蔽計數率/FOV中心計數率100%,SPECT斷層性能,斷層均勻性 斷層空間分辨率 旋轉中心 斷層對比度 斷層靈敏度和總靈敏度,全身掃描性能指標,全身掃描空間分辨率 全身掃描系統(tǒng)均勻性,全身掃描空間分辨率測試,平行于運動方向的分辨率 垂直于運動方向線源的擴展函數的半高寬（FWHM）及十分之一高寬（FWTM）,全身掃描空間分辨率測試,垂直于運動方向的分辨率 平行于運動方向線源的擴展函數的半高寬（FWHM）及十分之一高寬（FWTM）,全身掃描空間分辨率,全身掃描空間分辨率影響因素： 探頭性能 系統(tǒng)的機械性能 機械精度 掃描速度 軟件,全身掃描系統(tǒng)均勻性,描述全身掃描圖像的均勻性 影響因素 探頭的均勻性 準直器的均勻性 機械驅動裝置 系統(tǒng)校正 ,設備質量控制 quality control, QC,對設備進行的一些專門的測試 特定的標準 NEMA (National Electrical Manufacturers Association) IEC (International Electrotechnical Commission ) IAEA (International Atomic Energy Agency) 國家標準 廠家提供的標準,質量控制內容,常規(guī)質控 routine tests, routine QC 驗收質控 acceptance tests, acceptance QC 參考質控 reference tests, reference QC,常規(guī)測試,日常定期對設備進行的性能測試 日質控（daily QC） 周質控（Weekly QC） 月質控（monthly QC） 年質控（yearly QC）等 （廠家提供專用測試程序） 目的： 確保設備工作在最佳狀態(tài) 及時發(fā)現設備性能降低程度,驗收測試,設備安裝后對設備進行的全面性能測試 目的：確保設備達到廠家標定的技術及操作性能。 必須嚴格按照標準 NEMA IEC 國家標準,參考測試,對設備性能進行全面測試，提供全面性能指標的參考數據，評估設備性能 驗收測試結果可作為一段時間內的參考測試 何時進行： 設備出現較大故障及大修或調試后 當機器搬遷到新址時 測試標準：驗收測試標準,SPECT/CT,SPECT/CT特點 硬件同機 將CT的X線球管和探測器安裝在SPECT系統(tǒng)的旋轉機架上，使病人可同機進行CT和SPECT檢查。 同機圖像融合 一次擺位獲得CT圖像和SPECT圖像，實現同機CT圖像與SPECT圖像的融合。同機融合對位準確，可獲得精確的融合圖像。 在不同的時間、不同的空間進行SPECT和CT掃描,SPECT/CT,SPECT/CT中CT的作用 提供SPECT 圖像的衰減校正 與SPECT圖像的融合定位 供診斷信息 增加患者所受輻射劑量,PET（positron emission tomography）,與SPECT不同： 采用正電子核素(例如，18F15O13N11C)標記的放射性藥物 不使用準直器，而采用符合探測（電子準直），可以使分辨率及靈敏度同時得到大幅度提高。,PET符合探測原理,正電子湮滅 兩個光子沿著直線反方向飛行 幾乎同時到達在這條直線上的兩個探測器 符合探測 探測由電子對湮滅所產生的光子對來反映正電子湮滅時的位置 符合事件(coincidence event)：一個計數 在符合窗時間內探測到的兩個光子,PET設備組成,PET探頭 晶體環(huán)：將511kev射線轉成熒光 光電倍增管：將熒光轉換成電信號并將之放大 ,PET探頭,探測器組（block),晶體組塊(crystal block) 8 8 6 8 6 6 小晶塊 4mm6.5 mm 晶體環(huán)孔徑 80cm 軸向幾個block 32環(huán) 24環(huán) ,PET 晶體,PET符合探測原理,三種符合情況,真符合(true coincidence) 隨機符合（random coincidence） 散射符合（scatter coincidence）,PET采集,掃描方式2D、3D 2D：靈敏度低，分辨率高 3D：靈敏度高，分辨率低 選擇采集程序 靜態(tài)、動態(tài)和門控采集,PET圖像重建,2D：將各方向的所有平行的符合線從左到右排列，產生正弦圖，進行重建 3D： 數據重組成2D 直接3D重建 重建層數：2環(huán)數-1,PET圖像重建方法,濾波反投影法（filtered back-projection，FBP） 迭代 有序子集最大期望值法（ordered subsets expectation maximization，OSEM） 3D重組迭代 3D迭代 ,PET性能,能量分辨率與能窗 空間分辨率 靈敏度 散射分數 計數率特征 校正精度 圖像質量等,能量分辨率(energy resolution)與能窗(energy window),能量分辨率定義為脈沖能譜分布的半高寬與入射光子能量之比 該值越小，能量分辨率越高。它表明了PET系統(tǒng)對散射符合計數的鑒別能力 能量分辨率主要取決于晶體性能，與探測系統(tǒng)的設計有關 能窗 散射符合計數隨脈沖能窗下限的提高而減少 能窗下限的提高受到能量分辨率的制約 能窗下限過高將導致真符合計數的大量丟失,PET空間分辨率,點擴展函數（point spread function，PSF）的半高寬（FWHM） FWHM越大，分辨率越低 徑向 切向 軸向,PET空間分辨率的限制,正電子的飛行距離：核素衰變發(fā)射出的正電子在發(fā)生湮滅前飛行的距離。 正電子的能量從零到最大（衰變能）連續(xù)分布, 半高寬FWHMpositron因核素及介質而異 正電子的能量 FWHMpositron 18F：FWHMpositron=0.22mm， 11C：FWHMpositron=0.28mm,PET空間分辨率的限制,電子的運動：正負電子湮滅時，正負電子偶的總的動量并非為0，兩個湮滅光子的運動方向不成180o角，要偏向電子偶的運動方向。 造成的點源擴展與符合探測的兩個探測器之間的距離有關 對探測環(huán)孔徑為80cm的全身PET，中心分辨率的損失為： FWHMangulation=(800/2)xtg0.3=2.1mm 。,對18F，FWHMtheory 2.1mm。,PET空間分辨率的限制,探測技術的限制：小晶體塊 對視野中心處，分辨率損失為小晶體塊大小的一半，而對探頭附近，FWHMdetector為小晶體塊大小 小晶體塊越小，分辨率越高,對4mm的小晶塊，視野中心處 ：FWHMtotal 2.5mm 探頭附近處 ：FWHMtotal 2.9mm,靈敏度(sensitivity),定義：PET系統(tǒng)在單位時間內單位活度或放射性濃度條件下所獲得的符合計數 影響因素： 探測器環(huán)軸向視野 晶體塊長度 探測器效率 數據的采集方式 2D 3D ,散射分數（scatter fraction, SF）,定義：散射符合計數在總符合計數中所占的百分比 描述PET系統(tǒng)對散射計數的敏感程度,計數率特征,總符合計數率 真實符合計數率Rtrues 隨機符合計數率Rrandoms 散射符合計數率Rscatter 噪聲等效計數率RNEC:真符合計數率與總計數的比值與真符合計數率之積 計數率隨活度的變化,計數丟失及隨機符合校正精度,描述PET系統(tǒng)對隨機符合及由死時間引起的計數丟失的校正精度 用校正后的剩余相對誤差 R表示校正精度。,衰減和散射校正的精度,描述PET系統(tǒng)對散射符合事件的剔除能力和對射線在介質中衰減的校正能力。,圖像質量,在模擬臨床采集的條件下，用標準的成像方法來比較不同成像系統(tǒng)的圖像質量 用不同大小熱灶、冷灶的對比度恢復系數及背景的變異系數描述圖像質量,PET圖像的校正,隨機