医学影像学课件-放射性核素显像.ppt

第六章 放射性核素显像(RNI),约里奥-居里法国核物理学家,约里奥-居里法国核物理学家和化学家,第六章 放射性核素显像(RNI),照相,第六章 放射性核素显像(RNI),第一节 概述,第二节 原子核的放射性,第三节 原子核反应,第四节 射线探测,第五节准直器,第六节照相机和SPECT,第七节正电子发射型计算机断层,第六章 放射性核素显像(RNI),第一节 概述,一、放射性核素显像的技术特点,二、核素示踪,三、放射性制剂,一、放射性核素显像的技术特点,放射核素引入人体,参与人体 新陈代谢,特定脏器 组织中聚集,放射性活度分布的外部测量,以图像形式显示（功能性显像）,半衰期短,核素数量少,灵敏度高,二、核素示踪,基本根据,放射性核素衰变时发射射线，利用高灵敏度放射性测量仪器可对其标记物质进行精确定性、定量及定位测量。,同一元素的同位素有相同化学性质，在生物体内生物化学变化过程完全相同，生物体不能区别同一元素的各个同位素，可用放射性核素来代替其同位素中的稳定性核素。,核素示踪技术的优越性,灵敏度高,测量方法简便,医学科学中应用广泛,射线直接体外测量,放射性示踪物质示踪量极少,不干扰机体正常生理生化过程,准确性高,放射性测量,10-14-10-18g,二、核素示踪,三、放射性制剂,放射性制剂(放射性药物),核医学诊断治疗,显影剂(imaging agent),RNI影像诊断,NaI中的131I,氟l8F脱氧葡萄糖,仅有示踪和辐射粒子作用,性质由其标记物决定,第二节 原子核的放射性,一、放射性衰变规律,二、放射性活度(radioactivity),三、递次衰变,四、放射平衡,五、放射性核素发生器基本原理,六、放射性计数统计规律,一、放射性衰变规律,指数衰减规律,衰变常数,半衰期(half life),描述放射性核素衰变快慢物理量,单位 s-1,特定能态放射核的数量自发核衰变减少到原来核数一半所需的时间,有效半衰期,平均寿命,人体内放射性核素总减少量,放射性核素平均存在时间,单位 s,则,一、放射性衰变规律,人体排泄作用使核素数量按指数规律减少对应一个衰变常数称生物衰变常数,二、放射性活度(radioactivity),单位时间内衰变的原子核数,放射性活度,单位,贝可(勒尔)Bq 1Bq=1s-1,居里（1Ci=3.71010Bq）,毫居里(mCi)微居里(Ci),核素一定，一定，AN,在体外测得活度值正比于体内对应位置放射性核素数目,核素显像基本原理之一,两种核素N相同不同,短寿命核素的活度大,A一定,满足体外测量一定活度放射性核素寿命越短，所需数量越少,临床应用短寿命核素的原因,二、放射性活度(radioactivity),三、递次衰变,第一代子核B衰变速率,递次衰变,第二代子核C稳定,第二代子核C不稳定,第i代子核衰变规律,三、递次衰变,四、放射平衡,1.暂时平衡,子核数量按母核衰变规律变化两者数目保持与t无关的暂时固定的比例。,各代核的数量比与时间无关,放射平衡,且,子核B数目达到最大值,最大值,时刻,四、放射平衡,2.长期平衡 且时间足够长t7T2,1N1=2N2 A1=A2,四、放射平衡,对于多代的情况，只要母核半衰期远大于子核，则会出现这种长期平衡。整个系列达到长期平衡时，各代活度均相等。,母核半衰期比子核长得多，观察时间足够长，子核数目及活度达到饱和，其活度与母核相等。,四、放射平衡,3.不成平衡,母核半衰期远小于各代子核，经一定时间后，母核几乎全部转变为子核。其后，子核按自己的方式衰变。,四、放射平衡,五、放射性核素发生器基本原理,1.核素发生器中的放射平衡,母子体核素达到暂时平衡,足够长时间,分离子核获得子核最大放射性活度,当t不是很大时,母子体系会达到长期平衡,五、放射性核素发生器基本原理,1.核素发生器中的放射平衡,2.子核提取,子体核素放射性最大时，对子核进行提取,暂时平衡 时,长期平衡是 时,子核提取后，母子核体系处于不平衡状态下一个 或 又可对子核提取,“母牛”“挤奶”,五、放射性核素发生器基本原理,六、放射性计数统计规律,计数测量对象、环境不变，多次计数测量数值大小在一个数值上下起伏的现象,1.放射性计数的统计涨落,2.放射性计数的统计规律,放射性计数是大量随机事件统计平均的一种结果,计数较大趋向高斯分布,计数频数呈泊松分布,偶然误差的对称分布,第六节照相机和SPECT,变异系数CV,一次测量,计数N,标准差s,s和CV反映测量值离散程度,重复测量结果68出现在N-s到N+s之间,一次性计数表示,六、放射性计数统计规律,计数率,标准误差,相对标准误差,计数率可表示为,六、放射性计数统计规律,可信度68%,根据误差传递法则,实际测量存在本底计数,净计数率,总计数率 本底计数率,计数率n出现在 到 之间的概率,六、放射性计数统计规律,第三节 原子核反应,一、核反应的一般概念,二、中子及分类,三、中子核反应,四、医学放射性核素的来源,核反应,具有一定能量的粒子如氦核3He或4He()氘核2H(d)、质子(p)、中子(n)、光子()等轰击原子核(靶核)，使之转变为另一原子核,重核裂变,重原子核经中子轰击分裂为质量大致相等两部分和到个中子，同时放出大量热量,中子轰击235U反应,一、核反应的一般概念,一、核反应的一般概念,按入射粒子种类分,中子核反应、质子核反应、光反应轻离子核反应、重离子核反应,按入射粒子能量分,按靶核的质量分,轻核反应(A30)、中核反应(3090),低能核反应(1GeV),2.核反应的类型,3.电子对湮灭,衰变中产生的大约在1.5mm之内的范围内与电子发生湮灭。据能量守恒和动量守恒，电子对湮灭过程中，必然产生一对飞行方向相反、能量为0.511MeV的光子即双光子。,所有核反应过程同核衰变一样严格遵守质量(能量)守恒、动量守恒、电荷数守恒等守恒定律,一、核反应的一般概念,二、中子及分类,不带电 穿透强 易衰变(T=12min),热中子(E1eV),中能中子(1eVE0.1MeV),快中子(E0.1MeV),快中子可由易裂变核素 如233U、235U、239Pu、241Pu等产生。,快中子同含有一定量轻原子核(1H、2H、12C、9Be)的物质中的轻原子核碰撞，通过能量传递、速度减慢，直至与周围介质分子热运动达到平衡。,中子性质,分类,三、中子核反应,中子与原子核相互作用,中子核反应,首先获得中子源,自然界不存在自由中子,利用反应堆提供高通量中子流照射靶材料生产放射性核素,四、医学放射性核素的来源,1.反应堆生产放射性核素,化学处理后生产出医用放射性核素,以235U和239Pu为核燃料的反应堆,(n,f)裂变反应,裂变过程中产生的中子(n)来轰击靶物,(n,)、(n,p)、(n,)、(n,2n)等核反应,丰中子核素,第二节 原子核的放射性,2.回旋加速器生产医用放射性核素,短和超短寿命贫中子核素,回旋加速器加速,带电粒子p、d、3 He,轰击靶物质,产生核素,化学分离,高纯度的放射性核素,衰变电子俘获,照相机、SPECT和PET显像,四、医学放射性核素的来源,3.放射性核素发生器生产医用放射性核素,以长半衰期母体核素和短半衰期子体核素的“衰变生长”关系为基本原理,“母牛”装置,最常用,四、医学放射性核素的来源,第四节 射线探测,一、射线能谱,二、闪烁计数器,三、脉冲幅度分析器,射线射在NaI(Tl)晶体上，产生光电子、康普顿 散射电子等次级电子，这些电子在闪烁能谱仪 中形成计数，得到脉冲高度分布曲线(脉冲高度谱),每一种放射性核素都有自己特有的辐射能谱,测出射线能谱鉴定和分析放射性同位素,射线能谱,闪烁体 碘化钠(NaI(Tl)晶体,光电峰 能量最大的峰,表示核素的特征,第二节 原子核的放射性,一、射线能谱,99mTc的射线能谱,一、射线能谱,临床医学测量射线能谱主要意义,测定放射性同位素特定能量射线的计数率,检定放射性同位素或放射性药物,提高诊断结果的准确性,避免康普顿散射射线及其他射线干扰,与标准比较,异常光电峰,混有杂质,一、射线能谱,二、闪烁计数器,射线晶体内产生荧光，光导和反射器组成的光收集器将光子投射到光电倍增管光阴极上，击出光电子，光电子在光电倍增管内倍增、加速在阳极上形成电流脉冲，电流脉冲高度与射线能量成正比，电流脉冲个数与辐射源入射晶体的光子数成正比，即与辐射源的活度成正比。,测量原理,闪烁体（NaI(Tl)晶体）,光电倍增管,闪烁计数器的组成,二、闪烁计数器,光学收集系统,反射层,光学耦合剂,光 导,二、闪烁计数器,光电倍增管,三、脉冲幅度分析器,1.脉冲幅度甄别器,每一种放射性核素都有自己特有的辐射能谱。闪烁计数器产生的电流脉冲幅度和辐射光子能量成正比，测出脉冲幅度与计数关系曲线就等于测出辐射能谱。,高于阈值的脉冲通过并计数,剔出低于阈值的脉冲，逐步改变甄别阈值大小可以得到计数率随甄别阈值的变化曲线。,第二节 原子核的放射性,三、脉冲幅度分析器,脉冲幅度甄别器原理,2.单道脉冲幅度分析器,3.多道脉冲幅度分析器,直接测出幅度在VV+V之间脉冲计数,两个甄别器,差值V叫道宽。,下限甄别器甄别阈值V,上限甄别器阈值V+V,多个脉冲分析器,一次测量得出一个单道脉冲 幅度分析器多次测量的结果,三、脉冲幅度分析器,第五节准直器,一、准直器的作用,二、准直器的技术参数,一、准直器的作用,准直器(collimator),仅局限于某一空间单元的射线能进入闪烁计数器，其他区域射线不得进入，排除干扰成像的射线,建立放射性核素与图像的空间对应关系。,准直器(collimator),仅局限于某一空间单元的射线能进入闪烁计数器，其他区域射线不得进入，排除干扰成像的射线,建立放射性核素与图像的空间对应关系。,一、准直器的作用,一、准直器的作用,视野(FOV),射线在准直器的作用下直接射入晶体的区域,视野以外射线不能到达的区域,屏蔽区,视野(FOV),射线在准直器的作用下直接射入晶体的区域,视野以外射线不能到达的区域,屏蔽区,一、准直器的作用,1.灵敏度(sensitivity),射线通过准直器的效率,准直器的探测效率,取决于准直器几何尺寸（孔径、长度、焦距）,2.空间分辨力,分辨两线源或点源的最小距离的倒数,定量评价,调制传递函数(MTF),两线源分辨距离R,半峰宽度(FWHM),二、准直器的技术参数,两线源分辨距离 R,两线源平行放置，用一带准直器探测器在垂直线源方向逐点探测计数，获得探测计数与探测位置的响应曲线。,线源相距较远,两个峰值,对应线源位置,线源距离恰可分辨,峰曲线叠加,一峰曲线最小值恰好落在另一峰曲线最大值位置上,二、准直器的技术参数,2.空间分辨力,2.空间分辨力,二、准直器的技术参数,半峰宽度(FWHM),带准直器探测器沿垂直线源方向逐点计数获得的响应曲线最大值一半处的曲线宽度,F 准直器焦距,d0 准直器孔径,L 准直器宽度,2.空间分辨力,系统将实物对比度MS转成图像对比度MI的传递效果,调制传递函数,系统将实物对比度MS转成图像对比度MI的传递效果,二、准直器的技术参数,2.空间分辨力,调制传递函数,空间频率较低,投影函数为周期变化的矩形波,空间频率增大,投影函数是周期变化近似正弦或余弦波,图像边缘清晰,MTF 1,图像完全不能分辨,MTF0,图像边缘模糊,MTF1,2.空间分辨力,空间频率,一条铅条和一条空隙的宽度为空间周期，其倒数叫空间频率。,二、准直器的技术参数,MTF曲线,2.空间分辨力,空间频率,3.深度响应,分辨距离是最佳分辨距离两倍的两个点,焦点近限 焦点远限,焦点长度,焦点近限和焦点远限间的距离,二、准直器的技术参数,空间分辨距离R或FWHM是辐射源到准直器距离的函数，此关系称为准直器深度响应(depth response),最佳分辨距离,某一深度上的一个最小分辨距离，对应的深度称为准直器的焦距F,二、准直器的技术参数,3.深度响应,第六节 照相机和SPECT,一、照相机原理,二、照相机性能指标及质量控制,三、单光子发射型计算机断层的原理,四、单光子发射型计算机断层的技术优势,五、SPECT性能指标及质量控制,一、照相机原理,照相机构造原理,1.探头,射线源,探头,位置信号,能量信号,照相示波器,准直器,电阻矩阵,光电倍增管,闪烁体,XY,Z,射线,Z 信号,位置 信号,“复眼”,闪烁体,光电倍增管,电阻矩阵,激发荧光,荧光,准直器,排除干扰成像的射线,铅制,NaI(Tl)晶体,电脉冲,增强,六角形排列 每个并接四个电阻,输出X-、X+、Y-、Y+四组电流,1.探头,一、照相机原理,第二节 原子核的放射性,一、照相机原理,1.探头,2.位置信号和Z信号,3.显示和记录,加 法 器,减 法 器,示 波 器,示 波 器,第二节 原子核的放射性,延迟电路控制信号,延迟电路控制信号,示波器显示图形,一、照相机原理,二、照相机的性能指标及质量控制,1.空间分辨力 RS,照相机对位置的分辨能力,用两个点(线)源的分辨距离或半高宽度FWHM及调制传递函数MTF表示,Rc 准直器分辨力,Ri 照相机的固有分辨力,2.固有空间线性,照相机对光子位置产生畸变(失真)程度,空间线性不好 图像失真,3.固有能量分辨力,照相机精确分辨光电峰事件的能力,照相机鉴别原闪烁事件和散射事件的能力,二、照相机的性能指标及质量控制,4.固有泛源均匀性,照相机计数密度的差异,积分均匀性(IU),微分均匀性(DU),探头对均匀分布放射源响应差异,对均匀分布放射源的最大响应误差,一定距离间计数密度最大变化率,二、照相机的性能指标及质量控制,5.多窗空间配准度,照相机在不同能量情况下图像位置偏离,6.固有计数率特性,计数率容量（最大计数率）,死时间,照相机对射线的响应能力,能分辨两个事件的最小时间间隔,二、照相机的性能指标及质量控制,7.系统灵敏度,系统对射线的探测效率,单位时间内单位活度的计数率,单位 Cmin-1Bq-1,图像质量集中指标,探测灵敏度,图像的线性,二、照相机的性能指标及质量控制,三、单光子发射型计算机断层原理,发射型计算机断层（ECT）,图像重建显示放射性核素在断层分布,断层图像,功能代谢,单光子发射型计算机断层(SPECT),正电子发射型计算机断层(PET),1.成像的本质与方法,ECT,体外测量发自体内的射线,建立断层投影函数,卷积处理 反投影,重建二维的活度分布,体外单光子数量的探测,SPECT,确定体内放射性核素的活度,三、单光子发射型计算机断层原理,SPECT 成像方法,数据采集,照相机探头,步进式,2 9 静止采集,旋转式,360 运动采集,选层,位置电路确定,层厚任选,数据采集后选定,三、单光子发射型计算机断层原理,2.数据的衰减校正,SPECT 要求射线无衰减,实际情况衰减不可避免,衰减补偿,精度校正,三、单光子发射型计算机断层原理,四、单光子发射型计算机断层的技术优势,1.SPECT在空间分辨力、定位的精确度,2.图像受脏器大小、厚度影响大大低于照相,3.对一些深度组织的探测能力显著提高,4.发现早期病变优于X-CT 和B超甚至MR,计算病变部位的大小和体积等远优于照相,四、单光子发射型计算机断层的技术优势,99mTc-MIBI心肌血流灌注SPECT,五、SPECT性能指标及质量控制,1.物理方面的一般检查,2.像素绝对大小的测定,3.旋转中心偏离的检查,4.断层均匀性的测量,5.断层分辨力的测试,6.总体性能的评价,第七节正电子发射型计算机断层,一、正电子发射型计算机断层原理,二、正电子发射型计算机断层的技术优势,三、ECT的应用评价及发展趋势,一、正电子发射型计算机断层原理,1.采用具有自准直符合计数方法,衰变区域两侧放置两个光子探测器,两探测器同时(10-8s内)接收光子,符合电路给出一个计数,湮灭辐射产生的双光子同一直线上反方向飞行,1.采用具有自准直符合计数方法,一、正电子发射型计算机断层原理,2.衰减校正,3.PET的检测系统,湮灭辐射发生地点对测量 结果影响不大且可精确校正,早期,六角阵列,目前,多环结构,一次63个断层,32环,一、正电子发射型计算机断层原理,3.PET的检测系统,一、正电子发射型计算机断层原理,图0 正常PET代谢显示图 图1 肺癌光子刀术前 图2 术后瘤灶基本消失,PET像,一、正电子发射型计算机断层原理,二、正电子发射型计算机断层的技术优势,1.PET所用核素是构成人体生物分子 主要元素，可以显示机体生理生化过程,“生命断层”,“生化断层”,“活体分子断层”,2.采用贫中子核素 半衰期极短,“超短半衰期核素”,3.PET采用具有自准直的符合电路计数 方法，省去准直器,灵敏度提高，图像质量高,放射性剂量很小,4.电子对湮灭的距离为1.5mm左右,空间分辨距离高可检出510mm的病灶,5.衰减校正精确，便于定量分析,6.多环检测技术获得大量 容积数据，可三维图像重建,7.功能代谢显示为主 可构建融合,PET/CT PET/MRI,二、正电子发射型计算机断层的技术优势,三、ECT的应用评价及发展趋势,应用领域：肿瘤学、心血管系统、精神病学、药理学，特别在肿瘤诊断、鉴别肺部单发肿块性质和肺癌分期、心脏学、胰腺疾病的诊断上比X-CT 有明显的优势。,1.正电子发射型计算机断层应用评价,99mTc-MIBI心肌血流灌注SPECT18F-FDG葡萄糖代谢PET,1.正电子发射型计算机断层应用评价,三、ECT的应用评价及发展趋势,2.正电子发射型计算机断层的发展趋势,受体显像,神经递质受体显像药物,深入研究精神类疾病,PET生理数学模型的研究,PET的质量控制,探求生理动力学规律,三、ECT的应用评价及发展趋势,三、ECT的应用评价及发展趋势,新PET技术研究,时间飞行(time of flight，TOF)技术,空间分辨力逼近极限2mm,PET是分子水平的影像技术,揭开大脑思维功能奥秘,21世纪是分子医学世纪,2.正电子发射型计算机断层的发展趋势,