《放射性核素成像》ppt課件

1、第六章 放射性核素成像Radio Nuclid Imaging,,伽瑪照相機,內容梗概,放射性核素顯像的特點原子核反應的基本概念放射性衰變規(guī)律γ射線探測,準直器γ照相機和單光子發(fā)射型計算機斷層正電子發(fā)射型計算機斷層PET-CT技術,放射性核素顯像,RNI主要是功能性顯像，采用放射性核素示蹤的間接檢測技術可以獲取定性、定量、定位的生物體內物質動態(tài)變化規(guī)律。,放射性制劑,放射性制劑是制劑分子中含有放射性核素的放射性制劑或放射

2、性藥物的總稱。 放射性制劑可以是放射性核素及其簡單化合物,如NaI,也可以是用放射性標記的化合物 ,如18F-去氧葡萄糖 。,放射性制劑在其制備過程中的要求,1．高產(chǎn)率。即最大限度的利用放射性核素。2．微量、低濃度。3．簡便、快速。4．安全。,放射性制劑制備的方法,化學合成法同位素交換法,核外電子與原子核 原子的結構是由位于原子中心的原子核及按一定軌道圍繞原子核運行核外電子組成。

3、 原子核是由質子和中子組成，質子和中子統(tǒng)稱核子。中子不帶電，質子帶電，其電量與電子電量相等.,,幾個基本概念,核素 凡是具有一定原子序數(shù)、一定質量數(shù)和一定能量狀態(tài)的各種原子，統(tǒng)稱為核素。 同位素 具有相同原子序數(shù)，但質量數(shù)不同的核素稱為同位素。 同質異能素 凡具有相同的原子序數(shù)和質量數(shù)，處于不同能量狀態(tài)的一類核素，彼此稱為同質異能素。,穩(wěn)定性核素（又稱非放射性核素）： 原

4、子核能夠穩(wěn)定的存在于自然界中，不會自發(fā)地產(chǎn)生變化，這種核素通常稱為非放射性核素（穩(wěn)定性核素）。 放射性核素（不穩(wěn)定性核素） （ Radioactive Nuclide ） 原子核即使沒有任何外來因素作用下，也會自發(fā)地放出射線而轉變?yōu)榱硪环N核素，這類核素稱為放射性核素。,核衰變,放射性核素特點 特定的半衰期 物理半衰期（ physical half life ） 符號T1/2 ,

5、在單一的放射性核素衰變過程中，放射性活度降至原有值一半時所需要的時間，稱為物理半衰期，簡稱半衰期（ T1/2 ）。,生物半衰期 (biological half life) 符號 Tb, 生物半衰期是指進入生物機體內的放射性核素，由于生物代謝過程從體內排出到原來放射性活度的一半時所需要的時間。,有效半衰期（ effective half life ）,符號 Te，進入生物機體內的放射性核素由于放射性衰變及生物代謝的共同作

6、用，該放射性核素的活度減少到一半所需的時間稱為有效半衰期。 即放射性核素被引入生物機體內時，放射性活度一方面按衰變規(guī)律減少，另一方面還會通過生物代謝排出。,α衰變 β衰變 γ衰變,放射性核素及其衰減規(guī)律,核衰變規(guī)律,核衰變規(guī)律公式 半衰期T1/2：放射性原子核數(shù)目衰變到一半所需要的時間,其中：N為t時刻衰變核的剩余數(shù)目 N0為t=0時刻的衰變核數(shù)目 λ 為衰變常數(shù),半衰期T1/2的含

7、義,半衰期T1/2與 λ 的關系,例如：Ra的半衰期為1590年， 磷-32的半衰期為14.3天， 銫-135的半衰期為2.8×10-10S。,放射性活度（又稱放射性強度） 是一定量的放射性核素在一個很短的時間間隔內發(fā)生的核衰變數(shù)除以該時間間隔。也就是單位時間內發(fā)生的衰變的原子核數(shù)。,放射性活度的單位,1 、貝克勒爾（ Becquerel ） : 簡稱貝克（ Bq ） 1Bq=1 次核衰變 /

8、 秒（ 1S -1 ） 2 、居里（ Curie, 符號 Ci ） 1 居里表示：放射性核素在 1 秒內發(fā)生 3.7 × 10 10 次核衰變。,,核醫(yī)學始于 20 世紀 50 年代。 1950 年，建立了晶體井型計數(shù)儀，用于體外的放射性測量。 1951 年， cassen 用晶體加準直器研制成功閃爍掃描儀，獲得了人體第一張甲狀腺掃描圖。 1957 年， Hal Anger 研制了γ照相機。 1964 年，世界

9、上便有了商品γ照相機供應，開創(chuàng)了核醫(yī)學顯像的新紀元。 1979 年，Kuhl 等人在長期研究基礎上制成了世界上第一臺發(fā)射型計算機斷層 (ECT) 。,核醫(yī)學儀器的類型 （一）測量用核醫(yī)學儀器： 主要在醫(yī)學研究和臨床檢驗中，用于對被檢測樣品如血、尿、糞便、組織中的放射性測量。 常用的儀器有γ閃爍計數(shù)器、液體閃爍計數(shù)器。,核醫(yī)學儀器的類型,（二）診斷用核醫(yī)學儀器： 主要在臨床核醫(yī)學工作

10、中，用來進行臟器功能測定和臟器顯像。 臟器功能測定儀（腎功能測定儀、甲狀腺功能測定儀、 γ心臟功能測定儀、多探頭臟器功能測定儀等 ）。 臟器顯像儀器（ γ 照相機、發(fā)射型計算機斷層攝影儀（ ECT ））。,核醫(yī)學儀器的類型,防護用核醫(yī)學儀器： 為了保障核醫(yī)學工作的順利進行，用于對工作環(huán)境、器皿物件以及工作人員體表可能受到的污染進行監(jiān)測的儀器。如個人劑量監(jiān)測儀、 α、β或γ輻射表面污染

11、測量儀等。,核醫(yī)學儀器分類,用于放射性藥物的活度測量的活度計 活度計又稱強度計、同位素刻度計、居里計。 用于個人劑量監(jiān)測和防護監(jiān)測的儀器 個人劑量計、熱釋光劑量計、表面沾染儀、環(huán)境監(jiān)測儀等。,核醫(yī)學儀器分類,用于體外樣品分析的樣品測量裝置 放射免疫計數(shù)器、液體閃爍計數(shù)器。 用于臟器功能測定的儀器 甲狀腺功能儀、腎功能儀、心功能儀、肺密度儀、骨密度儀等。 用于臟器顯像的裝置 閃爍掃描儀、伽瑪照相機、SPECT、PET。,一

12、些儀器,活度計,免疫計數(shù)器,功能儀,一些儀器,閃爍掃描儀,伽瑪照相機,SPECT,PET,全身骨成像,,γ射線探測 利用放射性探測儀器（或測量裝置）可以探測和記錄放射性同位素所放出射線（或粒子）的種類、數(shù)量（強度）和能量（能譜）等。,γ射線探測臨床應用價值,臨床醫(yī)學上常通過探測放射性的方法來觀察放射性同位素在人體臟器內的分布，以診斷臟器是否存在病變和確定病變所在的位置等。,閃爍計數(shù)器 閃爍計數(shù)器是

13、射線探測的基本儀器，它由閃爍體、光學收集系統(tǒng)和光電倍增管組成。,,閃爍計數(shù)器測量原理,1. 射線在晶體內產(chǎn)生熒光，利用光導和反射器組成的光收集器將光子投射到光電倍增管的光陰極上，擊出光電子； 2. 光電子在光電倍增管內被倍增、加速，在陽極上形成電流脈沖輸出； 3. 電流脈沖的高度與射線的能量成正比，電流脈沖的個數(shù)與輻射源入射晶體的光子數(shù)目成正比，即與輻射源的活度成正比。,閃爍計數(shù)器的優(yōu)勢,1.

14、 既可以測量光子也可以探測帶電粒子，特別是對射線有很高的探測效率； 2. 經(jīng)光電倍增管給出的電流脈沖有較強抗干擾能力，適用于較復雜環(huán)境的工作。,脈沖幅度分析器,脈沖幅度甄別器 閃爍計數(shù)器所產(chǎn)生的電流脈沖的幅度和輻射光子的能量成正比，如測出脈沖幅度與計數(shù)的關系曲線就等于測出了幅射能譜。,,單道脈沖幅度分析器 能直接測出幅度在之間脈沖計數(shù)的儀器叫單道脈沖幅度分析器，它由兩個甄別器組成。 上限

15、甄別器有較高的甄別閾值，下限甄別器閾值為V，其差值叫道寬。,核醫(yī)學成像設備原理簡介,同位素掃描儀(Radionuclide Scanner),,,掃描圖：甲狀腺癌的轉移,γ照相機和單光子發(fā)射型計算機斷層γ照相機,,,γ照相機作用,γ照相機是將人體內放射性核素分布快速、一次性顯像的設備。 它不僅可以提供靜態(tài)圖像也可以進行動態(tài)觀測，既可提供局部組織臟器的圖像，也可以提供人體人身的照片。 圖像中功能信

16、息豐富，是診斷腫瘤及循環(huán)系統(tǒng)疾病的重要裝置。,γ照相機的原理,γ照相機的探測器(探頭)固定不動，在整個視野上對體內發(fā)出的γ射線都是敏感的，所以是一次性成像。 檢測器所得數(shù)據(jù)要輸入計算機，γ照相可以對圖像作后處理。能把形態(tài)學和功能性信息顯示結合起來。,,伽瑪照相機的組成,探頭,探頭支架,病床,操作控制臺 及 數(shù)據(jù)處理裝置,,,,,伽瑪照相機電路結構,伽瑪照相機的探頭結構,準直器,NaI(Tl)晶體,光電倍增管(PM

17、T),定位電路,顯示,,,,,,PMT的排列方式,每一個邊排列3個，總共19個 ；每一個邊排列4個，總共37個； 每一個邊排列5個，總共61個； 每一個邊排列6個，總共91個； 每一個邊排列7個，總共127個。,P2,,,位置計算電路,,P1,,,,,P3,,,伽瑪射線,,,,X1,X2,X3,0,NaI(Tl),P1,P2,P3為PMT的輸出信號值，反映了進入PMT的光強。,X1,X2,X3為PMT的位置值,,X,發(fā)光點的總強

18、度： P=P1+P2+P3 即Z信號的值,發(fā)光點的X坐標值：,重心法求發(fā)光點的位置原理,X,伽瑪照相機的特點,探頭不需要移動，可一次成像 。 成像效率高，特別是對低能量伽瑪射線 。能做連續(xù)動態(tài)顯像，可以觀察臟器對藥物隨時間的吸收、代謝情況，判斷臟器的功能。,伽瑪照相機的缺點,1．結構與電子線路較為復雜，獲得優(yōu)質圖像的設備調整的過程較為復雜。2．圖像受臟器的厚度影響較大。3．γ照相的空間分辨力還較低，在形態(tài)學診斷上還不及X

19、—CT射線及MRI。,,發(fā)射型計算機斷層掃描儀 Emission Computed Tomography (ECT) 分類 單光子發(fā)射型計算機斷層掃描儀 Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT) 正電子發(fā)射型計算機斷層掃描儀 Positron Emission Computed Tomography (PECT)，簡稱PET,為什么叫ECT？,相對于TCT (Tra

20、nsmission Computed Tomography)而言，即射線源在人體的外部，X線CT即為TCT。 而ECT的射線源在人體內部，即放射線藥物引入人體后，藥物釋放出伽瑪射線。ECT的本質是由在體外測量發(fā)自體內的γ射線技術來確定在體內的放射性核素的活度。,SPECT原理,SPECT原理,SPECT的放射性制劑都是發(fā)生γ衰變的同位素，體外進行的是單個光子數(shù)量的探測。,,SPECT的成像原理,平面成像 線投影通過濾波反投影法重建

21、圖像,立體成像 面投影通過濾波反投影法重建圖像,SPECT的成像原理,SPECT的成像算法與X－CT類似，也是濾波反投影法： 1. 由探測器獲得斷層的投影函數(shù)； 2.用適當?shù)臑V波函數(shù)進行卷積處理； 3. 將卷積處理后的投影函數(shù)進行反投影，重建二維的活度分布。,單光子發(fā)射型計算機斷層原理 發(fā)射型計算機斷層是通過計算機圖像重建來顯示已進人體內的放射性核素在斷ECT分為單光子發(fā)

22、射型計算機斷層（SPECT）及正電子發(fā)射型計算機斷層（PET）。,SPECT的衰減校正,SPECT是通過γ射線的體外計數(shù)來標定體內放射性活度，不希望穿出人體的γ射線有衰減，在無衰減情況下，計數(shù)大小正比于放射性話度。但是衰減是不可避免的，它的存在嚴重影響了活度的精度。,SPECT的特點,可提供任意方位角的斷層圖像及三維立體圖的成像數(shù)據(jù)；提供功能性測量的量化信息，較γ照相機大大提高了腫瘤及臟器的功能性診斷效率。測量靈敏度低；量化精度較差；

23、圖像空間分辨率低；引入的放射性制劑的量較大。,SPECT與CT的比較,1. 比X線CT圖像重建復雜 必須修正伽瑪射線被組織的吸收。必須修正散射線的影響。,SPECT與CT的比較,2. X線CT測定的是人體組織對X線的衰減值，反映的是組織的物理特性(組織密度值)； 而SPECT測定的是人體組織對放射性藥物的吸收情況，反映的是人體組織的生理、生化信息，以及組織的功能代謝情況。,PET簡介,PET歷史 1953年，D

24、r.BrXwnell和Dr.Sweet就已研制了用于腦正電子顯像的PET顯像儀。 60年代末，出現(xiàn)了第一代商品化PET掃描儀，可進行斷層面顯像。 1976年，由Dr.Phelps和DrX.Hoffman設計，由ORTEC公司組裝生產(chǎn)了第一臺用于臨床的商品化的PET。,,PET歷史,20世紀80年代，更多公司投入了PET研制，島津(Shimadzu，1980)、CTI公司(1983)、西門子公司(Siemens，1986)、通用電氣公

25、司(GE，1989)、日立公司(Hitachi，1989)和ADAC公司(1989)。 PET系統(tǒng)已日趨成熟，許多新技術用于PET產(chǎn)品。90年代中期，在發(fā)達國家PET已成為重要的影像學診斷工具。,PET的發(fā)展,2001年 GE DISCOVERY -LS,1964年 環(huán)狀頭部PET,正電子發(fā)射型計算機斷層掃描儀PET的優(yōu)勢,PET的最大優(yōu)勢是能定量評價在體組織的生理、生化功能，相對于SPECT又有空間分辨力高、靈敏度高，測量精度

26、高，引入的放射性制劑量少等特點，被譽為活體的分子斷層圖像。,PET的特點,1．采用了人體富有的貧中子短壽命同位素作為放射性制劑 2．采用具有自準直符合計數(shù)方法 3．衰減校正較好 4．PET的檢測系統(tǒng)靈敏度較高,湮滅輻射產(chǎn)生的雙光子飛行在同一直線上，但方向相反。在β＋衰變發(fā)生的區(qū)域兩側，放置兩個光子探測器，當兩個探側器同時接收到光子時．符合電路會給出一個計數(shù) 。,Return,,湮滅輻射有自準直作用，無需準直器，這樣PET的靈敏度大

27、大提高，引入體內的放射性制劑的量大為減少。而X—CT中的X射線，SPECT中的γ射線就要在探測器中加裝準直器，這樣很多的光子就被準直器擋掉了。,符合探測帶來的另一好處是湮滅輻射發(fā)生地點對測量結果的影響不大，而這個不大的影響還可以得到很精確的校正。,Return,PET影像設備,正電子核素制備回旋加速器 正電子示蹤劑制備 放化標記設備 PET影像獲取 PET影像系統(tǒng),,,,正電子藥物,正電子核素半衰期 產(chǎn) 物

28、 Carbon-1120.5 min14N(p,α)11C Nitrogen-1310.0 min16O(p,α)13N Oxygen-152.1 min14N(d,n)15O Fluorine-18110 min18O(p,n)18F (F-)20Ne(d,α)18F (F2) Gallium-6868 minGe-68的子體(271天) Rubidium-821.27 min

29、Sr-82的子體(25天) C, N, O, F 等成分直接參與人體生化代謝,正電子成像的物理基礎,正電子放射性核素通常為富質子的核素 ，它們衰變時會發(fā)射正電子。原子核中的質子 釋放正電子和中微子并衰變?yōu)橹凶樱篜 → β＋ + n + ν 其中 P為質子，n為中子，β＋為正電子，ν為中微子。,正電子湮滅,正電子發(fā)射體發(fā)射出的正電子（β＋）在極短的時間內與其臨近的電子（β－）碰撞而發(fā)生湮滅輻射，即在兩者湮滅的同時，產(chǎn)生兩

30、個方向相反的能量都為511KeV的γ光子，此即質量湮滅現(xiàn)象。,正電子湮滅,正電子湮滅前在人體組織內行進 1-3mm。 湮滅作用產(chǎn)生： 能量(光子是 511KeV)。 動量,,n,,,,,,,,,,,,,,,b+,,b-,,~1-3mm,511KeV,511KeV,同時產(chǎn)生互成180度的511keV的伽瑪光子。,常用正電子放射性核素的物理特性,放射性核素半衰期 最大正電子能量 最大射程 平均射程

31、（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

32、 0.22 68Ga 67.81.89 9.1 1.35 82Rb 1.33.35 15.6 2.60,,,,,符合探測原理,湮滅輻射發(fā)生的位置限于這兩個探頭的有效視野內，凡在此視野外或在此視野內發(fā)生的湮滅輻射，所產(chǎn)生的兩個γ光子不能同時進入兩個探頭者，都不能形成符合信號，因而不能被記錄，此即符合檢測原理。,符合探測原理,符合探測技術能在

33、符合電路的時間分辨范圍內，檢測同時發(fā)生的放射性事件。 利用符合探測技術可以進行正電子放射性核素示蹤成像。 使用符合探測技術，起到電子準直作用，大大減少隨機符合事件和本底的同時提高了探測靈敏度。,,,,,,探測器1,探測器2,,,,,,,,脈沖 處理器,,,,,,,,符合,,脈沖 處理器,,,,PET影像分辨率的極限,正電子湮滅作用過程中粒子的動量變化會導致511 keV光子在探測野中產(chǎn)生約4‰弧度的不確定性偏離。 對探測環(huán)橫斷面

34、視野直徑為70cm的PET，會導致2－3mm的位置不確定性。 這一微小偏差，以及正電子發(fā)射位置與湮滅輻射的發(fā)生點之間存在微小間距，使PET的分辨率有一極限值制約。 對大視野（FOV）PET而言，最高分辨率約為3－4mm。,PET影像分辨率的極限,點源,,,真符合、隨機符合和散射符合,,,,,,1. 真符合時間,,,2. 因靈敏度或死時間丟失的真符合事件,,,,3. 因光子衰減丟失的真符合事件,,,,4. 散射符合事件,,,,

35、,5 . a,b 隨機符合事件,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,R,,,光電倍增管,光電倍增管,處理,符合,探測器,環(huán),,,,PET的數(shù)據(jù)處理過程,符 合 處理器,,數(shù)據(jù) 重組,,圖像 重建,圖像,,,,PET的電子準直,,PET的探頭和探測環(huán),X-Y平面為PET的橫斷面，與探測環(huán)平面平行。 Z軸是 PET的長軸，與探測環(huán)平面垂直。,PET選用的晶體,早期研制

36、的PET儀晶體材料為NaI（碘化鈉），第一臺商品化PET也是應用NaI晶體作探測晶體。80年代初期，EG&G Ortec與Scanditronix公司將BGO（鍺酸鉍）與GSO（硅酸釓）兩種晶體用作PET探測晶體。,PET選用的晶體,從1980年至2000年，BGO是主要的PET晶體材料之一，而NaI與GSO在商品化PET中應用相對較少。1990年，LSO（硅酸镥）晶體的研究引起人們的很大關注.第1臺商品化臨床LSO PE

37、T儀于2001年由CTI/CPS推出，這種新型探測器材料對PET的發(fā)展具有重要貢獻。,PET選用的晶體,NaI(Tl) 晶體能量分辨率較高，價格便宜。 BGO晶體密度大，探測效率高、穩(wěn)定性好。 LSO 、GSO等晶體密度大、衰減常數(shù)小、光產(chǎn)額高。,性能指標NaICeF1BaF2BGOCsI(Tl)LSOYAPGSO 物理密度 (g/cm3) 3.676.16 4.89 7.13 4.517.355.

38、556.71 輻射長度 (cm)2.591.702.101.121.860.882.70 線衰減系數(shù)(1/cm) 0.340.640.470.92 0.600.87 0.62 發(fā)射波長 (nm) 410310220480580420380430 衰減常數(shù) (ns) 230213001000 403060 光子產(chǎn)額 (%) 100 3 4 15 4570

39、4041 折射指數(shù)1.85 1.62 1.49 2.151.801.82 1.901.85,,,,,PET的結構組態(tài),1對1組合,塊狀晶體組合,伽瑪相機組,臨床PET采用多晶體組合結構。 用較少的探測器得到較多的環(huán)數(shù)、較大的軸向視野和較高的空間分辨率。,PET的結構組態(tài),PET 的 2D和 3D采集模式,2D采集時探頭環(huán)與環(huán)之間放置柵隔(septa)。 柵隔由鉛或鎢等重金屬屏蔽材料制成，防止錯環(huán)符合事件發(fā)生。

40、3D采集收進環(huán)間柵隔，系統(tǒng)會記錄探測器之間任何組合的符合事件。,PET 的 2D和 3D采集模式,PET 的 2D采集模式,直接性,交叉性,組合型,PET 的 3D采集模式,3D: >35% 散射和隨機計數(shù)需減去 2D: 僅 10%非真符合計數(shù)需減去,3D全身掃描除了散射和隨機符合計數(shù)外，還包括軸向視野(AFOV)外的放射性計數(shù)，這些計數(shù)的摻入嚴重影響3D全身影像。,PET 的 2D和 3D采集模式,2D采集：

41、信噪比高，隨機符合和散射符合計數(shù)較小 圖像校正和圖像重建簡單，定量處理準確 軸向FOV均勻性較好 靈敏度較低，采集時間較長 3D采集： 靈敏度較高，節(jié)省采集時間 隨機符合和散射符合計數(shù)較高 圖像校正和圖像重建復雜，定量精度很差 軸向FOV均勻性較差,PET的性能參數(shù),能量分辨率： E res= (EFWHM / EP ) X 100% 時間分辨率：時間響應曲線的半高寬（FWH