第八章 核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備

第八章核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備嘉應(yīng)學(xué)院醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院陳宗發(fā)初級(jí)工程師

NuclearMedicalInstrument伽瑪照相機(jī)人體骨骼的全身γ成像第八章核醫(yī)學(xué)成像本章主要內(nèi)容概述核醫(yī)學(xué)成像的物理基礎(chǔ)核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備γ照相機(jī)單光子發(fā)射型計(jì)算機(jī)體層設(shè)備（SPECT）正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)體層設(shè)備（PET）第8章核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備概述核醫(yī)學(xué)，又稱原子（核）醫(yī)學(xué).核醫(yī)學(xué)是研究同位素及核輻射的醫(yī)學(xué)應(yīng)用及理論基礎(chǔ)的科學(xué).核醫(yī)學(xué)最重要的特點(diǎn)是能提供身體內(nèi)各組織功能性的變化，而功能性的變化常發(fā)生在疾病的早期.核醫(yī)學(xué)顯像具有簡(jiǎn)單、靈敏、特異、無(wú)創(chuàng)傷性、安全、易于重復(fù)、結(jié)果準(zhǔn)確等特點(diǎn).一、概述核醫(yī)學(xué)成像的過(guò)程：將放射性藥物引入人體形成發(fā)射源。用γ射線檢測(cè)裝置可以從體外檢測(cè)體內(nèi)放射性核素在衰變過(guò)程中放出的γ射線。核醫(yī)學(xué)成像的基本條件：放射性藥物（標(biāo)記化合物）核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備。核醫(yī)學(xué)成像的特點(diǎn)：以臟器內(nèi)外或臟器內(nèi)各部分之間的放射性核素濃度差別為基礎(chǔ)，顯示靜態(tài)或動(dòng)態(tài)圖像。多種動(dòng)態(tài)成像方式。放射性核素具有向臟器或病變組織的特異性聚集。總之，既可以進(jìn)行解剖成像，又可以提供有關(guān)臟器與病變的功能和分子水平的信息。核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備分類及特點(diǎn)單光子成像設(shè)備，有γ相機(jī)，SPECT正電子成像設(shè)備，有PET重疊成像，有γ相機(jī)計(jì)算機(jī)斷層成像，有SPECT，PET8.1核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備簡(jiǎn)介核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備是指探測(cè)并顯示放射性核素藥物(俗稱同位素藥物)體內(nèi)分布圖像的設(shè)備。核醫(yī)學(xué)影像檢查ECT與CT、MRI等相比，能夠更早地發(fā)現(xiàn)和診斷某些疾病。

核醫(yī)學(xué)顯像屬于功能性的顯像，即放射性核素顯像。8.1.1核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備發(fā)展概況核醫(yī)學(xué)儀器伴隨著核醫(yī)學(xué)這門(mén)學(xué)科的飛快的速度向前發(fā)展。核醫(yī)學(xué)儀器與核醫(yī)學(xué)本身是共生的,它滲透在整個(gè)核醫(yī)學(xué)治療的過(guò)程中,無(wú)論是過(guò)去單功能的測(cè)量?jī)x還是現(xiàn)在綜合大型檢測(cè)儀,以及最新發(fā)展起來(lái)的各種治療儀都推動(dòng)核醫(yī)學(xué)的發(fā)展。1.核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的發(fā)展歷史1896年，法國(guó)物理學(xué)家貝克勒爾在研究鈾礦時(shí)發(fā)現(xiàn)，鈾礦能使包在黑紙內(nèi)的感光膠片感光，這是人類第一次認(rèn)識(shí)到放射現(xiàn)象，也是后來(lái)人們建立放射自顯影的基礎(chǔ)。1898年，馬麗·居里與她的丈夫皮埃爾·居里共同發(fā)現(xiàn)了鐳，此后又發(fā)現(xiàn)了钚和釷等許多天然放射性元素。1923年，物理化學(xué)家Hevesy應(yīng)用天然的放射性同位素鉛-212研究植物不同部分的鉛含量，后來(lái)又應(yīng)用磷-32研究磷在活體的代謝途徑等，并首先提出了“示蹤技術(shù)”的概念。1926年，美國(guó)波士頓內(nèi)科醫(yī)師布盧姆加特（Blumgart）等首先應(yīng)用放射性氡研究人體動(dòng)、靜脈血管床之間的循環(huán)時(shí)間，在人體內(nèi)第一次應(yīng)用了示蹤技術(shù)。1951年，美國(guó)加州大學(xué)的卡森（Cassen）研制出第一臺(tái)掃描機(jī)，通過(guò)逐點(diǎn)打印獲得器官的放射性分布圖像，促進(jìn)了顯像的發(fā)展。1957年，安格（HalO.Anger）研制出第一臺(tái)γ照相機(jī)，稱安格照相機(jī)，使得核醫(yī)學(xué)的顯像由單純的靜態(tài)步入動(dòng)態(tài)階段，并于60年代初應(yīng)用于臨床。1959年，他又研制了雙探頭的掃描機(jī)進(jìn)行斷層掃描，并首先提出了發(fā)射式斷層的技術(shù)，從而為日后發(fā)射式計(jì)算機(jī)斷層掃描機(jī)—ECT的研制奠定了基礎(chǔ)。1972年，庫(kù)赫博士應(yīng)用三維顯示法和18F-脫氧葡萄糖（18F-FDG）測(cè)定了腦局部葡萄糖的利用率，打開(kāi)了18F-FDG檢查的大門(mén)。他的發(fā)明成為了正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像（PET）和單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像（SPECT）的基礎(chǔ)，人們稱庫(kù)赫博士為“發(fā)射斷層之父”。2.當(dāng)前核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的應(yīng)用概況目前廣泛使用的單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層（SPECT），已從單探頭、雙探頭和三探頭，直至現(xiàn)在發(fā)展為帶衰減校正的能進(jìn)行符合線路成像的SPECTPET-CT的出現(xiàn)使醫(yī)學(xué)影像技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的階段分子生物學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展以及與核醫(yī)學(xué)技術(shù)的相互融合，形成核醫(yī)學(xué)又一個(gè)新的分支學(xué)科—分子核醫(yī)學(xué)（molecularnuclearmedicine）把兩種設(shè)備的圖像融合起來(lái)進(jìn)行分析3.SPECT與PET-CT的區(qū)別核醫(yī)學(xué)中把應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助斷層技術(shù)進(jìn)行顯像的設(shè)備統(tǒng)稱為ECT，它是醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的重要組成部分。ECT的中文名稱為發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層顯像，是其英文名稱縮寫(xiě)而成（EmissionComputedTomography）。ECT實(shí)際上又包括兩大類設(shè)備即SPECT和PET.SPECT并不是一種很新的設(shè)備，其由Kuhl等人于1979年研制成功。經(jīng)過(guò)多年不斷的改進(jìn)，SPECT技術(shù)已經(jīng)有了很大的發(fā)展，產(chǎn)生了許多不同型號(hào)、不同檔次的產(chǎn)品，但是其顯像的基本原理沒(méi)有變化，總體上仍屬于比較低端的核醫(yī)學(xué)設(shè)備。目前國(guó)內(nèi)很多三級(jí)以上醫(yī)院都已經(jīng)配備SPECT，數(shù)量達(dá)300臺(tái)以上，主要用于全身骨骼、心肌血流、腦血流、甲狀腺等顯像。ECT的另一類設(shè)備PET是以發(fā)射正電子的放射性核素做為發(fā)射體，稱為正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層顯像，其英文名稱為positronemissioncomputedtomography，即我們通常所說(shuō)的PET。PET是核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中最先進(jìn)的顯像設(shè)備，被視為核醫(yī)學(xué)史上劃時(shí)代的里程碑，是最高水平核醫(yī)學(xué)的標(biāo)志。PET所應(yīng)用的顯像劑如C-11、N-13，O-15等都是人體組織的基本元素，易于標(biāo)記到各種生命必須的化合物、代謝產(chǎn)物或類似物上而不改變它們的生物活性，且可以參與人體的生理、生化代謝過(guò)程，因而能夠深入分子水平反映人體的生理、生化過(guò)程，從功能、代謝等方面前面評(píng)價(jià)人體的功能狀態(tài)，達(dá)到早期診斷疾病、指導(dǎo)治療的目的。定性準(zhǔn)確和一次性完成全身顯像的特點(diǎn)極大地促進(jìn)了其在腫瘤、腦神經(jīng)系統(tǒng)疾病以及心臟病等方面的應(yīng)用。我國(guó)于1995年由山東淄博萬(wàn)杰醫(yī)院引進(jìn)國(guó)內(nèi)第一臺(tái)PET，其后增長(zhǎng)較為緩慢。PET的先進(jìn)性顯而易見(jiàn)，但其最大的缺點(diǎn)是解剖結(jié)構(gòu)顯示不夠清晰。因此人們嘗試把擅長(zhǎng)功能顯像的PET與擅長(zhǎng)顯示解剖結(jié)構(gòu)的全身CT結(jié)合起來(lái)，于是在2000年世界上第一臺(tái)同機(jī)一體化PET-CT在美國(guó)CTI公司研制成功，被美國(guó)《時(shí)代》雜志評(píng)選為年度最偉大的發(fā)明創(chuàng)造。由于PET-CT是目前最先進(jìn)的PET與最好的多排螺旋CT的完美組合，達(dá)到了一加一大于二的效果，一舉成為目前最豪華的醫(yī)學(xué)影像診斷設(shè)備。PET與CT的同機(jī)組合極大地提高了臨床醫(yī)生對(duì)PET的認(rèn)知度，所以一經(jīng)問(wèn)世便在世界范圍內(nèi)高速增長(zhǎng)。2002年第一臺(tái)PET-CT在國(guó)內(nèi)安家落戶，目前PET-CT在國(guó)內(nèi)已經(jīng)呈獻(xiàn)快速發(fā)展的趨勢(shì)?？傮w上講，SPECT與PET相比二者可以說(shuō)具有本質(zhì)的區(qū)別，數(shù)據(jù)表明，SPECT的最高探測(cè)效率僅為PET的1%-3%左右，圖像質(zhì)量遠(yuǎn)不能與PET-CT相比，診斷效能上差距較大。二者一種是普及型的低端產(chǎn)品，價(jià)格較低；一種是世界上公認(rèn)的最高檔次的醫(yī)學(xué)影像診斷設(shè)備，價(jià)格昂貴、投資巨大，很難普及和推廣。PET-CT和其他檢查的區(qū)別：?jiǎn)渭僗線CT成像的基礎(chǔ)是根據(jù)人體組織對(duì)外源性X線的吸收程度不同來(lái)判斷人體組織器官的結(jié)構(gòu)改變情況；磁共振檢查是將人體置入外加磁場(chǎng)內(nèi)，然后探測(cè)人體內(nèi)組織成分的磁信號(hào)變化情況；而PET檢查是探測(cè)人體內(nèi)物質(zhì)（或藥物）代謝功能的動(dòng)態(tài)變化。三者的成像原理有本質(zhì)的區(qū)別。而我們目前使用的PET/CT是PET和CT兩種技術(shù)的完美結(jié)合，相互補(bǔ)充。PET/CT這種技術(shù)的組合可以大大提高臨床診斷的準(zhǔn)確性（如需要對(duì)體內(nèi)單個(gè)孤立性小病灶進(jìn)行良惡性鑒別診斷和手術(shù)前定位等），包括精確的定位和定性等，是其他檢查不能比擬的。8.1.2核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備功能1.γ相機(jī)γ相機(jī)是核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備中最基本、最實(shí)用，而且最重要的一種。γ相機(jī)，又稱閃爍照相機(jī)（ScintillationCamera），是一種能對(duì)臟器中的放射性核素分布進(jìn)行一次成像和連續(xù)動(dòng)態(tài)觀察的儀器。該儀器主要由四部分組成，即閃爍探頭、電子學(xué)線路、顯示記錄裝置以及附加設(shè)備。γ相機(jī)可同時(shí)記錄臟器內(nèi)各個(gè)部份的射線，以快速形成一幀器官的靜態(tài)平面圖像，同時(shí)因其成像速度快，亦可用于獲取反映臟器內(nèi)放射性分布變化的連續(xù)照片，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，可觀察臟器的動(dòng)態(tài)功能及其變化，因此γ相機(jī)既是顯像儀又是功能儀。提高γ相機(jī)性能的關(guān)鍵是增加它采集的信息量,特別是斷層采集

準(zhǔn)直器作用：濾除非規(guī)定范圍和非規(guī)定方向的γ射線。準(zhǔn)直器類型：(1)、針孔形(2)、平行孔形(3)、擴(kuò)散型(4)、會(huì)聚型2.ECT發(fā)射式計(jì)算機(jī)斷層(ECT）是利用儀器探測(cè)人體內(nèi)同位素動(dòng)態(tài)分布成像，并通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和斷層重建，來(lái)獲得臟器或組織的橫斷面、矢狀面以及冠狀面的三維圖像的。它可以做功能、代謝方面的影像觀察，是由電子計(jì)算機(jī)斷層（CT）與核醫(yī)學(xué)示蹤原理相結(jié)合的高科技技術(shù)。ECT分為兩大類，一類是以發(fā)射單光子的核素為示蹤劑的，即單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像儀（singlephotonemissioncomputedtomography，SPECT）；而另一類是以發(fā)射正電子的核素為示蹤劑的，即正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像儀（positronemissiontomography，PET）。（1）SPECTSPECT實(shí)際上就是一個(gè)探頭可以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（通常是5.6°或6°）采集一幀圖片，然后經(jīng)電子計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理，將圖像疊加，并重建為該臟器的橫斷面、冠狀面、矢狀面或任何需要的不同方位的斷層、切面圖像。近年來(lái)為提高診斷的靈敏度、分辨率和正確性，同時(shí)縮短采集時(shí)間，雙探頭的SPECT也相繼應(yīng)用于臨床中。SPECT同時(shí)也具有一般γ相機(jī)的功能，可以進(jìn)行臟器的平面和動(dòng)態(tài)（功能）顯像。SPECT單光子發(fā)射型計(jì)算機(jī)體層設(shè)備(SPECT)利用γ照相機(jī)圍繞著診斷感興趣的人體區(qū)域，采集各種不同角度上放射出的γ光子并計(jì)數(shù)，然后利用X-CT中所使用的圖像重建方法，得到人體某一體層上的放射性藥物濃度的分布，即可得到多層面的各方位的體層圖像或三維立體像。與X-CT的區(qū)別：圖像粗造，空間分辨率低。屬發(fā)射型體層攝影；SPECT基本結(jié)構(gòu)和工作原理分類：多探頭環(huán)形（掃描型）：結(jié)構(gòu)與X線CT類似，由數(shù)量眾多的探頭圍成環(huán)狀，同時(shí)分別檢測(cè)各個(gè)方向的γ射線。照相機(jī)型：探頭固定型：探頭旋轉(zhuǎn)型：基本成像原理人體發(fā)射的γ光子橫向斷層掃描檢測(cè)投影數(shù)據(jù)采集預(yù)處理電路吸收校正圖像重建和顯示旋轉(zhuǎn)機(jī)架（2）PETPET是目前在分子水平上進(jìn)行人體功能顯像的最先進(jìn)的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，它的空間分辨率明顯優(yōu)于SPECT。PET的基本原理是利用加速器生產(chǎn)的超短半衰期同位素，如氟-18、氮-13、氧-15、碳-17等作為示蹤劑注入人體，參與體內(nèi)的生理生化代謝過(guò)程。這些超短半衰期同位素是組成人體的主要元素，利用它們發(fā)射的正電子與體內(nèi)的負(fù)電子結(jié)合釋放出一對(duì)伽瑪光子，被探頭的晶體所探測(cè)，得到高分辨率、高清晰度的活體斷層圖像，以顯示人腦、心臟、全身其它器官以及腫瘤組織的生理和病理的功能及代謝情況。PET在臨床醫(yī)學(xué)的應(yīng)用主要集中于神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、腫瘤三大領(lǐng)域。PET正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)體層設(shè)備(PET)使用發(fā)射正電子的放射性核素；測(cè)量湮沒(méi)輻射產(chǎn)生的γ光子。優(yōu)點(diǎn)：空間分辨率高，一般4~5mm，最佳3mm。特點(diǎn)：使影像技術(shù)從簡(jiǎn)單的解剖結(jié)構(gòu)、吸收功能成像邁向新的分子顯像、代謝顯像和基因成像，不僅提供診斷信息，還提供治療信息。PET臨床應(yīng)用的正電子放射核數(shù)：使用回旋加速器生產(chǎn)；常用：，半衰期短。正電子湮滅前在人體組織內(nèi)行進(jìn)1-3mm。湮滅作用產(chǎn)生：能量(光子是

511KeV)。nb+b-~1-3mm511KeV511KeV同時(shí)產(chǎn)生互成180度的511keV的γ光子。正電子湮滅正電子成像的基本原理正電子放射性核素是易于標(biāo)記各種生命必需的化合物及其代謝產(chǎn)物，如：引入人體的放射性核素參與人體代謝，反映了人體組織器官的機(jī)能和代謝狀態(tài)。正電子與人體組織的電子相結(jié)合而湮滅，轉(zhuǎn)換成一對(duì)方向相反、能量為511Kev的γ光子。從各個(gè)角度收集γ光子，進(jìn)行圖像重建。8.1.3核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備主要指標(biāo)及性能要求

1.核醫(yī)學(xué)成像安全指標(biāo)（1）常用輻射量及其單位①放射性活度②照射劑量③吸收劑量④當(dāng)量劑量

（2）人體輻射的生物學(xué)效應(yīng)當(dāng)人體受輻射作用時(shí)，根據(jù)照射劑量、照射方式的不同，人體所產(chǎn)生的生物效應(yīng)也不同。放射性物質(zhì)以波或微粒形式發(fā)射出的一種能量就叫核輻射，核爆炸和核事故都有核輻射。它有α、β、γ三種輻射形式。α輻射只要用一張紙就能擋住，但吸入體內(nèi)危害大；β輻射是高速電子，皮膚沾上后燒傷明顯；γ輻射和X射線相似，能穿透人體和建筑物，危害距離遠(yuǎn)。宇宙、自然界能產(chǎn)生放射性的物質(zhì)不少，但危害都不太大，只有核爆炸或核電站事故泄漏的放射性物質(zhì)才能大范圍地對(duì)人員造成傷亡。放射性物質(zhì)可通過(guò)呼吸吸入，皮膚傷口及消化道吸收進(jìn)入體內(nèi)，引起內(nèi)輻射，γ輻射可穿透一定距離被機(jī)體吸收，使人員受到外照射傷害。內(nèi)外照射形成放射病的癥狀有：疲勞、頭昏、失眠、皮膚發(fā)紅、潰瘍、出血、脫發(fā)、白血病、嘔吐、腹瀉等。有時(shí)還會(huì)增加癌癥、畸變、遺傳性病變發(fā)生率，影響幾代人的健康。一般講，身體接受的輻射能量越多，其放射病癥狀越嚴(yán)重，致癌、致畸風(fēng)險(xiǎn)越大。8.2單光子發(fā)射斷層成像（SPECT）設(shè)備與應(yīng)用8.2.1SPECT的結(jié)構(gòu)SPECT，是單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像,SPECT系統(tǒng)一般由六部分組成：探頭（旋轉(zhuǎn)型γ照相機(jī)）、機(jī)架、斷層床、控制臺(tái)、計(jì)算機(jī)和光學(xué)照相系統(tǒng)。GE公司生產(chǎn)的SPECT設(shè)備及結(jié)構(gòu)

8.2單光子發(fā)射斷層成像（SPECT）設(shè)備與應(yīng)用8.2.2SPECT設(shè)備特點(diǎn)與成像新技術(shù)1.SPECT設(shè)備的特點(diǎn)SPECT是核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的一種，兼具核醫(yī)學(xué)和CT兩種影像設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，具備對(duì)人體生理、生化、功能、代謝等信息的多維顯像方式，可以有效的提高病變的檢測(cè)率。其主要特點(diǎn)如下：（1）使用的示蹤劑適應(yīng)面廣，特異性高，放射性小，不干擾人體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。（2）時(shí)域解像精度不到千分之一秒。（3）保留了γ照相機(jī)全部平面顯像的性能（4）分層臟器功能可以觀察到臟器功能動(dòng)態(tài)變化，化學(xué)物質(zhì)在臟器內(nèi)代謝分布、血管量的變化、腫瘤免疫及受體定位等信息。8.2單光子發(fā)射斷層成像（SPECT）設(shè)備與應(yīng)用8.2.2SPECT設(shè)備特點(diǎn)與成像新技術(shù)2.SPECT成像新技術(shù)影響SPECT成像質(zhì)量的因素有很多，如人體組織的衰減，運(yùn)動(dòng)對(duì)成像造成的影響等。隨著新技術(shù)的進(jìn)展，這些問(wèn)題逐步得以解決。（1）衰減校正技術(shù)（AttenuationCorrection，AC）（2）多探頭及圓柱形探頭的SPECT系統(tǒng)8.2單光子發(fā)射斷層成像（SPECT）設(shè)備與應(yīng)用8.2.3SPECT的臨床應(yīng)用SPECT能顯示臟器或病變的血流、功能和代謝的改變，有利于疾病的早期診斷及特異性診斷，在臨床當(dāng)中的應(yīng)用十分廣泛。1． SPECT診斷的應(yīng)用范圍：（1）骨骼顯像（2）心臟灌注斷層顯像（3）甲狀腺顯像（4）局部腦血流斷層顯像（5）腎動(dòng)態(tài)顯像及腎圖檢查（6）其它SPECT顯像的主要臨床應(yīng)用2. SPECT典型病歷(略)8.3正電子發(fā)射斷層成像（PET）設(shè)備與應(yīng)用8.3.2PET的性能特點(diǎn)1.PET顯像的特點(diǎn)（1）靈敏度高、分辨率強(qiáng)（2）示蹤劑具有生物活性（3）放射性損傷較?。?）系統(tǒng)復(fù)雜，費(fèi)用昂貴8.3正電子發(fā)射斷層成像（PET）設(shè)備與應(yīng)用8.3.2PET的性能特點(diǎn)2.PET與CT、MRI的比較PET主要測(cè)量體內(nèi)化學(xué)變化及新陳代謝，而CT或MRI主要用來(lái)觀察人體組織與結(jié)構(gòu)，因此，在區(qū)分癌癥與良性組織，以及區(qū)分惡性或非惡性組織時(shí)，PET比CT或MRI有效。PET也經(jīng)常和CT及MRI透過(guò)“影像融合”的方式更清楚的看到在三維空間里正確的癌組織位置。CTPET透視斷層TCT（外源）X射線空間分辨<1mm解剖結(jié)構(gòu)成像發(fā)射斷層ECT（內(nèi)源）γ射