核医学成像设备（ - ） 张剑戈

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生物医学工程讲义

内容提要• 概论• 物理基础• Γ 照相机

概论利用 γ 射线作为探测手段，通过脏器内外或脏器内的正常与病变组织之间的放射性浓度差别揭示人体的代谢和功能信息。• 先让人体接受某种放射性药物，这些药物聚集在人体某个脏器中或参与体内某种代谢过程• 对脏器组织中的放射性核素的浓度分布和代谢进行成像• 核医学影像不仅能得到人体脏器的解剖图像，还可得到生理、生化、病理过程等功能图像。

设备的历史和分类• 核医学的起源可以追溯到 20 世纪初， 1948 年 Ansell 和

Rotblat 研制出了逐点扫描的核医学成像装置，并用于甲状腺的测量。 Anger 在 50 年代研制出了商业化的 γ 相机。70 年代 Kuhl 等人完成了 SPECT 的商业化。 PET 的思想在 1951 年由 Wrenn 等人提出， 60 年代末期出现临床应用的设备。核医学成像设备的分类

• γ 照相机亦称闪烁照相机，是对体内脏器中的放射性核素分布进行一次成像，并可进行动态观察的核医学仪器。• 发射型计算机断层 (emission computed tomography, EC

T) 是在体外从不同角度来采集体内某脏器放射性分布的二维影像，而后经计算机数据处理重建，并显示出三维图像。可以分为 SPECT 和 PET• PET 是目前成像最为精确的核医学设备。

核医学成像的特点• 诊断依据是人体内的放射性强度分布 • 可以探测生理参数，进行癌症的早期诊断 • 缺点是空间分辨率不够，不能精确地确定病灶的解剖位置

新发展• 为了克服核医学设备分辨率不高的缺点，研究人员将 SPECT 、 PET 与 CT 结合在一起，解决核医学图像不清楚的缺陷 , 同时采取 X-CT 图像进行全身能量衰减校正。 • 由于放射性药物的特异性成像，借助核素标记，

PET 可以在分子水平的微观研究和宏观的整体研究中建立起一座桥梁，被称为分子影像。

物理基础 • 核素是由一定数量的质子和中子构成的束缚态体系，对应于一定的原子核能态。 • 放射性核素的衰变方式有：衰变（射线）、衰变（正电子和电子）和衰变（射线）等。• 放射性现象是由原子核内部的变化引起的，与核外电子的状态无关，对放射性核素加温、加压或者加磁场都不能抑制或明显改变射线的发射。• 常用半衰期 T1/2 描述放射性核素的衰变

放射性药物的生产• 核医学成像过程中使用的放射性核素均为人工制造，加速器、核反应堆及核素产生器是常见的三种生产放射性核素的途径。• 将稳定核素的材料放置在核反应堆的堆芯附近照射。照射时间根据半衰期大小设定，取出照射后的材料，用化学分离的方法分出相关核素。用于生产出半衰期比较长的放射性核素。

核素产生器 从半衰期较长的母体核素中，分离出由母体核素衰变产生的、半衰期较短的、适合临床应用的子体核素的装置。 • 母体核素由核反应堆或加速器生产，注入装有吸附剂的层析柱内• 母体核素不断衰变为子体核素，由于化学性质不同，子体核素可以选用适当的洗脱剂从层析柱上洗脱。• 子体核素洗脱后，未衰变的母体核素仍然在层析柱中继续

衰变，不断产生子体核素 • 这种装置被人们俗称为“母牛”

回旋加速器 利用磁场使运动中的带电离子回转，并利用电极间交错变换的正负电场，使离子在回转过程中不断地获得能量。• 用激发电离气体的方式形成离子源• 离子经一偏压电压吸引进入加速器内部的真空腔 • 带电离子受到磁场的磁力作用，开始旋转• 外加在加速腔上的交变电极间产生垂直于 B ，以频率 ν=ω/2π 变化的强电场

医用回旋加速器• 把两个呈字母 D形的盒子相对放置，就可得到交变的加速电场。• 理想的放射性药物应该低辐射剂量安全方便价格合理• 放射性药物在人体内病灶的位置上吸附比例应大于正常组织。

γ 射线与物质的相互作用• γ 射线与物质原子中的束缚电子发生作用时 , 把全部能量传递给某个束缚电子 , 使其脱离原子发射出去而光子本身则消失 , 这种作用过程叫做光电效应，而发射出来的电子称为光电子。• 入射 γ光子与原子核外电子发生非弹性碰撞，光子的一部分能量转移给电子，使其反冲出来，同时散射光子的能量和运动方向发生改变，该作用过程被称为康普顿散射。• γ光子在靶物质原子的原子核库仑场作用下，光子转化为一对正负电子。 这种作用过程叫做电子对产生。 • γ 射线通过物质时 , 是强度逐渐减弱的过程，而能量保持不变，故 γ 射线无射程可言。

射线的探测技术 用于探测射线的探测器包括有固体、气体和液体探测器，最常用的是固体闪烁探测器。

• 入射的光子在闪烁晶体中发生光电效应、康普顿散射或电子对效应，把能量传给电子• 电子通过电离或激发作用将能量沉积在晶格中• 晶体发生退激，释放出被沉积的能量，一部分以可见光的形式释放出来• 用光电倍增管将闪烁体发出的微弱光转变成电子，进行记录

光电倍增管 • 光电倍增管由光阴极、倍增极和阳极组成，这些电极被封装在真空的玻璃管中。• 闪烁光子作用在光阴极上时由于光电效应可产生出电子 • 电子倍增是通过一系列倍增极所构成的倍增系统完成 • 从阳极上得到的电子流与入射到光电倍增管光阴极上的闪烁光强度成正比

照相机 γ 照相机是记录和显示被拍照的物体中 γ 射线活度分布的一次成像照像系统。主要由四部分组成：闪烁探头电子学线路显示记录装置附加设备。

平面 γ 照相机探头 探测器由准直器，闪烁晶体，光电倍增管等组成• NaI晶体的直径大于 60cm 或者面积大于 55cm×45cm ，厚度为 0.96cm 。• 多采用一块大直径的 NaI(Tl)晶体和 37-91 个按一定形状（例如正六角形）排列分布的光电倍增管相耦合• 光电倍增管的数目根据晶体和光电倍增管的大小决定。• 光耦合的方法是在光电倍增管与 NaI晶体之间加入硅油以减少光的反射，或者采用光导，以求尽量多地将晶体中的荧光引导至光阴极。

准直器 准直器的功能是将被拍物体中某一空间区域内，沿特定方向发射的 γ 射线投影到成像平面的相应面积元上，吸收其它方向的 γ 射线。• 准直器常用钨铅合金制作，包含圆形、方形或者六角形的小孔，覆盖在整个 NaI晶体表面。• 准直器可以分为低能（小于 150KeV ）、中能（ 150-300

KeV ）和高能（ 300-600KeV ）三种，低能准直器孔径最小，空间分辨率最高；中能次之；高能最差。

准直器的选择 • 临床应用中根据入射 γ 射线能量，被成像脏器的位置和大小，探头的形状和大小，选择合适的准直器。 • 平行孔准直器适用于比较大的脏器。• 针孔准直器可以对被测物体起到放大作用，常用于甲状腺成像。• 为了扩大视野，可以采用扇形准直器。 • 准直器会影响 γ 照相机的空间分辨率、灵敏度，准直器孔壁的穿透效应对最终的成像质量也有影响 。

γ事件定位 根据光电倍增管读出的信号，计算出该事件在闪烁晶体内的作用位置（ x,y坐标），将该作用点的坐标再通过准直器还原到物体表面，最终得到物体中放射性核素的分布。问题：由于晶体面积大，光电倍增管数目多，荧光光子各向同性，某个 γ事件在晶体上所激发的荧光会被全部的光电倍增管所采集。

电阻加权定位 光电倍增管给出位置信号和能量信号。位置信号经过矩阵电阻链分别输入到四个放大器，其输出给出晶体中荧光产生点的重心位置；能量信号通过加和电路作为总能量信号，大小与荧光光量成正比。

γ 照相机的质量控制 γ 照相机性能的衡量指标包括空间线性、空间分辨率和均匀性

• 均匀性指 γ 照相机的探头对理想面源的响应 • 空间分辨率是探测器系统分辨两个点源或线源最小距离的能力 • 空间线性描述物体精确形状描述的能力 准直器对系统的各项性能影响很大，应对不同的准直器分别进行测量。

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