第九章 核醫(yī)學(xué)成像

第九章核醫(yī)學(xué)成像主要內(nèi)容第一節(jié)概述第二節(jié)核醫(yī)學(xué)成像的基本原理和技術(shù)第三節(jié)成像設(shè)備工作原理第一節(jié)概述核醫(yī)學(xué)的定義：核醫(yī)學(xué)是核技術(shù)與醫(yī)學(xué)相結(jié)合的學(xué)科核醫(yī)學(xué)的任務(wù)是用放射性核素及核技術(shù)來診斷、治療及研究疾病。核醫(yī)學(xué)涉及的學(xué)科：核物理、核電子、核探測、計(jì)算機(jī)控制及圖像處理、數(shù)學(xué)、放射化學(xué)、醫(yī)學(xué)的各科等。核醫(yī)學(xué)成像過程：先把某種放射性同位素標(biāo)記在藥物上，形成放射性藥物并引入體內(nèi)，當(dāng)他被人體的臟器和組織吸收以后，就在體內(nèi)形成了輻射源。用γ射線檢測裝置可以在體外檢測體內(nèi)放射性核素在衰變過程中放出的γ射線，從而構(gòu)成放射性同位素在體內(nèi)分布密度的圖像。由于放射性藥物與一般天然元素或化合物一樣，能夠參與機(jī)體的物質(zhì)代謝，因此核醫(yī)學(xué)成像的圖像不僅反映了臟器和集體組織的形態(tài)，更重要的是提供了有關(guān)臟器功能及相關(guān)的生理、生化信息。核醫(yī)學(xué)發(fā)展簡史：序幕：

1896年法國物理學(xué)家貝可勒爾發(fā)現(xiàn)鈾的放射性，第一次認(rèn)識到放射現(xiàn)象。1898年居里夫婦成功提取放射性釙和鐳1926年美國內(nèi)科醫(yī)師Blungare首先應(yīng)用氡研究循環(huán)時(shí)間第一次應(yīng)用了示蹤技術(shù)，后來又進(jìn)行了多領(lǐng)域的生理、病理及藥理方面的研究，因此，被稱為“核醫(yī)學(xué)之父”。1934年居里夫婦第一次人工獲得了放射性30P，從此人們開闊了眼界，看到了核子和平利用的前景。初具規(guī)模：1942年費(fèi)米在芝加哥大學(xué)建立了世界上第一座核反應(yīng)堆，開始生產(chǎn)131I、32P等少量放射性核素，到1946年生產(chǎn)品種和量都有了增加.核醫(yī)學(xué)儀器也在不斷地研制，51年第一臺γ-掃描儀制成，實(shí)現(xiàn)了心、腎、肝、膽功能測定，腎、脾、骨、甲狀腺的掃描。從此核醫(yī)學(xué)的臨床應(yīng)用初步具備了自己的理論基礎(chǔ)方法和手段，為今后的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。迅速發(fā)展階段：60年代始主要是利用加速器和發(fā)生器生產(chǎn)出更多，更符合臨床要求的放射性核素。γ-相機(jī)問世。Yalow和Berson教授開創(chuàng)體外放射性核素，對醫(yī)學(xué)產(chǎn)生了巨大影響?，F(xiàn)代核醫(yī)學(xué)階段

70年代后期，研制成功核素?cái)鄬语@像SPECT裝置及心、腦功能顯像劑和單克隆技術(shù)的應(yīng)用，計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用、99Mo-99mTc發(fā)生器廣泛應(yīng)用使核醫(yī)學(xué)進(jìn)入了特色鮮明的新階段。

1975年第一臺PET研制成功，相繼實(shí)現(xiàn)了利用PET正電子發(fā)射體（11C、13N、15O和18F）標(biāo)記化合物進(jìn)行腦和心肌灌注氧耗量、葡萄糖代謝、蛋白質(zhì)、脂肪代謝顯像，神經(jīng)受體顯像也獲得成功，開創(chuàng)了在分子水平無創(chuàng)性活體研究人腦功能，心肌存活等，進(jìn)入了分子核醫(yī)學(xué)的新時(shí)代。成為80年代后的核醫(yī)學(xué)前沿。放射性核素顯像

Radionuclearimaging,RNI■將放射性藥物通過注射或口服引入體內(nèi)，吸收后能在某一器官內(nèi)積聚而成為放射源。用核素成像儀器探測處理，顯示核素濃度分布，反映人體代謝（功能）動態(tài)變化（物質(zhì)的輸運(yùn)、集聚、排泄、物質(zhì)代謝及其分布）●RNI是四大醫(yī)學(xué)影像之一■功能性顯像為主，形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)顯像為輔●主要技術(shù)：①γ相機(jī)；②單光子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層（SPECT）；③正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層（PET）；●RNI技術(shù)特點(diǎn)：①檢測靈敏度高；10-14～10-18g，一般化學(xué)方法難以測出；②定性、定量、定位；③測量簡便：只對放射性核素示蹤物進(jìn)行測量；④準(zhǔn)確性高：微量示蹤物，不干擾研究對象的正常生理、生化過程；⑤功能性顯像；一、放射性核素顯像的技術(shù)特點(diǎn)●示蹤的基本根據(jù)：①同一元素的同位素化學(xué)性質(zhì)相同，在生物體內(nèi)的化學(xué)變化和生物學(xué)過程相同，生物體不能區(qū)別，可以用放射性核素代替同位素中的穩(wěn)定性核素；②放射性核素能放射出易被探測到的射線（示蹤原子），放射性測量儀器可以對它標(biāo)記的物質(zhì)進(jìn)行定性、定量及定位測量?！龇派湫院怂胤植挤从沉梭w內(nèi)臟器的功能和代謝情況。?如：甲狀腺有攝取或濃集131I的功能，131I的攝取速度和攝取量與甲狀腺功能狀態(tài)有關(guān)。二、核素示蹤核醫(yī)學(xué)檢查項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)情況檢查項(xiàng)目所占比例(%)

骨顯象25腦顯象2心肌血流灌注顯象35腫瘤定位顯象15肝膽/腎臟顯象5呼吸系統(tǒng)顯象12甲狀腺顯象5其他1注:骨和心肌顯象占60%的總檢查

三、放射性制劑

放射性藥物是能夠安全用于診斷的放射性標(biāo)記化合物

標(biāo)記物放射性核素

被標(biāo)記物化合物（藥物）在特定組織內(nèi)選擇性積聚參與生理、生化代謝過程125I125I-胰島素18F18F-脫氧葡萄糖（FDG)例如：●

核素要求

1.能量適中：100～400KeV，一般臨床應(yīng)用50～500KeV

太低易被機(jī)體吸收，探測效率低；太高準(zhǔn)值效果差（屏蔽困難），空間分辨率低

2.半衰期適中：①T1/2盡可能短——減少輻射劑量；②核素在靶器官有合適的存留時(shí)間，保障探測采集足夠的數(shù)據(jù)；③顯像后，放射性藥物應(yīng)盡快地從體內(nèi)清除掉，減少輻射危害。一、核醫(yī)學(xué)成像用放射性核素第二節(jié)核醫(yī)學(xué)成像的物理基礎(chǔ)4.穩(wěn)定性好：①化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易發(fā)生分解、氧化還原等化學(xué)反應(yīng)；②核素與化合物結(jié)合穩(wěn)定，不因體內(nèi)介質(zhì)條件或生物活性物質(zhì)的改變（如酶作用）而發(fā)生分解、變性和脫落；③對自身輻射作用耐受能力高。5.無毒害：核素的衰變產(chǎn)物應(yīng)該是穩(wěn)定產(chǎn)物。3.易標(biāo)記：合適的化學(xué)價(jià)態(tài)和較強(qiáng)的化學(xué)活性。2.碘(I)：

γ98%;668KeV(伴有β射線)；能量(偏高，探測效率低，分辨率差）；

T1/28.04h。●適合于甲狀腺、腎、肝、腦、肺、膽顯像，功能測量和治療■

常用于臨床的放射性核素

1.锝（Tc)：

γ90%;不伴有β輻射；能量140KeV(適合探測）；

T1/26.02h●適合所有器官顯像。3.正電子衰變類（用于PET)

11C20.3min;13N10min;15O123s;18F110min

●優(yōu)點(diǎn)：

①人體的基本元素，易于標(biāo)記各種生命所必需的化合物及其代謝產(chǎn)物，且易于參與人體生理、生化代謝過程；②T

?短，檢查時(shí)可給予較大的劑量，提高對比度和分辨率；③反映人體生理、生化、病理和功能等方面的改變。反映精神情感、思維、行為等人腦的活動。二、γ能譜光電效應(yīng)(PE)→全部能量→光電峰（全能峰）。表征核素特征康普頓散射→部分能量、散射角→脈沖幅度低、范圍分布寬義：①計(jì)數(shù)率測定時(shí)，避免其他能量γ射線的干擾；②鑒定放射性同位素種類和含量1956年Anger發(fā)明了閃爍γ相機(jī)①同時(shí)紀(jì)錄各臟器核素的射線，成像時(shí)間短；②探頭靈活，可進(jìn)行多體位成像，使用方便；③Polaroid相機(jī)一步顯、定影，定時(shí)相機(jī)連續(xù)拍攝，反映代謝過程的動態(tài)變化；Thetumorsarethedarkareas第三節(jié)γ相機(jī)探頭位置信號能量信號照相示波器XYZγ射線源一、γ照相機(jī)的基本結(jié)構(gòu)（一）探頭裝置1、準(zhǔn)直器

——空間定位●作用：允許特定方向γ光子進(jìn)入探測器，屏蔽與孔角不符的散射光子。●材料：鉛或鉛合金；屏蔽效果好；易加工（一）探頭裝置不同類型準(zhǔn)值器臨床應(yīng)用類型特點(diǎn)臨床應(yīng)用備注針孔準(zhǔn)直器對小臟器具有放大作用,計(jì)數(shù)率高主要用于甲狀腺顯像準(zhǔn)直器到臟器的距離影響臟器圖像的大小平行孔準(zhǔn)直器準(zhǔn)直器到臟器的距離影響圖像質(zhì)量,但不影響臟器大小.臨床上最常用的準(zhǔn)直器,適用于各臟器扇型準(zhǔn)直器明顯提高計(jì)數(shù)率,圖像分辨率不受影響常用于腦顯像使用扇型準(zhǔn)直器時(shí),不能同時(shí)使用實(shí)時(shí)人體輪廓技術(shù)準(zhǔn)直器類型孔徑mm

孔數(shù)（個(gè)）長度(mm)壁厚(mm)系統(tǒng)靈敏度kps/mCi系統(tǒng)分辨率(mm)低能通用準(zhǔn)直器1.932900350.22708.7低能高分辨準(zhǔn)直器1.518100350.21607.9中能通用準(zhǔn)直器2.310000331.519010.7高能通用準(zhǔn)直器2.65400362.614010.4不同準(zhǔn)值器的物理性能2、閃爍晶體●閃爍體：摻入約0.5%鉈(Tl)做激活劑的碘化鈉(NaI)透明晶體。NaI(Tl)晶體優(yōu)點(diǎn)：①γ射線阻滯本領(lǐng)高（探測效率高）；②熒光閃爍時(shí)間短（時(shí)間分辨力高）；③熒光光子數(shù)與γ射線能量的線性關(guān)系好●光學(xué)收集系統(tǒng)提高光電轉(zhuǎn)換傳輸效率（減少反射）反射層（氧化鎂）和光耦合劑（硅油、甘油等）組成光收集系統(tǒng)

光導(dǎo)：非直接耦合材料：聚乙烯基甲苯、有機(jī)玻璃、光導(dǎo)纖維等3、光電倍增管光電轉(zhuǎn)換：光敏陰極受激產(chǎn)生光電子光電倍增：（106～108）電信號放大；γ光子的數(shù)目越多，相應(yīng)的脈沖數(shù)目也越多。（二）電子學(xué)系統(tǒng)——位置信號和Z信號●將光電倍增管輸出的電脈沖信號轉(zhuǎn)換為確定晶體閃爍點(diǎn)位置的X、Y信號和確定入射γ射線的能量信號。（三）顯示和記錄基本顯示裝置——示波器記憶示波器——儲存圖像；普通示波器——照相；普通示波器——圖像觀察功能測定裝置——計(jì)數(shù)率儀將計(jì)數(shù)率轉(zhuǎn)化為直流電信號，繪制放射性活度隨時(shí)間變化曲線，顯示臟器功能狀況二、γ照相機(jī)的性能指標(biāo)及質(zhì)量控制●測試標(biāo)準(zhǔn)：美國電器制造商會(NEMA)標(biāo)準(zhǔn)NationalElectricalManufacturersAssociation●空間分辨力：兩個(gè)點(diǎn)（線）源的分辨距離；半高寬度FWHM；調(diào)制傳遞函數(shù)MTF●圖像質(zhì)量控制：探測靈敏度和圖像的線性?幅度分析器窗位→γ全能峰→探測靈敏度→對比度、均勻性等?準(zhǔn)直器、X、Y位置線路→圖像線性→圖像與實(shí)物比例、對稱性第四節(jié)

單光子ECTECT類型：

ECT利用γ相機(jī)原理，加入計(jì)算機(jī)信息處理功能，可對某一斷層進(jìn)行成像。據(jù)射線源性質(zhì)的不同，ECT可分為兩類?！馭PECT(SinglePhotonECT):探測的示蹤核素為放射出γ射線（單光子）的核素；●PECT(PositronECT)：探測的核素為放射出正電子（β+）的核素。1、SPECT成像的本質(zhì)與方法探頭圍繞病人某一臟器進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)的γ相機(jī)，在旋轉(zhuǎn)時(shí)每隔一定角度（3°或6°）采集一幀圖片經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，將圖像疊加，利用濾波反投影方法，從一系列投影像重建橫斷層影像。由橫斷層影像的三維信息再經(jīng)影像重新組合可以得到矢狀、冠狀斷層和任意斜位方向的斷層影像。●SPECT斷層厚度：采集全部數(shù)據(jù)并處理后任意選定●SPECT成像原理：2、數(shù)據(jù)的衰減校正■取決于人體衰減系數(shù)圖(μmap)的獲取和衰減校正的算法。量化精度±25%～50%平均衰減校正：設(shè)人體等密度，衰減只與光子路經(jīng)有關(guān)；人體或臟器假定為橢圓；據(jù)指數(shù)衰減公式建立斷層衰減圖；據(jù)圖給出的光子通量與路徑的關(guān)系對斷層圖像上各像素進(jìn)行信號強(qiáng)度補(bǔ)償●SPECT是通過γ射線的體外技術(shù)來標(biāo)定體內(nèi)放射性活度，無衰減時(shí)計(jì)數(shù)率正比于放射性活度●斷層中γ射線的衰減與路經(jīng)和組織成分等因素有關(guān)3、旋轉(zhuǎn)中心偏移檢查

——斷層時(shí)加以校正δ<1.5mm（約0.5像素）4、斷層均勻性測量圓柱體模型99mTc溶液555MBq計(jì)算模型斷層圖像相對誤差斷層5、斷層分辨力的測量

——采集三個(gè)點(diǎn)源斷層數(shù)據(jù)→重建斷面圖像→求FWHM6、總體性能評價(jià)

——3600

采集數(shù)據(jù)，經(jīng)均勻度、衰減校正，重建橫向斷層圖像，確定分辨陽模和陰模的極限值●SPECT的臨床應(yīng)用SPECT影像僅描繪了體內(nèi)組織和臟器斷層中放射性核素的濃度（生理、生化過程）分布，這種分布不是有關(guān)斷層的解剖學(xué)形態(tài).1、全身骨顯像:

1）惡性腫瘤骨轉(zhuǎn)移的早期診斷:骨顯像可較X線片提前3-6個(gè)月發(fā)現(xiàn)病變2）原發(fā)性骨骼腫瘤累及范圍的判斷和療效觀察。

3）股骨頭無菌性壞死的早期診斷。2、局部腦血流灌注斷層顯像(rCBF):

1.TIA:發(fā)作后CT和MRI多為陰性,rCBF顯像可發(fā)現(xiàn)近50%的患者腦內(nèi)有缺血性改變。

2.腦梗死:診斷陽性率近100%,在發(fā)病早期病變區(qū)無明顯結(jié)構(gòu)變化時(shí)即可顯示異常。

3.神經(jīng)科疾病病灶的定位診斷:發(fā)作間期顯像陽性率約60%,遠(yuǎn)高于CT(約25%)和MRI檢查。

4.早老性癡呆(Alzheimer病)和多發(fā)性梗塞性癡呆的鑒別診斷

BrainImagingThisfigureisatransverseSPECTimageofthebrain.

Notethehotspotspresentintherightposteriorregion.Scanindicatingmalfunctionoftheleftkidney

第五節(jié)正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層（PET）●PET采用貧中子的短壽命同位素11C、13N、15O、18F，是構(gòu)成人體的主要元素，放射出的β+

射線產(chǎn)生的湮沒光子實(shí)現(xiàn)斷層顯像。便于“跟蹤”、“探測”人體生理、生化活動，不干擾機(jī)體結(jié)構(gòu)和生物變化過程一、概述正電子湮滅前在人體組織內(nèi)行進(jìn)1-3mm同時(shí)產(chǎn)生互成180°的511keV的γ光子?！窭梅嫌?jì)數(shù)法探測淹沒輻射的光子1、自準(zhǔn)直符合計(jì)數(shù)方法●位于掃描斷層兩側(cè)的一對探頭同時(shí)接收到湮沒光子時(shí)，符合計(jì)數(shù)探測要求，才有信號輸出（符合事件，否則為無效輻射）。二、PET成像原理探頭探頭能量、時(shí)間鑒別能量、時(shí)間鑒別與門符合檢測電路符合測定符合探測時(shí)間10－8s①直線性：一對互成1800

的探頭，探測體內(nèi)發(fā)射出的互成1800

的γ光子，電子準(zhǔn)直探測效率高。——符合線路②同時(shí)性：15ns

內(nèi)進(jìn)入的2個(gè)γ光子視為同時(shí)發(fā)生的γ光子，予以探測

———高精度時(shí)間控制器符合探測原理PET各種符合事件同時(shí)同地；互成1800；511keV無時(shí)間與空間相互關(guān)系能量小于511MkeV,不成1800事件PET的電子準(zhǔn)直1964年環(huán)狀頭部PET省去了沉重的鉛制準(zhǔn)直器，改進(jìn)了點(diǎn)響應(yīng)函數(shù)的靈敏度和均勻性。不再因準(zhǔn)直器的使用損失了很大部分探測效率。避免了準(zhǔn)直器對分辨率和均勻性不利的影響。利用了一部分被準(zhǔn)直器擋住的γ光子，極大地提高了探測靈敏度。PET的靈敏度比SPECT高10倍以上。使用鉛準(zhǔn)直器的SPECT系統(tǒng)分辨率為8－16mm，而電子準(zhǔn)直的PET系統(tǒng)分辨率為3－8mm。

a)SPECTdetectionsystem;

b)PETdetectionsystem.PET電子準(zhǔn)直的特點(diǎn)●環(huán)繞360°排列多組配對探頭，探頭對間符合線路檢驗(yàn)判定每只探頭信號，排除其它來源射線的干擾，得到探頭對連線上的一維信息；●用濾波反投影方式，將信號按探頭對的空間位置向中心點(diǎn)反投射，便可形成與探頭組連線軸平行的斷層面正電子發(fā)射示蹤劑分布圖像?！裉綔y方式一次只反映一個(gè)層面的信息，實(shí)用中常用多層排列的探頭對，配合層間符合線路，以利探測并重建更多層面的圖像。n個(gè)環(huán)2n－1個(gè)斷層像：n個(gè)同環(huán)符合探測；n－1

個(gè)鄰環(huán)符合探測IllustrationofabrainPETscannerbasedon12cameramodules2、PET圖像重建PET系統(tǒng)工作流程回旋加速器產(chǎn)生同位素

熱配室化學(xué)合成同位素示蹤劑注射入人體PET掃描采集投影數(shù)據(jù)重建獲得的濃度分布像臨床分析診斷三、投影數(shù)據(jù)誤差校正1、衰減校正符合探測器測得射線強(qiáng)度均勻衰減量只與符合線穿過組織厚度相關(guān)校正：用體外線源（如68Ga棒）繞成像體旋轉(zhuǎn)，測得I

空掃測得原始強(qiáng)度I0衰減率校正因子：2、假符合校正①設(shè)置隔片阻擋射線；②采用閃爍時(shí)間短的晶體；③增設(shè)偶然符合電路等粒子的動量的變化導(dǎo)致511keV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，導(dǎo)致2－3mm的位置不確定性。對大視野PET而言，最高分辨率約為3－4mm。校正：圖像重建之前，由待測區(qū)輪廓和掃描路程精確進(jìn)行校正3、電子能量的影響●PET的技術(shù)優(yōu)勢①應(yīng)用人體自身分子的主要元素的放射性核素制備示蹤分子。準(zhǔn)確地反映機(jī)體的代謝情況，可提供獨(dú)特的生理性示蹤研究和活體生化顯像。因而被稱為“生化斷層”或“生命斷層”。

②正電子核素半衰期極短，如11C、13N、15O和18F的半衰期分別為20、10、2和110min。對人體的輻射劑量甚低，需要時(shí)可在一次研究中多次重復(fù)檢查。

③采用符合線路（CoincidenceCircuit），以電子準(zhǔn)直取代鉛準(zhǔn)直探頭，故靈敏度高（不受探測深度限制）、對比度好，如PET的靈敏度較常規(guī)γ相機(jī)高10～100倍，分辨率（FWHM）達(dá)4mm，可有效地檢出1cm大小的病灶④均勻度好，有利于數(shù)學(xué)重建圖像，可作組織的衰減校正和時(shí)間校正，校正后數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，便于作定量分析，探測效率高。

⑤真正的3D探測技術(shù)，顯示全身的橫斷、冠狀和矢狀斷面各方位的斷層影像。PET三維重建圖像四、PET的優(yōu)勢及其缺點(diǎn)●ＰＥＴ的應(yīng)用評價(jià)和發(fā)展趨勢

主要應(yīng)用于神經(jīng)系統(tǒng)（15％～35％）、心血管疾病（15％～25％）、腫瘤學(xué)研究（65％～85％）等。1.ＰＥＴ在神經(jīng)系統(tǒng)疾病的應(yīng)用

PET顯像用于腦血管疾?。–VD）、神經(jīng)科疾病、老年性癡呆、帕金森?。≒D）、神經(jīng)退行性疾病、神經(jīng)精神藥物研究與腦功能研究等很有價(jià)值。2.ＰＥＴ在心臟病學(xué)研究中的應(yīng)用

PET主要用于隱性、高危和疑難冠心病診斷，心肌存活的檢測、介入治療前后監(jiān)測、心臟移植、心肌病等的診斷及治療隨訪觀察等。應(yīng)用18F－FDG－PET顯像觀察心肌代謝是冠心病診斷的金標(biāo)準(zhǔn)，是目前應(yīng)用最多的項(xiàng)目。

3.ＰＥＴ在腫瘤診斷與研究中的應(yīng)用

PET在腫瘤學(xué)的診斷與研究中主要用于良惡性鑒別，腫瘤分期、分型、復(fù)發(fā)、轉(zhuǎn)移的早期診斷和鑒別，以及惡變過程的觀察與基礎(chǔ)研究等。

冠心病—心肌缺血良性腦膜瘤在PET上呈低代謝區(qū)WholebodyPETscansshowi