放射性核素成像.ppt

第六章 放射性核素成像Radio Nuclid Imaging,伽玛照相机,内容梗概,放射性核素显像的特点原子核反应的基本概念放射性衰变规律射线探测,准直器照相机和单光子发射型计算机断层正电子发射型计算机断层PET-CT技术,放射性核素显像,RNI主要是功能性显像，采用放射性核素示踪的间接检测技术可以获取定性、定量、定位的生物体内物质动态变化规律。,放射性制剂,放射性制剂是制剂分子中含有放射性核素的放射性制剂或放射性药物的总称。放射性制剂可以是放射性核素及其简单化合物,如NaI,也可以是用放射性标记的化合物,如18F-去氧葡萄糖。,放射性制剂在其制备过程中的要求,1高产率。即最大限度的利用放射性核素。2微量、低浓度。3简便、快速。4安全。,放射性制剂制备的方法,化学合成法同位素交换法,核外电子与原子核 原子的结构是由位于原子中心的原子核及按一定轨道围绕原子核运行核外电子组成。原子核是由质子和中子组成，质子和中子统称核子。中子不带电，质子带电，其电量与电子电量相等.,几个基本概念,核素 凡是具有一定原子序数、一定质量数和一定能量状态的各种原子，统称为核素。同位素 具有相同原子序数，但质量数不同的核素称为同位素。同质异能素 凡具有相同的原子序数和质量数，处于不同能量状态的一类核素，彼此称为同质异能素。,稳定性核素（又称非放射性核素）：原子核能够稳定的存在于自然界中，不会自发地产生变化，这种核素通常称为非放射性核素（稳定性核素）。放射性核素（不稳定性核素）（Radioactive Nuclide）原子核即使没有任何外来因素作用下，也会自发地放出射线而转变为另一种核素，这类核素称为放射性核素。,核衰变,放射性核素特点 特定的半衰期 物理半衰期（physical half life）符号T1/2,在单一的放射性核素衰变过程中，放射性活度降至原有值一半时所需要的时间，称为物理半衰期，简称半衰期（T1/2）。,生物半衰期(biological half life)符号 Tb,生物半衰期是指进入生物机体内的放射性核素，由于生物代谢过程从体内排出到原来放射性活度的一半时所需要的时间。,有效半衰期（effective half life）,符号 Te，进入生物机体内的放射性核素由于放射性衰变及生物代谢的共同作用，该放射性核素的活度减少到一半所需的时间称为有效半衰期。即放射性核素被引入生物机体内时，放射性活度一方面按衰变规律减少，另一方面还会通过生物代谢排出。,衰变 衰变 衰变,放射性核素及其衰减规律,核衰变规律,核衰变规律公式 半衰期T1/2：放射性原子核数目衰变到一半所需要的时间,其中：N为t时刻衰变核的剩余数目 N0为t=0时刻的衰变核数目 为衰变常数,半衰期T1/2的含义,半衰期T1/2与 的关系,例如：Ra的半衰期为1590年，磷-32的半衰期为14.3天，铯-135的半衰期为2.810-10S。,放射性活度（又称放射性强度）是一定量的放射性核素在一个很短的时间间隔内发生的核衰变数除以该时间间隔。也就是单位时间内发生的衰变的原子核数。,放射性活度的单位,1、贝克勒尔（Becquerel）:简称贝克（Bq）1Bq=1 次核衰变/秒（1S-1）2、居里（Curie,符号 Ci）1 居里表示：放射性核素在 1 秒内发生 3.7 10 10 次核衰变。,核医学始于 20 世纪 50 年代。1950 年，建立了晶体井型计数仪，用于体外的放射性测量。1951 年，cassen 用晶体加准直器研制成功闪烁扫描仪，获得了人体第一张甲状腺扫描图。1957 年，Hal Anger 研制了照相机。1964 年，世界上便有了商品照相机供应，开创了核医学显像的新纪元。1979 年，Kuhl 等人在长期研究基础上制成了世界上第一台发射型计算机断层(ECT)。,核医学仪器的类型（一）测量用核医学仪器：主要在医学研究和临床检验中，用于对被检测样品如血、尿、粪便、组织中的放射性测量。常用的仪器有闪烁计数器、液体闪烁计数器。,核医学仪器的类型,（二）诊断用核医学仪器：主要在临床核医学工作中，用来进行脏器功能测定和脏器显像。脏器功能测定仪（肾功能测定仪、甲状腺功能测定仪、心脏功能测定仪、多探头脏器功能测定仪等）。脏器显像仪器（照相机、发射型计算机断层摄影仪（ECT）。,核医学仪器的类型,防护用核医学仪器：为了保障核医学工作的顺利进行，用于对工作环境、器皿物件以及工作人员体表可能受到的污染进行监测的仪器。如个人剂量监测仪、或辐射表面污染测量仪等。,核医学仪器分类,用于放射性药物的活度测量的活度计 活度计又称强度计、同位素刻度计、居里计。用于个人剂量监测和防护监测的仪器 个人剂量计、热释光剂量计、表面沾染仪、环境监测仪等。,核医学仪器分类,用于体外样品分析的样品测量装置 放射免疫计数器、液体闪烁计数器。用于脏器功能测定的仪器 甲状腺功能仪、肾功能仪、心功能仪、肺密度仪、骨密度仪等。用于脏器显像的装置 闪烁扫描仪、伽玛照相机、SPECT、PET。,一些仪器,活度计,免疫计数器,功能仪,一些仪器,闪烁扫描仪,伽玛照相机,SPECT,PET,全身骨成像,射线探测 利用放射性探测仪器（或测量装置）可以探测和记录放射性同位素所放出射线（或粒子）的种类、数量（强度）和能量（能谱）等。,射线探测临床应用价值,临床医学上常通过探测放射性的方法来观察放射性同位素在人体脏器内的分布，以诊断脏器是否存在病变和确定病变所在的位置等。,闪烁计数器 闪烁计数器是射线探测的基本仪器，它由闪烁体、光学收集系统和光电倍增管组成。,闪烁计数器测量原理,1.射线在晶体内产生荧光，利用光导和反射器组成的光收集器将光子投射到光电倍增管的光阴极上，击出光电子；2.光电子在光电倍增管内被倍增、加速，在阳极上形成电流脉冲输出；3.电流脉冲的高度与射线的能量成正比，电流脉冲的个数与辐射源入射晶体的光子数目成正比，即与辐射源的活度成正比。,闪烁计数器的优势,1.既可以测量光子也可以探测带电粒子，特别是对射线有很高的探测效率；2.经光电倍增管给出的电流脉冲有较强抗干扰能力，适用于较复杂环境的工作。,脉冲幅度分析器,脉冲幅度甄别器 闪烁计数器所产生的电流脉冲的幅度和辐射光子的能量成正比，如测出脉冲幅度与计数的关系曲线就等于测出了幅射能谱。,单道脉冲幅度分析器 能直接测出幅度在之间脉冲计数的仪器叫单道脉冲幅度分析器，它由两个甄别器组成。上限甄别器有较高的甄别阈值，下限甄别器阈值为V，其差值叫道宽。,核医学成像设备原理简介,同位素扫描仪(Radionuclide Scanner),扫描图：甲状腺癌的转移,照相机和单光子发射型计算机断层照相机,照相机作用,照相机是将人体内放射性核素分布快速、一次性显像的设备。它不仅可以提供静态图像也可以进行动态观测，既可提供局部组织脏器的图像，也可以提供人体人身的照片。图像中功能信息丰富，是诊断肿瘤及循环系统疾病的重要装置。,照相机的原理,照相机的探测器(探头)固定不动，在整个视野上对体内发出的射线都是敏感的，所以是一次性成像。检测器所得数据要输入计算机，照相可以对图像作后处理。能把形态学和功能性信息显示结合起来。,伽玛照相机的组成,探头,探头支架,病床,操作控制台 及 数据处理装置,伽玛照相机电路结构,伽玛照相机的探头结构,准直器,NaI(Tl)晶体,光电倍增管(PMT),定位电路,显示,PMT的排列方式,每一个边排列3个，总共19个；每一个边排列4个，总共37个；每一个边排列5个，总共61个；每一个边排列6个，总共91个；每一个边排列7个，总共127个。,P2,位置计算电路,P1,P3,伽玛射线,X1,X2,X3,0,NaI(Tl),P1,P2,P3为PMT的输出信号值，反映了进入PMT的光强。,X1,X2,X3为PMT的位置值,X,发光点的总强度：P=P1+P2+P3 即Z信号的值,发光点的X坐标值：,重心法求发光点的位置原理,X,伽玛照相机的特点,探头不需要移动，可一次成像。成像效率高，特别是对低能量伽玛射线。能做连续动态显像，可以观察脏器对药物随时间的吸收、代谢情况，判断脏器的功能。,伽玛照相机的缺点,1结构与电子线路较为复杂，获得优质图像的设备调整的过程较为复杂。2图像受脏器的厚度影响较大。3照相的空间分辨力还较低，在形态学诊断上还不及XCT射线及MRI。,发射型计算机断层扫描仪 Emission Computed Tomography(ECT)分类 单光子发射型计算机断层扫描仪 Single Photon Emission Computed Tomography(SPECT)正电子发射型计算机断层扫描仪 Positron Emission Computed Tomography(PECT)，简称PET,为什么叫ECT？,相对于TCT(Transmission Computed Tomography)而言，即射线源在人体的外部，X线CT即为TCT。而ECT的射线源在人体内部，即放射线药物引入人体后，药物释放出伽玛射线。ECT的本质是由在体外测量发自体内的射线技术来确定在体内的放射性核素的活度。,SPECT原理,SPECT原理,SPECT的放射性制剂都是发生衰变的同位素，体外进行的是单个光子数量的探测。,SPECT的成像原理,平面成像 线投影通过滤波反投影法重建图像,立体成像 面投影通过滤波反投影法重建图像,SPECT的成像原理,SPECT的成像算法与XCT类似，也是滤波反投影法：1.由探测器获得断层的投影函数；2.用适当的滤波函数进行卷积处理；3.将卷积处理后的投影函数进行反投影，重建二维的活度分布。,单光子发射型计算机断层原理 发射型计算机断层是通过计算机图像重建来显示已进人体内的放射性核素在断ECT分为单光子发射型计算机断层（SPECT）及正电子发射型计算机断层（PET）。,SPECT的衰减校正,SPECT是通过射线的体外计数来标定体内放射性活度，不希望穿出人体的射线有衰减，在无衰减情况下，计数大小正比于放射性话度。但是衰减是不可避免的，它的存在严重影响了活度的精度。,SPECT的特点,可提供任意方位角的断层图像及三维立体图的成像数据；提供功能性测量的量化信息，较照相机大大提高了肿瘤及脏器的功能性诊断效率。测量灵敏度低；量化精度较差；图像空间分辨率低；引入的放射性制剂的量较大。,SPECT与CT的比较,1.比X线CT图像重建复杂 必须修正伽玛射线被组织的吸收。必须修正散射线的影响。,SPECT与CT的比较,2.X线CT测定的是人体组织对X线的衰减值，反映的是组织的物理特性(组织密度值)；而SPECT测定的是人体组织对放射性药物的吸收情况，反映的是人体组织的生理、生化信息，以及组织的功能代谢情况。,PET简介,PET历史 1953年，Dr.BrXwnell和Dr.Sweet就已研制了用于脑正电子显像的PET显像仪。60年代末，出现了第一代商品化PET扫描仪，可进行断层面显像。1976年，由Dr.Phelps和DrX.Hoffman设计，由ORTEC公司组装生产了第一台用于临床的商品化的PET。,PET历史,20世纪80年代，更多公司投入了PET研制，岛津(Shimadzu，1980)、CTI公司(1983)、西门子公司(Siemens，1986)、通用电气公司(GE，1989)、日立公司(Hitachi，1989)和ADAC公司(1989)。PET系统已日趋成熟，许多新技术用于PET产品。90年代中期，在发达国家PET已成为重要的影像学诊断工具。,PET的发展,2001年 GE DISCOVERY-LS,1964年 环状头部PET,正电子发射型计算机断层扫描仪PET的优势,PET的最大优势是能定量评价在体组织的生理、生化功能，相对于SPECT又有空间分辨力高、灵敏度高，测量精度高，引入的放射性制剂量少等特点，被誉为活体的分子断层图像。,PET的特点,1采用了人体富有的贫中子短寿命同位素作为放射性制剂 2采用具有自准直符合计数方法 3衰减校正较好 4PET的检测系统灵敏度较高,湮灭辐射产生的双光子飞行在同一直线上，但方向相反。在衰变发生的区域两侧，放置两个光子探测器，当两个探侧器同时接收到光子时符合电路会给出一个计数。,Return,湮灭辐射有自准直作用，无需准直器，这样PET的灵敏度大大提高，引入体内的放射性制剂的量大为减少。而XCT中的X射线，SPECT中的射线就要在探测器中加装准直器，这样很多的光子就被准直器挡掉了。,符合探测带来的另一好处是湮灭辐射发生地点对测量结果的影响不大，而这个不大的影响还可以得到很精确的校正。,Return,PET影像设备,正电子核素制备回旋加速器 正电子示踪剂制备 放化标记设备 PET影像获取 PET影像系统,正电子药物,正电子核素半衰期 产 物 Carbon-1120.5 min14N(p,)11C Nitrogen-1310.0 min16O(p,)13N Oxygen-152.1 min14N(d,n)15O Fluorine-18110 min18O(p,n)18F(F-)20Ne(d,)18F(F2)Gallium-6868 minGe-68的子体(271天)Rubidium-821.27 minSr-82的子体(25天)C,N,O,F 等成分直接参与人体生化代谢,正电子成像的物理基础,正电子放射性核素通常为富质子的核素，它们衰变时会发射正电子。原子核中的质子 释放正电子和中微子并衰变为中子：P+n+其中 P为质子，n为中子，为正电子，为中微子。,正电子湮灭,正电子发射体发射出的正电子（）在极短的时间内与其临近的电子（）碰撞而发生湮灭辐射，即在两者湮灭的同时，产生两个方向相反的能量都为511KeV的光子，此即质量湮灭现象。,正电子湮灭,正电子湮灭前在人体组织内行进 1-3mm。湮灭作用产生：能量(光子是 511KeV)。动量,n,b+,b-,1-3mm,511KeV,511KeV,同时产生互成180度的511keV的伽玛光子。,常用正电子放射性核素的物理特性,放射性核素半衰期 最大正电子能量 最大射程 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,符合探测原理,湮灭辐射发生的位置限于这两个探头的有效视野内，凡在此视野外或在此视野内发生的湮灭辐射，所产生的两个光子不能同时进入两个探头者，都不能形成符合信号，因而不能被记录，此即符合检测原理。,符合探测原理,符合探测技术能在符合电路的时间分辨范围内，检测同时发生的放射性事件。利用符合探测技术可以进行正电子放射性核素示踪成像。使用符合探测技术，起到电子准直作用，大大减少随机符合事件和本底的同时提高了探测灵敏度。,探测器1,探测器2,脉冲 处理器,符合,脉冲 处理器,PET影像分辨率的极限,正电子湮灭作用过程中粒子的动量变化会导致511 keV光子在探测野中产生约4弧度的不确定性偏离。对探测环横断面视野直径为70cm的PET，会导致23mm的位置不确定性。这一微小偏差，以及正电子发射位置与湮灭辐射的发生点之间存在微小间距，使PET的分辨率有一极限值制约。对大视野（FOV）PET而言，最高分辨率约为34mm。,PET影像分辨率的极限,点源,真符合、随机符合和散射符合,1.真符合时间,2.因灵敏度或死时间丢失的真符合事件,3.因光子衰减丢失的真符合事件,4.散射符合事件,5.a,b 随机符合事件,R,光电倍增管,光电倍增管,处理,符合,探测器,环,PET的数据处理过程,符 合 处理器,数据 重组,图像 重建,图像,PET的电子准直,PET的探头和探测环,X-Y平面为PET的横断面，与探测环平面平行。Z轴是 PET的长轴，与探测环平面垂直。,PET选用的晶体,早期研制的PET仪晶体材料为NaI（碘化钠），第一台商品化PET也是应用NaI晶体作探测晶体。80年代初期，EG&G Ortec与Scanditronix公司将BGO（锗酸铋）与GSO（硅酸钆）两种晶体用作PET探测晶体。,PET选用的晶体,从1980年至2000年，BGO是主要的PET晶体材料之一，而NaI与GSO在商品化PET中应用相对较少。1990年，LSO（硅酸镥）晶体的研究引起人们的很大关注.第1台商品化临床LSO PET仪于2001年由CTI/CPS推出，这种新型探测器材料对PET的发展具有重要贡献。,PET选用的晶体,NaI(Tl)晶体能量分辨率较高，价格便宜。BGO晶体密度大，探测效率高、稳定性好。LSO、GSO等晶体密度大、衰减常数小、光产额高。,性能指标NaICeF1BaF2BGOCsI(Tl)LSOYAPGSO 物理密度(g/cm3)3.676.16 4.89 7.13 4.517.355.556.71 辐射长度(cm)2.591.702.101.121.860.882.70 线衰减系数(1/cm)0.340.640.470.92 0.600.87 0.62 发射波长(nm)410310220480580420380430 衰减常数(ns)230213001000 403060 光子产额(%)100 3 4 15 45704041 折射指数1.85 1.62 1.49 2.151.801.82 1.901.85,PET的结构组态,1对1组合,块状晶体组合,伽玛相机组,临床PET采用多晶体组合结构。用较少的探测器得到较多的环数、较大的轴向视野和较高的空间分辨率。,PET的结构组态,PET 的 2D和 3D采集模式,2D采集时探头环与环之间放置栅隔(septa)。栅隔由铅或钨等重金属屏蔽材料制成，防止错环符合事件发生。3D采集收进环间栅隔，系统会记录探测器之间任何组合的符合事件。,PET 的 2D和 3D采集模式,PET 的 2D采集模式,直接性,交叉性,组合型,PET 的 3D采集模式,3D:35%散射和随机计数需减去 2D:仅 10%非真符合计数需减去,3D全身扫描除了散射和随机符合计数外，还包括轴向视野(AFOV)外的放射性计数，这些计数的掺入严重影响3D全身影像。,PET 的 2D和 3D采集模式,2D采集：信噪比高，随机符合和散射符合计数较小 图像校正和图像重建简单，定量处理准确 轴向FOV均匀性较好 灵敏度较低，采集时间较长 3D采集：灵敏度较高，节省采集时间 随机符合和散射符合计数较高 图像校正和图像重建复杂，定量精度很差 轴向FOV均匀性较差,PET的性能参数,能量分辨率：E res=(EFWHM/EP)X 100%时间分辨率：时间响应曲线的半高宽（FWHM）空间分辨率：探测器在X、Y、Z三个方向能分辨最小物体的能力。噪声等效计数率系统灵敏度：单位时间内、单位辐射剂量条件下获得的符合计数。最大计数率：探测器在单位时间能计量的最大计数值。PET显像仪的性能指标可以根据严格的规定、使用标准的模型进行测试。,PET的图像,