第六章放射性核素成像

1、伽瑪照相機伽瑪照相機核外電子與原子核核外電子與原子核 原子的結(jié)構(gòu)是由位于原子中心的原子的結(jié)構(gòu)是由位于原子中心的原子核及按一定軌道圍繞原子核運原子核及按一定軌道圍繞原子核運行核外電子組成。行核外電子組成。 原子核是由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)原子核是由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱核子。中子不帶電，子和中子統(tǒng)稱核子。中子不帶電，質(zhì)子帶電，其電量與電子電量相等質(zhì)子帶電，其電量與電子電量相等. .穩(wěn)定性核素（又稱非放射性核素）： 原子核能夠穩(wěn)定的存在于自然界中，原子核能夠穩(wěn)定的存在于自然界中，不會自發(fā)地產(chǎn)生變化，這種核素通常稱為不會自發(fā)地產(chǎn)生變化，這種核素通常稱為非放射性核素（穩(wěn)定性核素）。非放射性核素（穩(wěn)

2、定性核素）。 放射性核素（不穩(wěn)定性核素） （ Radioactive Nuclide ） 原子核即使沒有任何外來因素作用下原子核即使沒有任何外來因素作用下，也會自發(fā)地放出射線而轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核，也會自發(fā)地放出射線而轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核素，這類核素稱為放射性核素。素，這類核素稱為放射性核素。 核衰變 放射性核素特點 特定的半衰期 物理半衰期（ physical half life ） 符號T1/2 , 在單一的放射性核素衰變過程中，放射性活度降至原有值一半時所需要的時間，稱為物理半衰期，簡稱半衰期（ T1/2 ）。 生物半衰期 (biological half life) 符號 Tb, 生物半衰期是指進

3、入生物機體內(nèi)的放射性核素，由于生物代謝過程從體內(nèi)排出到原來放射性活度的一半時所需要的時間。 衰變衰變 衰變衰變 衰變衰變 放射性核素及其衰減規(guī)律放射性核素及其衰減規(guī)律MeVHeRnRa88. 4422228622688MeVSP71. 132163215MeVCN19. 1136137 TcTcm9999核衰變規(guī)律核衰變規(guī)律核衰變規(guī)律公式核衰變規(guī)律公式 半衰期半衰期T1/2：放射性原子核數(shù)目衰變到一半所需要的時間放射性原子核數(shù)目衰變到一半所需要的時間teNN0其中： N為t時刻衰變核的剩余數(shù)目 N0為t=0時刻的衰變核數(shù)目 為衰變常數(shù)2/1002TeNNN693. 02ln2/1T半衰期半衰期

4、T T1/21/2的含義的含義半衰期半衰期T T1/21/2與與 的關系的關系例如：例如： RaRa的半衰期為的半衰期為15901590年，年， 磷磷-32-32的半衰期為的半衰期為14.314.3天，天， 銫銫-135-135的半衰期為的半衰期為2.82.81010-10-10S S。放射性活度（又稱放射性強度） 是一定量的放射性核素在一個很短的時間間隔內(nèi)發(fā)生的核衰變數(shù)除以該時間間隔。也就是單位時間內(nèi)發(fā)生的衰變的原子核數(shù)。 核醫(yī)學始于 20 世紀 50 年代。 1950 年，建立了晶體井型計數(shù)儀，用于體外的放射性測量。 1951 年， cassen 用晶體加準直器研制成功閃爍掃描儀，獲得了人

5、體第一張甲狀腺掃描圖。 1957 年， Hal Anger 研制了照相機。 1964 年，世界上便有了商品照相機供應，開創(chuàng)了核醫(yī)學顯像的新紀元。 1979 年，Kuhl 等人在長期研究基礎上制成了世界上第一臺發(fā)射型計算機斷層 (ECT) 。 核醫(yī)學儀器的類型核醫(yī)學儀器的類型 （一）測量用核醫(yī)學儀器： 主要在醫(yī)學研究和臨床檢驗中，用于對被檢測樣品如血、尿、糞便、組織中的放射性測量。 常用的儀器有閃爍計數(shù)器、液體閃爍計數(shù)器。 核醫(yī)學儀器分類核醫(yī)學儀器分類用于放射性藥物的活度測量的活度計用于放射性藥物的活度測量的活度計 活度計又稱強度計、同位素刻度計、活度計又稱強度計、同位素刻度計、居里計。居里計。

6、 用于個人劑量監(jiān)測和防護監(jiān)測的儀器用于個人劑量監(jiān)測和防護監(jiān)測的儀器 個人劑量計、熱釋光劑量計、表面?zhèn)€人劑量計、熱釋光劑量計、表面沾染儀、環(huán)境監(jiān)測儀等。沾染儀、環(huán)境監(jiān)測儀等。 一些儀器一些儀器活度計活度計功能儀功能儀一些儀器一些儀器閃爍掃描儀閃爍掃描儀伽瑪照相機伽瑪照相機SPECTSPECTPETPET全身骨成像全身骨成像 射線探測射線探測 利用放射性探測儀器（或測量裝置）可以探測和記錄放射性同位素所放出射線（或粒子）的種類、數(shù)量（強度）和能量（能譜）等。閃爍計數(shù)器閃爍計數(shù)器 閃爍計數(shù)器是射線探測的基本儀器，它由閃爍體、光學收集系統(tǒng)和光電倍增管組成。脈沖幅度分析器脈沖幅度分析器脈沖幅度甄別器 閃

7、爍計數(shù)器所產(chǎn)生的電流脈沖的幅度和輻射光子的能量成正比，如測出脈沖幅度與計數(shù)的關系曲線就等于測出了幅射能譜。單道脈沖幅度分析器 能直接測出幅度在之間脈沖計數(shù)的儀器叫單道脈沖幅度分析器，它由兩個甄別器組成。 上限甄別器有較高的甄別閾值，下限甄別器閾值為V，其差值叫道寬。核醫(yī)學成像設備原理簡介核醫(yī)學成像設備原理簡介 同位素掃描儀同位素掃描儀(Radionuclide Scanner)(Radionuclide Scanner) 掃描圖：甲狀腺癌的轉(zhuǎn)移掃描圖：甲狀腺癌的轉(zhuǎn)移照相機和單光子發(fā)射型計算機斷層照相機和單光子發(fā)射型計算機斷層照相機伽瑪照相機的組成伽瑪照相機的組成探頭探頭探頭支架探頭支架病床病床

8、操作控制臺操作控制臺 及及 數(shù)據(jù)處理裝置數(shù)據(jù)處理裝置伽瑪照相機電路結(jié)構(gòu)伽瑪照相機電路結(jié)構(gòu)伽伽瑪瑪照照相相機機的的探探頭頭結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)準直器準直器NaI(Tl)NaI(Tl)晶體晶體光電倍增管光電倍增管(PMT)(PMT)定位電路定位電路顯示顯示PMT的排列方式的排列方式每一個邊排列每一個邊排列3 3個，總個，總共共1919個個 ；每一個邊排列每一個邊排列4 4個，總個，總共共3737個；個； 每一個邊排列每一個邊排列5 5個，總個，總共共6161個；個； 每一個邊排列每一個邊排列6 6個，總個，總共共9191個；個； 每一個邊排列每一個邊排列7 7個，總個，總共共127127個。個。P2P2位置計

9、算電路位置計算電路P1P1P3P3伽瑪射線伽瑪射線X1X1X2X2X3X30 0NaI(Tl)NaI(Tl)P1,P2,P3P1,P2,P3為為PMTPMT的輸?shù)妮敵鲂盘栔党鲂盘栔担从沉?，反映了進入進入PMTPMT的光強。的光強。X1,X2,X3X1,X2,X3為為PMTPMT的的位置值位置值X X發(fā)光點的總強度：發(fā)光點的總強度： P=P1+P2+P3 P=P1+P2+P3 即即Z Z信號的值信號的值發(fā)光點的發(fā)光點的X X坐標值：坐標值：X=P1X1+P2X2+P3X3P1X1+P2X2+P3X3P1+P2+P3P1+P2+P3X X伽瑪照相機的特點伽瑪照相機的特點探頭不需要移動，可一次成像

10、探頭不需要移動，可一次成像 。 成像效率高，特別是對低能量伽瑪成像效率高，特別是對低能量伽瑪射線射線 。能做連續(xù)動態(tài)顯像，可以觀察臟器能做連續(xù)動態(tài)顯像，可以觀察臟器對藥物隨時間的吸收、代謝情況，對藥物隨時間的吸收、代謝情況，判斷臟器的功能。判斷臟器的功能。 發(fā)射型計算機斷層掃描儀發(fā)射型計算機斷層掃描儀 Emission Computed Tomography (ECT) 分類分類 單光子發(fā)射型計算機斷層掃描儀單光子發(fā)射型計算機斷層掃描儀 Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT) 正電子發(fā)射型計算機斷層掃描儀正電子發(fā)射型計算機斷層掃描儀

11、 Positron Emission Computed Tomography (PECT)，簡稱簡稱PET為什么叫為什么叫ECT？相對于相對于TCT (Transmission Computed Tomography)而言，即而言，即射線源在人體的外部，射線源在人體的外部，X線線CT即為即為TCT。 而而ECT的射線源在人體內(nèi)部，即放的射線源在人體內(nèi)部，即放射線藥物引入人體后，藥物釋放出伽射線藥物引入人體后，藥物釋放出伽瑪射線?，斏渚€。ECTECT的本質(zhì)是由在體外測量發(fā)自體內(nèi)的本質(zhì)是由在體外測量發(fā)自體內(nèi)的的射線技術(shù)來確定在體內(nèi)的放射性射線技術(shù)來確定在體內(nèi)的放射性核素的活度。核素的活度。 SPE

12、CT原理原理SPECT的成像原理的成像原理旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)平面成像平面成像 線投影通過濾波反投影法重建圖像線投影通過濾波反投影法重建圖像立體成像立體成像 面投影通過濾波反投影法重建圖像面投影通過濾波反投影法重建圖像單光子發(fā)射型計算機斷層原理單光子發(fā)射型計算機斷層原理 發(fā)射型計算機斷層是通過計算機圖像重建來顯示已進人體內(nèi)的放射性核素在斷ECT分為單光子發(fā)射型計算機斷層（SPECT）及正電子發(fā)射型計算機斷層（PET）。SPECTSPECT與與CTCT的比較的比較 1. 1. 比比X X線線CTCT圖像重建復雜圖像重建復雜 必須修正伽瑪射線被組織的吸收。必須修正伽瑪射線被組織的吸收。必須修正散射線的影響。必

13、須修正散射線的影響。 人體組織小體積元人體組織小體積元探頭探頭PET簡介簡介PETPET歷史歷史 19531953年，年，Dr.BrXwnellDr.BrXwnell和和Dr.SweetDr.Sweet就已研制了就已研制了用于腦正電子顯像的用于腦正電子顯像的PETPET顯像儀。顯像儀。 6060年代末，出現(xiàn)了第一代商品化年代末，出現(xiàn)了第一代商品化PETPET掃描儀，掃描儀，可進行斷層面顯像?？蛇M行斷層面顯像。 19761976年，由年，由Dr.PhelpsDr.Phelps和和DrX.HoffmanDrX.Hoffman設計，設計，由由ORTECORTEC公司組裝生產(chǎn)了第一臺用于臨床的公司組裝

14、生產(chǎn)了第一臺用于臨床的商品化的商品化的PETPET。 PET的發(fā)展的發(fā)展20012001年年 GE DISCOVERY -LSGE DISCOVERY -LS19641964年年 環(huán)狀頭部環(huán)狀頭部PETPETReturnReturnPET影像設備影像設備正電子核素制備正電子核素制備回旋加速器回旋加速器 正電子示蹤劑制備正電子示蹤劑制備 放化標記設備放化標記設備 PETPET影像獲取影像獲取 PETPET影像系統(tǒng)影像系統(tǒng) 正電子藥物正電子藥物正電子核素正電子核素半衰期半衰期 產(chǎn)產(chǎn) 物物 Carbon-1120.5 min14N(p,)11C Nitrogen-1310.0 min16O(p,)1

15、3N Oxygen-152.1 min14N(d,n)15O Fluorine-18110 min18O(p,n)18F (F-)20Ne(d,)18F (F2) Gallium-6868 minGe-68的子體的子體(271天天) Rubidium-821.27 minSr-82的子體的子體(25天天) C, N, O, F 等成分直接參與人體生化代謝等成分直接參與人體生化代謝正電子成像的物理基礎正電子成像的物理基礎 正電子放射性核素通常為富質(zhì)子的核正電子放射性核素通常為富質(zhì)子的核素素 ，它們衰變時會發(fā)射正電子。原子核中，它們衰變時會發(fā)射正電子。原子核中的質(zhì)子的質(zhì)子 釋放正電子和中微子并衰變

16、為中子：釋放正電子和中微子并衰變?yōu)橹凶樱篜 P + n + + n + 其中其中 P P為質(zhì)子，為質(zhì)子，n n為中子，為中子， 為正電子，為正電子， 為中微子。為中微子。 正電子湮滅正電子湮滅正電子湮滅前在人體組織正電子湮滅前在人體組織內(nèi)行進內(nèi)行進 1-3mm1-3mm。 湮滅作用產(chǎn)生：湮滅作用產(chǎn)生： 能量能量( (光子是光子是 511KeV)511KeV)。 動量動量 1-3mm511KeV511KeV 同時產(chǎn)生互成同時產(chǎn)生互成180180度的度的511keV511keV的伽瑪光子。的伽瑪光子。常用正電子放射性核素的物理特性常用正電子放射性核素的物理特性放射性核素放射性核素半衰期半衰期 最大

17、正電子能量最大正電子能量 最大射程最大射程 平均射程平均射程 （min） （MeV） （mm） （mm） 11C 20.30.96 5.0 0.28 13N 10.01.19 5.4 0.60 15O 2.01.70 8.2 1.10 18F 109.8 0.64 2.4 0.22 68Ga 67.81.89 9.1 1.35 82Rb 1.33.35 15.6 2.60符合探測原理符合探測原理符合探測技術(shù)能在符合電路的時間分辨范圍內(nèi)，檢符合探測技術(shù)能在符合電路的時間分辨范圍內(nèi)，檢測同時發(fā)生的放射性事件。測同時發(fā)生的放射性事件。 利用符合探測技術(shù)可以進行正電子放射性核素示蹤利用符合探測技術(shù)可以

18、進行正電子放射性核素示蹤成像。成像。 使用符合探測技術(shù)，起到電子準直作用，大大減少使用符合探測技術(shù)，起到電子準直作用，大大減少隨機符合事件和本底的同時提高了探測靈敏度。隨機符合事件和本底的同時提高了探測靈敏度。探測器探測器1探測器探測器2 脈沖脈沖 處理器處理器符合符合脈沖脈沖 處理器處理器PET影像分辨率的極限 正電子湮滅作用過程中粒子的動量變化會導致511 keV光子在探測野中產(chǎn)生約4弧度的不確定性偏離。 對探測環(huán)橫斷面視野直徑為70cm的PET，會導致23mm的位置不確定性。 這一微小偏差，以及正電子發(fā)射位置與湮滅輻射的發(fā)生點之間存在微小間距，使PET的分辨率有一極限值制約。 對大視野（

19、FOV）PET而言，最高分辨率約為34mm。PET影像分辨率的極限影像分辨率的極限正電子湮滅行程正電子湮滅行程( 1-3mm)( 1-3mm)的影的影響：響： - -正電子能量影響湮滅行程的距正電子能量影響湮滅行程的距離離 - - 1818F F 影像影像(E (E maxmax=0.6MeV)=0.6MeV)與與 1515O (EO (Emaxmax=2.1MeV)=2.1MeV)影像相比影像相比, ,分分辨率較高辨率較高點源點源相反運動相反運動 光子非直線的影光子非直線的影響：響： - -探測環(huán)直徑影響：非探測環(huán)直徑影響：非180180度夾角每度夾角每50CM50CM探測環(huán)探測環(huán)直徑使分辨

20、率直徑使分辨率(FWHM)(FWHM)變壞變壞1mm1mm真符合、隨機符合和散射符合真符合、隨機符合和散射符合11. 真符合時間真符合時間22. 因靈敏度或死時間丟失的真符合事件因靈敏度或死時間丟失的真符合事件33. 因光子衰減丟失的真符合事件因光子衰減丟失的真符合事件44. 散射符合事件散射符合事件5a5b5 . a,b 隨機符合事件隨機符合事件R光電倍增管光電倍增管光電倍增管處理處理符合符合探測器探測器環(huán)環(huán)PET的數(shù)據(jù)處理過程的數(shù)據(jù)處理過程 處理電路處理電路 處理電路處理電路符符 合合 處理器處理器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 重組重組圖像圖像 重建重建圖像圖像PET的電子準直的電子準直PET的探頭和探測環(huán)的

21、探頭和探測環(huán)X-Y平面為平面為PET的橫斷面，與探測環(huán)平面平行。的橫斷面，與探測環(huán)平面平行。 Z軸是軸是 PET的長軸，與探測環(huán)平面垂直。的長軸，與探測環(huán)平面垂直。PET選用的晶體選用的晶體NaI(Tl) 晶體能量分辨率較高，價格便宜。晶體能量分辨率較高，價格便宜。 BGO晶體密度大，探測效率高、穩(wěn)定性好。晶體密度大，探測效率高、穩(wěn)定性好。 LSO 、GSO等晶體密度大、衰減常數(shù)小、光產(chǎn)額高。等晶體密度大、衰減常數(shù)小、光產(chǎn)額高。性能指標性能指標NaICeF1BaF2BGOCsI(Tl)LSOYAPGSO 物理密度物理密度 (g/cm3) 3.676.16 4.89 7.13 4.517.355

22、.556.71 輻射長度輻射長度 (cm)2.591.702.101.121.860.882.70 線衰減系數(shù)線衰減系數(shù)(1/cm) 0.340.640.470.92 0.600.87 0.62 發(fā)射波長發(fā)射波長 (nm) 410310220480580420380430 衰減常數(shù)衰減常數(shù) (ns) 230213001000 403060 光子產(chǎn)額光子產(chǎn)額 (%) 100 3 4 15 45704041 折射指數(shù)折射指數(shù)1.85 1.62 1.49 2.151.801.82 1.901.85 PET的結(jié)構(gòu)組態(tài)的結(jié)構(gòu)組態(tài)1對對1組合組合塊狀晶體組合塊狀晶體組合伽瑪相機組伽瑪相機組 臨床臨床PET

23、PET采用多晶體組合結(jié)構(gòu)。采用多晶體組合結(jié)構(gòu)。 用較少的探測器得到較多的環(huán)數(shù)、較大的軸向視用較少的探測器得到較多的環(huán)數(shù)、較大的軸向視野和較高的空間分辨率。野和較高的空間分辨率。 PET的結(jié)構(gòu)組態(tài)的結(jié)構(gòu)組態(tài)PET 的的 2D和和 3D采集模式采集模式2D采集時探頭環(huán)與環(huán)之間放置采集時探頭環(huán)與環(huán)之間放置柵隔柵隔(septa)。 柵隔由鉛或鎢等重金屬屏蔽材柵隔由鉛或鎢等重金屬屏蔽材料制成，防止錯環(huán)符合事件發(fā)生。料制成，防止錯環(huán)符合事件發(fā)生。 3D采集收進環(huán)間柵隔，系統(tǒng)會采集收進環(huán)間柵隔，系統(tǒng)會記錄探測器之間任何組合的符合記錄探測器之間任何組合的符合事件。事件。 PET 的的 2D和和 3D采集模式采集模式PET 的的 2D采集模式采集模式直接性直接性交叉性交叉性組合型組合型PET 的的 3D采集模式采集模