核醫(yī)學(xué)大型設(shè)備上崗證技師培訓(xùn)講解

1、核醫(yī)學(xué)大型設(shè)備上崗證技師培訓(xùn)核醫(yī)學(xué)儀器設(shè)備,中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院腫瘤醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科耿建華,核醫(yī)學(xué)儀器設(shè)備——按用途分類,計量儀器活度計輻射防護測污儀、環(huán)境監(jiān)測、個人劑量儀體外樣品測定儀器計數(shù)器、液閃儀、放免儀非顯像測定儀器甲狀腺功能測定儀、腎功能儀、γ探針顯像設(shè)備γ相機、SPECT、PET放藥生產(chǎn)及質(zhì)控設(shè)備回旋加速器、藥物合成儀、薄層掃描儀、高壓液相儀,探測儀器基本構(gòu)成原理,基本構(gòu)成由三部分組成探頭將射線的輻射能

2、轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栯娮泳€路部分對探頭輸出的電信號進行處理（如信號放大、能量甄別，信號定位、時間符合、各種校正等）各種附加部件輔助作用，按不同的檢測目的而配備（如床、計算機、自動控制系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)和儲存系統(tǒng)等）,SPECT與γ相機,SPECT（single photon emission computed tomography)由γ相機旋轉(zhuǎn)構(gòu)成，核心部件為γ相機。獲得平面、斷層 、全身圖像。具有γ相機的所有功能，其性能高于普通γ相機。

3、在很多臨床應(yīng)用中，SPECT只應(yīng)用了其γ相機的功能，γ相機逐漸被SPECT取代,SPECT與γ相機系統(tǒng),硬件系統(tǒng)探頭、電子線路部分、機架、掃描床及計算機軟件系統(tǒng)采集軟件、校正軟件、圖像處理軟件及顯示軟件等,SPECT與γ相機探頭,準直器晶體NaI(Tl)光電倍增管(PMT),準直器,構(gòu)成: 由單孔或多孔的鉛合金制作成功能：讓一定方向入射的γ射線通過，吸收其它方向入射的γ射線，按照一定規(guī)律把放射性核素的分布投影到γ照相機探

4、頭的晶體上。,準直器的主要性能參數(shù),空間分辨率：區(qū)別兩個鄰近點源的能力，以點源或線源響應(yīng)曲線的半高寬度（FWHM）表征準直器的空間分辨率半高寬度越小，表示空間分辨率越好幾何參數(shù)決定分辨率,幾何參數(shù)：孔數(shù)、孔徑、孔長及孔間壁厚度,靈敏度：準直器對γ光子的通過率-幾何參數(shù)決定分辨率適用能量范圍：由孔長和孔間壁厚度決定高能準直器孔長，孔間壁厚,準直器分類,從形狀分類平行孔型發(fā)散孔型針孔型聚焦型,準直器,平行孔準直器,分辨率:

5、 準直孔越小，準直器越厚(孔長越長），探頭距病人距離越近，分辨率越高靈敏度: 準直孔越大，準直器越薄(孔長越短），孔間壁越小，靈敏度越高。與被顯像物與準直器間距無關(guān)分辨率↑→靈敏度↓,,平行孔準直器,晶 體,功能：把高能的γ光子轉(zhuǎn)換成可見閃爍光?射線入射到晶體上，?射線與晶體原子相互作用光電效應(yīng)康普頓散射使晶體原子激發(fā)。退激回到基態(tài)，發(fā)射熒光（閃爍光 ）410nm一個?光子產(chǎn)生多個熒光光子。閃爍晶體(scint

6、illating crystal)，閃爍成像(scintillating imaging),晶體,NaI 晶體厚度：厚度↑→分辨率↓，靈敏度↑?厚度↓→分辨率↑，靈敏度↓2/8 ″(6.35mm ) 低能單光子成像3/8 ″(9.525mm ) 低能單光子成像5/8 ″(15.875mm) 兼顧低能、高能單光子及符合成像8/8 ″(25.4mm ) 兼顧低能、高能單光子及符合成像NaI 晶體大小30cm×30c

7、m--50cm×60cm,光電倍增管,功能：把晶體產(chǎn)生的閃爍光信號轉(zhuǎn)換成電信號并將之放大。光電倍增管由光陰極、電子聚焦系統(tǒng)、多級倍增極和陽極組成： 熒光→光陰極→光電子→倍增極→二次發(fā)射電子→倍增極→倍增級→……光電倍增管接收閃爍光的表面形狀有圓形、六角形及方形等光電倍增管數(shù)量依據(jù)探頭尺寸，從十幾個到上百個光電倍增管的數(shù)量越多，空間分辨率越高,光電倍增管,光電倍增管的輸出分為兩路位置電路：X、Y定位信號能量電路

8、：能量總和、甄別,SPECT與γ相機的電路,放大位置電路能量電路各種校正……,位置電路和能量電路,位置電路光電倍增管接收光強Ii，根據(jù)位置，權(quán)重為 Xi和Yi ，輸出幅度分別為： ∑XiIi 和∑YiIi能量電路輸出信號幅度為全部光電倍增管探測到的光強度之合∑Ii，Z信號（總和電路），代表了γ射線的能量，將之輸入到PHA，進行能量甄別，在能窗內(nèi)，記錄閃爍光的位置：,,,X、Y的數(shù)值不受γ射線能量大小的影響，

9、圖像的大小與γ射線的能量無關(guān),脈沖幅度分析器（pulse height analyzer，PHA）,功能：甄別能量，選擇一定能量范圍，剔除散射、噪聲總和電路輸出幅度為 的脈沖信號，由脈沖幅度分析器（PHA）分析，使?jié)M足設(shè)定能窗的γ光子被記錄，剔除低能γ光子（例如，散射光子）及高能γ光子。對99mTc發(fā)出的140keV，能窗為±10%，只記錄能量為126~154 keV的光子。經(jīng)放大的電脈沖幅度∝入射γ射線能量

10、單道脈沖分析器---單能窗多道脈沖分析器---多能窗，,,SPECT與γ相機框圖,SPECT與γ相機,SPECT與γ相機的機架與掃描床γ相機的機架：固定支撐探頭SPECT機架：還提供使探頭繞掃描床旋轉(zhuǎn)的功能γ相機通常沒有專用的掃描床SPECT配有專用的掃描床，掃描時，掃描床可移動，獲得全身圖像。計算機SPECT或γ相機的工作站功能：控制SPECT或γ相機的采集、處理、存儲及顯示圖像SPECT的斷層圖像需重建及各種校

11、正軟件，并需要更大圖像存儲空間，因此要求更高配置的計算機,SPECT與γ相機工作原理概述,將特定放射性藥物注入患者體內(nèi)一定的時間后,放射性藥物在體內(nèi)達到顯像的要求，開始進行γ相機或SPECT成像從人體中發(fā)射出的γ光子首先到達準直器，準直器限制入射γ光子的方向，只允許與準直器孔方向相同的γ光子透過，以便于γ光子定位到達晶體的γ光子與晶體相互作用，被晶體吸收并產(chǎn)生多個閃爍光子閃爍光經(jīng)過光導(dǎo)被各個光電倍增管接收。光電倍增管將閃爍光轉(zhuǎn)變

12、成電脈沖信號該電脈沖信號經(jīng)過特殊位置電路定位、能量電路甄別被記錄，成為一個計數(shù)成像裝置記錄大量的閃爍光點，經(jīng)過處理、校正，形成一幅人體放射性濃度分布圖像，即為一幅γ相機圖像或SPECT平面圖像。,SPECT斷層成像工作原理概述,旋轉(zhuǎn)采集探頭圍繞患者旋轉(zhuǎn)投影圖像根據(jù)需要在預(yù)定時間內(nèi)采集360度或180度范圍內(nèi)不同角度處的平面圖像，任一角度處的平面圖像稱為投影圖像（projection image）。重建利用多幅投影圖像，通過

13、數(shù)據(jù)處理、校正、圖像重建獲得體內(nèi)斷層圖像，即SPECT斷層圖像。重建算法濾波反投影法 迭代法,SPECT與γ相機,γ相機探頭繞人體旋轉(zhuǎn)——SPECTSPECT與γ照相機相同SPECT探頭與γ相機探頭結(jié)構(gòu)原理相同SPECT具備γ相機的功能SPECT與γ照相機不同SPECT性能（均勻性、線性、穩(wěn)定性）優(yōu)于γ相機SPECT探頭繞人體旋轉(zhuǎn)，圖像重建——SPECT斷層圖像SPECT可獲得斷層圖像、全身平面圖像及局部平面圖像γ

14、相機只能獲得局部平面圖像SPECT要求高配置工作站SPECT機架及掃描床比γ相機復(fù)雜,SPECT基本結(jié)構(gòu),SPECT斷層圖像校正,衰減校正散射校正,衰減校正（attenuation correction，AC）,,γ光子在人體內(nèi)的衰減造成SPECT重建斷層圖像 “中空”或稱“熱邊”現(xiàn)象，使深部計數(shù)減低，圖像失真——需要衰減校正,衰減,I=I0e-μd,衰減校正,軟件校正用某種算法，在圖像重建前或后或重建中，進行校正。假設(shè)成像

15、的組織器官是均勻的，非均勻衰減的校正效果不理想透射掃描校正法用放射源或CT投射掃描獲得成像組織衰減的分布，即衰減圖。利用衰減圖在圖像重建過程中進行衰建校正。對于非均勻衰減的情況能校正出較為理想的重建圖像用X-CT獲取透射投影，由于X光和γ光子的能譜不同，人體組織對它們的衰減系數(shù)是不一樣的，所以X-CT測量出的衰減系數(shù)μ值需要修正后才能用來校正。(Xray for Attenuation),散射校正 (scattering c

16、orrection),γ射線在患者體內(nèi)及晶體內(nèi)行進的過程中，與體內(nèi)組織及晶體相互作用發(fā)生康普頓散射散射使光子能量損失，且運動方向發(fā)生偏移，使位置信息產(chǎn)生偏差，造成混淆和假計數(shù)，使圖像變模糊，分辨率下降。本底計數(shù)提高，造成不均勻的本底噪聲，降低了圖像的對比度，可使小病灶淹沒在本底中。,散射校正,散射校正基本原理估計散射光子對成像的貢獻將其從投影數(shù)據(jù)或重建圖像中減掉散射成分,SPECT和γ相機性能指標,SPECT性能探頭性能（平面圖

17、像性能）——γ相機性能指標反映平面圖像的質(zhì)量 斷層性能指標反映斷層圖像的質(zhì)量全身掃描性能反映全身掃描圖像的質(zhì)量,SPECT探頭和γ相機性能指標,固有（intrinsic）性能:卸下準直器與準直器性能無關(guān)系統(tǒng) （ system ）性能: 安裝準直器 與準直器性能有關(guān),SPECT探頭和γ相機性能指標,有效視野（useful field of view，UFOV）探頭尺寸的95%中心視野（central field

18、 of view，CFOV）UFOV的75%,,,SPECT和γ相機性能指標,1.空間分辨率2. 空間線性3. 能量分辨率4. 均勻性5. 多窗空間配準度6. 計數(shù)率特征7. 靈敏度8. 探頭屏蔽性能,空間分辨率（spatial resolution）,反映能分辨兩點間最小距離用點源、線源擴展函數(shù)半高寬、十分之一高寬表示,,空間分辨率,半高寬(full width at half maximum, FWHM）十分之一

19、高寬(full width at tenth maximum,FWTM),空間分辨率（spatial resolution）,固有分辨率（intrinsic spatial resolution）晶體、光電倍增管的性能及能窗等采集條件系統(tǒng)分辨率(system spatial resolution ) 固有分辨率及準直器的分辨率決定,空間線性（spatial linearity）,描述圖像的位置畸變程度絕對線性（absolute

20、linearity）X及Y方向的線擴展函數(shù)峰值偏離距離微分線性（differential linearity）X及Y方向的線擴展函數(shù)峰值偏離距離的標準差線性值越小，其線性越好。,固有能量分辨率（intrinsic energy resolution）,描述探頭對γ射線能量的辨別能力用光電峰的半高寬與峰值處能量的百分比表示,,能量分辨率（%）=（EFWHM /E0）×100%,固有能量分辨率測試,點源：>5F

21、OVDaily QC,均勻性（uniformity）,描述γ相機探頭對一均勻泛源的響應(yīng)積分均勻性（integral uniformity， Ui）探頭視野內(nèi)的均勻性微分均勻性(differential uniformity,Ud)X方向及Y方向相鄰5個像素間均勻性探頭UFOV視野中的均勻性探頭CFOV視野中的均勻性,,多窗空間配準度（multiple window spatial registration）,描述

22、不同能窗成像時，γ相機對不同能量光子的定位能力用不同能窗時一點源的圖像在X及Y方向上的最大位移表示。67Ga源：93keV300keV184keV,計數(shù)率特征（count rate performance）,描述計數(shù)率隨活度的變化特征最大觀察計數(shù)率20%丟失時觀察計數(shù)率觀察計數(shù)率隨活度的變化曲線,靈敏度(sensitivity),描述探頭對源的響應(yīng)能力系統(tǒng)平面靈敏度探頭對平行于該探頭放置的特定平面源的靈敏度與準

23、直器的類型、晶體厚度、窗寬、源的種類及形狀有關(guān)與源距準直器的距離無關(guān)單位活度在單位時間內(nèi)的計數(shù)單位：counts/(min·MBq)、counts/(s·MBq)、或counts/(min·μCi),探頭屏蔽性能(shield leakage),描述探頭對視野之外源的屏蔽能力對患者本身FOV之外放射性的屏蔽用點源（點源與探頭平面的垂直距離為20cm）在距探頭FOV邊緣前后10、20、30cm的最大

24、屏蔽計數(shù)與在FOV中心處計數(shù)率的百分比表示。對周圍環(huán)境放射性的屏蔽將點源置于距地面1m，距探頭兩側(cè)及前后2m處。用探頭分別朝上、下、左、右時的計數(shù)率與FOV中心處計數(shù)率的百分比表示屏蔽泄漏=最大屏蔽計數(shù)率/FOV中心計數(shù)率×100%,SPECT斷層性能,斷層均勻性斷層空間分辨率 旋轉(zhuǎn)中心 斷層對比度斷層靈敏度和總靈敏度,全身掃描性能指標,全身掃描空間分辨率 全身掃描系統(tǒng)均勻性,全身掃描空間分辨率測試,平行于運

25、動方向的分辨率 垂直于運動方向線源的擴展函數(shù)的半高寬（FWHM）及十分之一高寬（FWTM）,全身掃描空間分辨率測試,垂直于運動方向的分辨率 平行于運動方向線源的擴展函數(shù)的半高寬（FWHM）及十分之一高寬（FWTM）,全身掃描空間分辨率,全身掃描空間分辨率影響因素：探頭性能系統(tǒng)的機械性能機械精度掃描速度軟件,全身掃描系統(tǒng)均勻性,描述全身掃描圖像的均勻性 影響因素探頭的均勻性準直器的均勻性機械驅(qū)動裝置系統(tǒng)校正……,

26、設(shè)備質(zhì)量控制quality control, QC,對設(shè)備進行的一些專門的測試特定的標準NEMA (National Electrical Manufacturers Association) IEC (International Electrotechnical Commission )IAEA (International Atomic Energy Agency)國家標準廠家提供的標準,質(zhì)量控制內(nèi)容,常規(guī)質(zhì)控

27、 routine tests, routine QC驗收質(zhì)控 acceptance tests, acceptance QC參考質(zhì)控 reference tests, reference QC,常規(guī)測試,日常定期對設(shè)備進行的性能測試日質(zhì)控（daily QC）周質(zhì)控（Weekly QC）月質(zhì)控（monthly QC）年質(zhì)控（yearly QC）等（廠家提供專用測試程序）目的：確保設(shè)備工作在最佳狀態(tài)及時發(fā)現(xiàn)設(shè)

28、備性能降低程度,驗收測試,設(shè)備安裝后對設(shè)備進行的全面性能測試目的：確保設(shè)備達到廠家標定的技術(shù)及操作性能。必須嚴格按照標準NEMAIEC國家標準,參考測試,對設(shè)備性能進行全面測試，提供全面性能指標的參考數(shù)據(jù)，評估設(shè)備性能驗收測試結(jié)果可作為一段時間內(nèi)的參考測試何時進行：設(shè)備出現(xiàn)較大故障及大修或調(diào)試后當(dāng)機器搬遷到新址時測試標準：驗收測試標準,SPECT/CT,SPECT/CT特點硬件同機將CT的X線球管和探測器安裝在S

29、PECT系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)機架上，使病人可同機進行CT和SPECT檢查。同機圖像融合一次擺位獲得CT圖像和SPECT圖像，實現(xiàn)同機CT圖像與SPECT圖像的融合。同機融合對位準確，可獲得精確的融合圖像。在不同的時間、不同的空間進行SPECT和CT掃描,SPECT/CT,SPECT/CT中CT的作用提供SPECT 圖像的衰減校正與SPECT圖像的融合定位供診斷信息增加患者所受輻射劑量,PET（positron emission t

30、omography）,與SPECT不同：采用正電子核素(例如，18F?15O?13N?11C)標記的放射性藥物不使用準直器，而采用符合探測（電子準直），可以使分辨率及靈敏度同時得到大幅度提高。,PET符合探測原理,正電子湮滅 兩個光子沿著直線反方向飛行幾乎同時到達在這條直線上的兩個探測器符合探測 探測由電子對湮滅所產(chǎn)生的γ光子對來反映正電子湮滅時的位置符合事件(coincidence event)：一個計數(shù)在符

31、合窗時間內(nèi)探測到的兩個光子,PET設(shè)備組成,PET探頭 晶體環(huán)：將511kevγ射線轉(zhuǎn)成熒光光電倍增管：將熒光轉(zhuǎn)換成電信號并將之放大……,PET探頭,,探測器組（block),晶體組塊(crystal block)8 × 86 × 86 × 6小晶塊4mm～6.5 mm 晶體環(huán)孔徑 80cm軸向幾個block32環(huán)24環(huán)……,PET 晶體,PET符合探測原理,,三種符合情況,真符合

32、(true coincidence)隨機符合（random coincidence）散射符合（scatter coincidence）,PET采集,掃描方式2D、3D2D：靈敏度低，分辨率高3D：靈敏度高，分辨率低選擇采集程序 靜態(tài)、動態(tài)和門控采集,PET圖像重建,2D：將各方向的所有平行的符合線從左到右排列，產(chǎn)生正弦圖，進行重建3D：數(shù)據(jù)重組成2D直接3D重建重建層數(shù)：2×環(huán)數(shù)-1,PET圖像重建方法,濾

33、波反投影法（filtered back-projection，F(xiàn)BP）迭代有序子集最大期望值法（ordered subsets expectation maximization，OSEM） 3D重組迭代3D迭代……,PET性能,能量分辨率與能窗空間分辨率靈敏度散射分數(shù)計數(shù)率特征校正精度圖像質(zhì)量等,能量分辨率(energy resolution)與能窗(energy window),能量分辨率定義為脈沖能譜分布的半高

34、寬與入射光子能量之比該值越小，能量分辨率越高。它表明了PET系統(tǒng)對散射符合計數(shù)的鑒別能力能量分辨率主要取決于晶體性能，與探測系統(tǒng)的設(shè)計有關(guān)能窗散射符合計數(shù)隨脈沖能窗下限的提高而減少能窗下限的提高受到能量分辨率的制約能窗下限過高將導(dǎo)致真符合計數(shù)的大量丟失,PET空間分辨率,點擴展函數(shù)（point spread function，PSF）的半高寬（FWHM）FWHM越大，分辨率越低徑向切向軸向,PET空間分辨率的限制,正

35、電子的飛行距離：核素衰變發(fā)射出的正電子在發(fā)生湮滅前飛行的距離。正電子的能量從零到最大（衰變能）連續(xù)分布, 半高寬FWHMpositron因核素及介質(zhì)而異正電子的能量↑→ FWHMpositron ↑18F：FWHMpositron=0.22mm， 11C：FWHMpositron=0.28mm,,PET空間分辨率的限制,電子的運動：正負電子湮滅時，正負電子偶的總的動量并非為0，兩個湮滅光子的運動方向不成180o角，要偏向電子偶的

36、運動方向。造成的點源擴展與符合探測的兩個探測器之間的距離有關(guān)對探測環(huán)孔徑為80cm的全身PET，中心分辨率的損失為： FWHMangulation=(800/2)xtg0.3=2.1mm 。,對18F，F(xiàn)WHMtheory ~ 2.1mm。,PET空間分辨率的限制,探測技術(shù)的限制：小晶體塊對視野中心處，分辨率損失為小晶體塊大小的一半，而對探頭附

37、近，F(xiàn)WHMdetector為小晶體塊大小小晶體塊越小，分辨率越高,對4mm的小晶塊，視野中心處 ：FWHMtotal ~ 2.5mm 探頭附近處 ：FWHMtotal ~ 2.9mm,靈敏度(sensitivity),定義：PET系統(tǒng)在單位時間內(nèi)單位活度或放射性濃度條件下所獲得的符合計數(shù)影響因素：探測器環(huán)軸向視野晶體塊長度探測器效率數(shù)據(jù)的采集方式2D3D

38、……,散射分數(shù)（scatter fraction, SF）,定義：散射符合計數(shù)在總符合計數(shù)中所占的百分比描述PET系統(tǒng)對散射計數(shù)的敏感程度,計數(shù)率特征,總符合計數(shù)率真實符合計數(shù)率Rtrues隨機符合計數(shù)率Rrandoms散射符合計數(shù)率Rscatter噪聲等效計數(shù)率RNEC:真符合計數(shù)率與總計數(shù)的比值與真符合計數(shù)率之積計數(shù)率隨活度的變化,計數(shù)丟失及隨機符合校正精度,描述PET系統(tǒng)對隨機符合及由死時間引起的計數(shù)丟失的校正精

39、度用校正后的剩余相對誤差 ?R表示校正精度。,衰減和散射校正的精度,描述PET系統(tǒng)對散射符合事件的剔除能力和對射線在介質(zhì)中衰減的校正能力。,圖像質(zhì)量,在模擬臨床采集的條件下，用標準的成像方法來比較不同成像系統(tǒng)的圖像質(zhì)量用不同大小熱灶、冷灶的對比度恢復(fù)系數(shù)及背景的變異系數(shù)描述圖像質(zhì)量,PET圖像的校正,隨機符合校正? 探測效率的歸一化? 死時間校正 ?衰減校正? 散射校正? 衰變校正 ?弓形幾何校正 ?靈敏度的不均勻性

40、?,雙探頭SPECT 加符合裝置，符合探測成像，兼具PET功能稱謂：SPECT/PEThPET (hybrid PET,兼容型PET)多功能ECT （emission computed tomography)帶符合線路雙探頭SPECTDHC（dual-head coincidence detection ,雙探頭符合探測）……NaI 晶體5/8 ″(15.875mm )1 ″(25.4mm)SPECT/PET/CT

41、：加CTCT與單光子圖像斷層及符合圖像融合CT衰減教正CT提供診斷信息,兼容型ECT——SPECT/PET,SPECT/PET與專用PET,分辨率↓靈敏度↓噪聲↑定量分析×核素：F-18動態(tài)×……,PET/CT,PET/CT設(shè)備：PET 與 CT 兩種影像設(shè)備有機結(jié)合在一起 PET/CT探頭：分離的PET 探頭和CT探頭裝在同一個機架上 PET/CT掃描：先進行CT掃描然后檢查床自動移動

42、到PET視野，進行 PET掃描可以單獨進行PET掃描和CT掃描,PET/CT,PET/CT圖像：PET圖像CT圖像PET/CT融合圖像CT功能為PET進行衰減校正提供定位信息、進行圖像融合提供診斷信息,PET/CT圖像與PET圖像,PET/CT優(yōu)于PETPET圖像只有功能信息PET/CT圖像不僅具有功能信息還具有解剖信息CT對PET圖像衰減校正,衰減校正信息量大CT的診斷信息采集時間的縮短PET/CT問題受

43、檢者接受輻射劑量增加CT衰減校正偽影,PET/CT性能與質(zhì)控,PET/CT性能PET性能CT性能PET/總體CT性能PET/CT質(zhì)控PET質(zhì)控CT質(zhì)控PET/CT總體質(zhì)控,SPECT與PET的區(qū)別,,Micro PET,晶體環(huán)孔徑 ：10~30cm 晶體塊大小 ：0.8mm×0.8mm~3mm×3mm晶體種類 :光電轉(zhuǎn)換 :位敏型PMT、雪崩光電二極管、及光敏感氣體探測器 空間分辨率 ：1