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核医学仪器ECT的原理和应用
核医学仪器ECT的原理和应用
摘要1
Abstract1
一、核医学仪器概述2
二、核医学仪器SPECT的原理和应用2
2.1SPECT的原理2
2.1.1SPECT的结构和基本组成2
2.1.2SPECT的原理2
2.2SPECT的应用3
2.3SPECT的新进展
3
2.3.1利用FIX显像提高了对肿瘤的鉴别能力3
2.3.2SPECT也能生成正电子符合图像4
2.3.3SPECT灵敏度进一步提高4
2.3.4整机结构的变化4
2.3.5利用不同机型图像的进行融合5
2.3.6衰减校正6
2.3.7探测器实现数字化7
2.3.8新型探测器进入实用阶段7
2.3.9新型准直器进入实用阶段7
2.4关于SPECT-CT8
三、核医学仪器PET的原理及应用8
3.1PET概述8
3.2PET的原理
9
3.3PET探测器
9
3.3.1PET探测器的现状9
3.3.2PET探测器的发展趋势
11
3.4关于PET/CT、SPECT/PET
13
核医学仪器ECT的原理和应用
摘要
自从进人20世纪90年代以来,医学影像技术得到重大发展。
在以解剖结构为基础的X射线计算机断层成像(XCT)及磁共振成像(MRI)技术发展的同时,以人体功能代谢为成像基础,反映脏器功能、组织生化代谢和细胞基因变化的功能分子影像设备,即单光子ECT和正电子符合成像(PET)也得到了迅猛发展。
核医学正日益成为医学科学现代化的重要标志之一。
最初,核医学领域广泛使用的成像仪器曾经是伽马照相机。
但是,当今最具有代表性的设备是探测发射正电子放射性药物分布的正电子发射断层成像仪(PET)和探测单光子放射性药物分布的单光子发射计算机断层成像仪(SPECT)。
本文就核医学仪器ECT的原理和应用展开了探讨。
关键词:
ECT;PET;SPECT;断层成像
Abstract
Sincetheninety'softwenty-firstcentury,medicalimagingtechnologyhasmadeasignificantdevelopment.WhilethetechnologiesofX-RayComputedTomographybasedonanatomicalstructureandNuclearMagneticResonanceImagingdeveloping,themolecularimagingtechnique,thatisECTandPET,hasalsomaderapiddevelopmentatthesametime,whoseimagingbasedonMetabolismofthehumanbodyfunctions,reflectingorganicfunction,tissuebiochemicalmetabolismandchangesincellgene.Nuclearmedicineisincreasinglybecomingoneofimportantsymbolsofmodernmedicalscience.Initially,thefieldofnuclearmedicineimagingequipmentwidelyusedingammacamerasusedtobe.Buttodaythemostrepresentativepositronemissiondeviceistodetectthedistributionofradioactivedrugspositronemissiontomographyimagingdevice(PET)andsinglephotonradiopharmaceuticalsdistributionofdetectionofsinglephotonemissioncomputedtomographyimagingdevice(SPECT).Inthispaper,theprincipleofnuclearmedicineinstrumentationandapplicationofECTtostartthestudy
Keywords:
ECT;PET;SPECT;Tomography
一、核医学仪器概述
核医学仪器是用于医学目的的探测和记录放射性核素放出射线的种类、数量、能量、时间变化和空间分布的仪器。
具体可分为核医学显像设备、核医学功能测定设备、γ计数器、活度计、污染、测量监测仪等。
传统核医学显像设备包括闪烁扫描机、γ照相机、单光子发射计算机断层成像(SinglePhotonEmissionComputedTomography,SPECT)以及正电子发射计算机断层成像(PositronElectronicTomography,PET)。
随着技术的不断成熟和新材料的应用,其设备研制不断发展,近几年,相继应用于临床的核医学设备有SPECT/CT、SPECT/PET和PET/CT。
本文将对其相应的设备的原理和应用进行归纳。
二、核医学仪器SPECT的原理和应用
2.1SPECT的原理
2.1.1SPECT的结构和基本组成
我们知道γ照相机的结构包括探头、机架系统、检查床、后续电路、数据连接传输线路和图像记录显示系统。
而探头的基本组成包括准直器、探测晶体、光导、光电倍增管矩阵等。
而SPECT多是以旋转探头的γ照相机为基础,加上计算机而构成。
但在设计上较γ照相机有更高的要求,如PMT(光电倍增管)的磁屏蔽需要增强,以克服地球磁场变化对PMT放大倍数的影响;对系统的均匀性、线性、稳定性要求有所提高;更换易于使用的旋转机架和低衰减检查床;相配套的计算机和SPECT专业软件等。
2.1.2SPECT的原理
γ射线从患者体内发射到探头表面后,经过准直器限制和排除散射。
斜射或干扰探测器的γ射线,投射到探测晶体表面转换成低能且大量的可见光子,可见光子在光电倍增管(PMT)的放大作用后,通过位置电路(X、Y信号,对应用于γ射线作用点)和能量电路(Z脉冲,X、Y脉冲的总和反映γ射线的能量)的定位,最后利用脉冲高度分析器(PHA)进行窗位置和宽度的设定,可以通过PHA的脉冲传输至几率系统,形成一个γ射线的定点记录。
注意这里准直器主要作用就是限制进入探头视野内射线的入射方向和范围,阻挡视野外γ射线进入探测器。
其性能一般由孔数、孔径、孔长、间壁厚度和准直器材料决定。
而SPECT的质量控制内容包括:
空间线性、图像均匀性、空间分辨率、计数率特性、固有能量分辨率、平面源灵敏度、多能窗一致性、均匀性校正、旋转中心校正多探头匹配、断层均匀性测试、断层空间分辨率以及SPECT总体性能测试等。
2.2SPECT的应用
70年代末期,SPECT开始应用于临床,我国从1983年开始引进和应用SPECT.目前我国SPECT的总数已近300台,其增长趋势高于X射线CT和MRI。
SPECT在心、肺、脑,骨骼等主要脏器的临床应用价值。
特别是与X射线CT、MRI、超声等其他影像技术比较有其固有的优势。
(1)SPECT不仅显示脏器和病变的位置、形态、大小等解剖结构.更重要的是同时提供脏器和病变的血流、功能和引流等方面的信息,这有助于疾病的早期诊断;
(2)具有多种动态显像方式,使脏器和病变的血流和功能情况得以动态而定量地显示,能给出很多功能参敏;(3)SPECT多因脏器或病变特异性聚集某一种显像剂而显影.因此影像常具有较高的特异性。
2.3SPECT的新进展
2.3.1利用FIX显像提高了对肿瘤的鉴别能力
正电子发射体(18F,150,13N,11C)可标记非常接近体内的生物活性分子。
18F有适合的半衰期(110min),18FDG(18氟一脱氧葡萄糖)可以显示器官和组织的葡萄糖代谢,是最常用的肿瘤显像剂。
FDG—PET利用良恶性细胞代谢的差别达到肿瘤显像的目的。
FDG显像有多种适应症:
鉴别良恶性肿瘤、恶性病灶分期、检出复发的恶性病灶、观察治疗效果,从而提高了诊断效能和减少侵入性检查。
最初的FDG—PET显像是由多环锗酸铋探测器组成的专用PET完成的,现在已经开发出多功能ECT,它既能够做常规的单光子显像,也能够做正电子(如FDG)显像,并且现已有了SPECT/CT和PET/CT(HybridCamera)的混合型机型。
2.3.2SPECT也能生成正电子符合图像
带准直器的FDG—SPECT比PET的灵敏度和分辨率低的多,因此许多厂家以符合线路测试的方式提高灵敏度和分辨率。
这是另一项有重大价值的技术突破。
PET由于其设备昂贵,维护费用高。
一般医院添置PET装置几乎是不可能的。
双探头SPECT问世不久即出现了兼有PET功能的双探头SPECT。
现在这种机型已经由多家公司生产。
基本技术措施是增加时间符合判断电路。
此外,有些SPECT产品还允许同时使用511keV高能放射性核素,生成不同能量的双同位煮图像,这对心脏的研究有时很有意义。
产品要增加高能准直器,碘化钠晶体厚度由9mm增加到12.5mm,以保证能量为51IkeV光子的探测效率。
目前临床最常用于18F成像。
2.3.3SPECT灵敏度进一步提高
虽然带准直器的FDG—SPECT与PET相比分辨率和灵敏度相差较大,许多厂家开始改进双探头SPECT,以符合探测方式提高分辨率和灵敏度。
符合线路显像是一种无准直器3-D体积采集,因此有可能成为检出毫米级病灶的方法其空问分辨率仅仅受限于固有分辨率。
例如VC(GE公司)装备了狭缝准直器SEPTAL(间隔为40mm×4mm,间隙为10mm),并有多层滤波器(锌、铅、铜)以减少来自视野以外的射线和减少散射效应。
数据采集是3min转一圈,以尽量减少放射性衰减的影响。
该系统的空间分辨率:
空气中空间分辨率(FWHM)4.5mm,这和专用PET非常接近。
FDG一符合线路显像(3/8英寸)对小病灶的检出和超高能准直器SPECT类似,其灵敏度为89cpm/uci,在L/B=5/1时模型试验的最小检出为1.35cm,使用5/8英寸的晶体灵敏度可达189cpm/uci,检出接近10mm,为了进一步提高灵敏度,厂家对晶体加以改造,装配了1英寸的晶体,而且对晶体进行特殊的加工,这样能够在不牺牲低能单光子显像分辨率的前提下,明显提高符合探测的效率,灵敏度可达30kcps/uci,分辨率5.0mm。
2.3.4整机结构的变化
现在的SPECT具有装备多探测器(探头)的机型。
有使用二个、三个、四个探头的机型,也有使用环状探测器的机型。
探测器的增多可以多角度采集光子信号,整机灵敏度太大提高。
由于双探头的SPECT应是最好的一种机型,它具有多种用途,除断层成像外,同时具有二维图像的照相机的所有功能和快速进行全身骨扫描的功能等。
大多数的双探头SPECT,两个探头之间的角度是在90°—180°可任意改变的。
从最大限度采集光子信息观点看,环状探测器的机型可能是最好的。
这类SPECT由闪烁晶体和光电倍增管构成的探测器围成环形。
这种SPECT的最大计数率可达1000kcps以上。
这类产品的缺点是不能快速生成平面图像,也不能做骨全身扫描。
机型结构的改进提高了整机灵敏度,同时也使SPECT的其它技术指标得到提高。
在作断层图像时,探头绕人体旋转的轨迹对图像重建质量有很大影响。
人体的横断面近似为椭圆形。
而早期SPECT探头绕人体旋转的轨迹为圆形。
探头旋转时,探头表面到人体表面的距离的变化,明显影响重建图像的分辨率。
现在,探头绕人体旋转的轨迹改为椭圆形旋转轨迹后,分辨率提高了1.5mm~2.5mm,均匀性也有明显改善。
探测器绕人体旋转时的理想轨迹是探测面和人体始终保持最贴近,这就是靠探测人体断面轮廓实现的人体轮廓运动轨迹。
2.3.5利用不同机型图像的进行融合
图像融合是把有价值的生理、生化信息与精确的解剖结构结合在一起,给临床医生提供更加全面和准确的资料。
这样合理利用医学信息资源,不仅可以弥补信息不完整、部分信息不准确或不确定引起的缺陷,而且使临床诊断和治疗、放疗的定位和计划设计、外科手术和疗效评估等更加全面和精确。
随着医学图像信息集成利用的需求日益强烈,近二十年来,图像融合的研究蓬勃发展,成为医学图像处理的一大热点。
医学影像大致分为功能影像(核医学影像)和解剖结构影像(CT、MRI、X线投照和B超)。
功能影像能具有如下特点:
它拥有早期、安全、无创、灵敏度高等特点,核医学图像主要缺陷是信息量小,图像分辨率低,特别是缺乏解剖学信息,而这些缺陷很难通过核医学本身来解决。
解剖结构影像与功能影像正好互补,其解剖结构的影像分辨率非常高,但其对病变的检出时间、特异性、灵敏度、无创及安全等方面不如功能影像。
GE公司于2000年正式推出的SPECT/CT即HAWKEYE,将CT球管和探测器安装在双探头具有符合探测功能的SPECT系统的旋转机架上,使病人在一次检查中,既可得到受检者的功能影像,又可同时得到其解剖结构影像(CT图像),充分利用二种影像的优势,并可立即进行图像融合,为临床提供高分辨率、高灵敏度、高特异性的医学影像。
CT图像不仅可以用来与ECT图像融合,还可以由CT值计算软组织及骨骼的衰减系数,对ECT图像进行衰减校正。
衰减校正和FDG显像分别先后进行,病人无须重新摆位。
如果在检查过程中病人没有移动,透射和发射图像的对位十分准确。
另外。
X射线球管的强光子流产生高质量的衰减校正图像,保证了校正数据的可靠性。
不仅ECT图像质量明显提高,而且有解剖图像傲定位的参考。
这款设备有比较合理的性能/价格比。
现在,同时产生XCT图像及SPECT图像的设备已成为许多厂家的正式产品,效果显然比用两台设备产生两种图像再融台更好。
2.3.6衰减校正
衰减校正对符合图像的意义更为重要,符合显像的衰减效应导致局部的不均匀、高密度结构的畸变以及边缘效应。
SPECT符合线路显像和专用PET通过对衰减伪影的校正改善了图像的质量,增加了对比度。
使用衰减校正的优点:
(1)改善了解剖边界的影像,图像更容易读,定位准确;
(2)衰减校正的图像没有畸变,而且不同深度病灶亮度相似。
现在产品中多数采用线放射源进行衰减校正。
目前,大多厂家采用放射性同位素153Gd制作线源。
为了降低造价,也有厂家采用长半衰期的放射性同位素铯137Gs。
以GE为代表的厂家开发出使用放射性穿透源测量衰减的方法——全能量衰减校正,即不论所用放射性示踪剂为低能、中能还是高能,Hawkeye均可对其进行衰减校正,从而达到从根本上改善核医学断层影像质量的目的。
而高能核素非均匀衰减校正法则无法进行全能量衰减校正,一般其能对TC-99m-MIBI和F-18PET功能显像进行衰减校正。
且需根据不同能量来选用不同的高能核素进行衰减校正,如对心肌的衰减校正,需用某一种放射源进行衰减校正,而对PET功能显像则需另外一种高能核素。
采用X射线CT图像进行全能量衰减校正将是核医学图像进行衰减校正发展的方向。
它有如下的优点:
(1)使用放射性X设线穿透源测量衰减的方法不用放射性核素校正,放射性核素均有半衰期,一般1~1.5年即需更换,国内无法生产,需进口,而放射性核素人关手续繁琐,短期不易更换,而且在使用中由于核素衰减也要进行校正源自身的校正,所以操作过程更加复杂。
(2)用X设线CT进行衰减校正,若不加高压电.则不会发出射线。
丽高能核素,所放出的高能射线极具穿透力,不易防护,既使用非常厚的金属(铅)进行屏蔽,也难以完全屏蔽其射线,因此,若长期安装在机架上,则严重影响核医学影像的质量,且易对工作人员造成损伤。
但若经常更换高能核素校正源,又存在以下几点问题:
(a)校正源非常沉重。
不易更换。
(b)使仪器受损的可能性增大。
(c)使更换校正源的工作人员受到不必要的照射。
(3)衰减校正法大大提高了所得核医学断层影像的信息量,是传统高能核素衰减校正影像信息量的50000倍。
(4)衰减校正法所得断层影像分辨率最大,分辨率为:
2mm,可以进行精确的解剖定位。
而传统高能核素衰减影像最大分辨率为:
12mm,难以进行解剖定位。
(5)衰减校正法使所得影像的信息量远远高于传统核医学断层影像,从而使散射线对图像质量的影响可以忽略。
从根本上解决了散射对核医学影像的不良影响。
2.3.7探测器实现数字化
以前的ECT成像过程中所有光电倍增管的输出都是模拟信号,经加权处理形成坐标信号及能量信号,也都是模拟的。
然后才变换成数字信号送给计算机。
现在是以探测器数字化为基础的。
即每个光电倍增管的输出都直接加一个模拟/数字(A/D)变换器,后续的信号加工处理全部以数字方式进行。
2.3.8新型探测器进入实用阶段
最近几年,和以往相机所用探测器(碘化钠晶体加光电倍增管组)完全不同的几种新型探测器。
其中主要有:
(1)一块LSO晶体加一只超小型PS光电倍增管组成的探测器。
(2)半导体型探测器。
半导体型探测器所用的材料有许多种,其中已经实现商品化的是美国DI.GIRAD公司开发成功的用碲化镉锌晶体(Cadmium—Zinc—Telluride,CZT)半导体材料作探测器。
该公司已经用这种探测制造出了多种新型的放射性核素成像装置。
2.3.9新型准直器进入实用阶段
新型准直器已经由手工制造的薄型准直器,发展到80年代末的微孔铸造准直器,这种准直器的准直孔分布均匀,孔形一致,孔径可以小到1,0mm,颇受用户欢迎。
探测器的系统分辨率主要决定于准直器分辨率和固有空间分辨率。
过去,准直器分辨率大大低于固有分辨率,使整机的系统分辨率很低。
现在,准直器的分辨率已经接近或高于固有分辨率,导致系统分辨率明显提高,使图像质量达到了新水平。
90年代出现了一系列重要的新型准直器,例如锥束型准直器(ConebeamCollimator)、扇束型准直器,和多焦距汇聚型准直器(MultifocalConvergingCollimator)等。
得到推广应用的主要是锥束准直器和扇束准直器。
新型准直器可以显著提高图像中心视野的灵敏度,这对脑成像和心脏成像非常有用。
而探测器固有性能的提高,直接影响重建图像空间分辨率的提高。
2.4关于SPECT-CT
第一台正式SPECT-CT于1999年制造(GEHealthcare,ChalfontStGiles,Bucks,UK)。
它由双探头碘化钠照相机和X射线管组成,此X射线管可使低剂量CT达到2.5mA的最大管电流,CT影像在解剖学定位的同时,也可以对原始图像进行衰减校正。
SPECT-CT提供了大量但并非无意义的补充信息,因为SPECT影像上放射性核素异常浓聚部位可在CT图像上定位,而CT影像上解剖学的异常也能灵敏地提示SPECT示踪剂的异常浓聚。
在诊断价值的研究中发现,CT影像中的病变部位与SPECT放射性核素异常浓聚处精确符合,因此SPECT—CT相较于低分辨率SPECT而言,提高了诊断特异性。
通过CT进行衰减校正的优点在于信噪比低,采集速度增加,CT影像不受SPECT放射性核素的影响。
至2005年底,世界各地已共有超过700台的SPECT-CT。
三、核医学仪器PET的原理及应用
3.1PET概述
PET是正电子放射层析技术(PositronEmissionTomography)的英文缩写,它是将放射性同位素作为示踪物质,直接注入生物体,然后在体外从不同角度完成采集和测量生物体内的放射性信息分布,利用现代计算机技术完成图像重建的三维成像技术。
随着技术的发展和设备的研制,相继出现了PET/CT、SPECT/PET。
其中PET是最早、最经典、最成熟的正电子显像设备,有探测器、电子装置和计算机影像处理系统组成;PET/CT是最新的、也是发展最快的正电子显像设备;SPECT/PET是正电子符合探测设备,是利用双探头或多探头SPECT符合线路模式,在电子复核时间窗的控制下,同时采集湮没辐射511KeVγ光子。
在SPECT/PET机械准直器改用电子准直器。
3.2PET的原理
在PET技术中,人们利用注入患者体内的某种放射性核素所发出的射线来形成所研究或诊断器官或器官系统的生理功能影像。
用来产生图像的辐射源即核示踪物质为正电子同位素。
众所周知,正电子同位素不稳定,将自发地释放出正电子,即核衰变。
这个正电子运动一段距离后,和生物体的负电子碰撞结合产生湮灭辐射反应,根据能量和动量守恒定律,湮没反应将产生一对伽马射线,这一对伽马射线的运行方向几乎是相反的,即成约为180°,其次另一个重要特性是它们的时间特性,它们是同时产生的,如图1
图1 正负电子湮没反应的物理原理
如果我们在体外放置一对相向的探测器就可同时探测到这对伽马射线。
常被称之为符合一致事件(Co-incidenceevent),也就是说电子湮没反应发生在这两个探测器的连线上。
实际上的PET系统是由一环或多环的探测器阵列组成。
探测器的排列组合有很多种,这就是说对于我们感兴趣的区域中的任何一点来讲,可以得到无数条符合一致连线。
把这些探测器采集的带有伽马射线的位置及能量信息的数据存储在存储设备中,然后通过计算机软件和硬件完成对这些数据的校正、滤波处理。
最后通过计算机图象处理就可重建出这个点的图像。
3.3PET探测器
3.3.1PET探测器的现状
第一代PET探测器采用把单个闪烁晶体耦合在光电倍增管(PMT)上的办法,它是在1951年由Wrenn和Sweet首先提出的。
探测器的性能优劣直接决定着PET系统的好坏。
PET系统的空间分辨率常常用线扩展函数(LSF)的半幅值全宽度(FWHM)来描述。
PET系统中心位置的LSF函数的形状是三角形,它的FWHM值是探测器宽度的一半,也就是说减少探测器的宽度可以最大程度地提高系统的空间分辨率。
近10年来,PET系统的分辨率从10~15mm提高到3~5mm左右,都是靠减小探测器的尺寸来取得的。
随着采用的晶体的尺寸越来越小,由于受到PMT的尺寸上的限制,不可能采用单一的晶体耦合在PMT上的方法。
图2a和图2b显示了现在PET系统常用的探测器的结构。
它们分别表示BGO晶体组成的矩阵阵列耦合在2×2光电倍增管阵列上或2个双光电倍增管阵列上。
这种探测器的价格合理且能够紧密组合排列构建成PET系统的探测器环。
但是它的空间分辨率受到了PMT尺寸的限制和BGO晶体产生的光子统计涨落上的影响。
为了克服这些缺点,山下贵司等提出了用一个位置灵敏型光电倍增管(PS-PMT)来取代2×2光电倍增管列阵或2个双光电倍增管,如图2c所示。
它的基本原理是:
伽马射线被闪烁晶体吸收后,产生光子,光子通过PS-PMT的玻璃窗,激励光电阴极发射出光电子,光电子被各倍增级倍增放大,最后经阳极输出。
阳极是电阻回路组成的网状结构,通过相应的电路来计算位置。
图2 常用的PET探测器的三种结构
BGO晶体的辐射长度为1.13cm,因此能保证高的探测效率,遗憾的是BGO晶体的光输出量低和衰减时间长。
为了获得更高空间分辨率和时间分辨率的探测器,使用新的闪烁晶体来代替BGO的方法是最有效的方法之一。
LSO因光输出量强、密度大、衰减时间短的特性而成为替代BGO晶体的首选闪烁晶体材料之一。
3.3.2PET探测器的发展趋势
PET探测器发展有两个重要的发展趋势:
一是深度检出型(DOI)探测器;另一个是利用半导体器件来代替PMT构造探测器。
1.DOI探测器
如
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