核医学仪器笔记

绪论

核医学的物理学基础知识

γ照相机

单光子发射计算机断层（SPECT）

正电子发射计算机断层显像（PET）

核医学仪器的质量控制

核的衰变及其方式

一、有关的几个基本概念

1、衰变

2、母核和子核

3、放射性核素和放射性同位素

4、核衰变的自发性

二、核的衰变形式

1、β-衰变

2、（β-γ）衰变

3、同质异能衰变与内转换

4、电子俘获

5、β+衰变

6、α衰变和核裂变

γ照相机

一、基本原理和组成（掌握）

1、基本工作过程;

2、准直器;

3、晶体

4、光导和光电倍增管、

5、位置电路和能量电路

6、成像装置

二、γ照相机的性能指标（熟悉）

1、固有性能;

2、系统性能

三、质控（熟悉）

四、软件系统

单光子发射断层扫描仪(SPECT)

一、绪论

二、SPECT的成像原理

三、投影采样

四、重建算法

五、校正原理和质量控制

六、单探头SPECT系统

—— SPECT质量控制及校正

七、衰减和散射校正

八、软件和定量分析

单光子发射断层扫描仪(SPECT)定量分析

正电子发射断层扫描仪(PET)原理应用及进展

引言

基本工作原理与过程

临床应用

国外PET研究发展现状

国内外市场概况

国内PET研究发展现状

1．简述放射性核素显像原理和特点。

放射性核素显像是利用脏器和病变组织对放射性药物摄取的差别，通过仪器来显示出脏器或病变组织影像的诊断方法。

采用的方法有两种：一种是利用正常脏器有选择性浓聚放射性药物的能力，而病变组织浓聚能力缺乏或减弱，在显像图上呈现为放射性缺损区或"冷"区，称为阴性显像。另一种是病变组织有选择性浓聚放射性药物的能力，而正常的脏器摄取能力缺乏或较差，在显像图上呈现为放射性浓聚区或"热区"，称为阳性显像。

显像在方式上又分为静态显像和动态显像两种。静态显像，即在注入放射性药物后一定时间显示放射性药物在脏器或病变组织内的分布，主要用于检查器质性病变，特别是占位性病变(图1－1)；动态显像即在一定时间内多次显像，以动态观察放射性药物在脏器和病变组织内的分布，所得结果不仅可反映病变的部位，而且能反映病变部位的功能状态。(图1－2)

2．什么是放射性核素？核衰变的方式有哪些？

放射性核素是指原子核不稳定的核素，会自发地变成另一种核素，同时释放出一种或一种以上的射线

放射性核素主要衰变方式有：α衰变、β- 衰变、β+衰变、核外电子俘获以及γ跃迁和同质异能跃迁。

3．简述射线和物质的相互作用。

它包括射线对物质的作用（引起物质的电离、激发等）和物质对射线的作用（引起射线的减速、散射及吸收等）两个相互联系的方面。

电离作用是指射线使物质中的原子失去轨道电子而形成正负离子对，它是某些探测器测量射线的物质基础，又是射线引起物理、化学变化及生物效应的主要机制。电离作用的强弱常用射线在每厘米路程上产生的离子对数来度量，即电离密度或比电离。

激发作用指射线使某些原子的轨道电子从低能级跃迁至高能级。当该电子退激时，这部分能量以光子或热能形式释出。激发作用是另一些探测器工作的物理基础，也是射线引起物理、化学、生物效应的机制之一。

散射作用是指带电粒子受到物质原子核库仑电场的电作用时，或光子与物质的轨道电子碰撞时，射线发射偏离原来的方向而进行。散射作用对测量及防护都有一定影响。吸收作用是由于射线动能全部或将近全部丧失时，会和周围物质发生一些特殊的相互作用，如湮没，轫致辐射。

4．单位时间内通过粒子计数器的粒子数为N，若已知计数器的分辨时间为τ1，记录装置的分辨时间为τ2，试确定计数器的记录装置单位时间内输出的脉冲数，讨论下列情形：

（1）τ1>τ2；

（2）τ1<τ2。

5．γ照相机由哪几部分组成？最适宜的γ射线的能量为多少？

γ相机通常由以下主要部分组成：准直器，探测器（晶体），光电倍增管（PMT），预放大器，放大器，脉冲高度分析器（PHA），X、Y位置电路、总和电路，以及显示或记录器件。带有计算机的γ相机还有模/数（A/D）转换器和数字计算机。

最适宜的γ射线的能量为100～250keV。

6．影响定量SPECT的因素有哪些？给出均匀性校正的方法。

。积分均匀度是指测量的投影之间的最大偏差；微分均匀度都是指在一定距离内（一般为5个像素之间）测量投影值的最大变化。

NEMA 标准中，对单探头SPECT ，使用0.1mci 的99mTc 点源，置于距UFOV 直径5倍距离处。采集的图像矩阵为64×64，在图像中心处的计数至少达到4000以上，总计数需要累计到12M 以上。同时采集的数据必须进行平滑处理，可采用九点窗口平滑： 1 2 1 2 4 2 1 2 1

均匀度的计算：

积分均匀度 =

微分均匀度 =

上式中Max 为UFOV 或CFOV 内的最大计数，Min 为最小计数。将面源所成的像分为多个行、列，逐个比较每行、列中5个像素之间的计数差值，从而可以得到最大差值的行或列，Hi 为最大差值行（列）5个像素中的最大计数，Low 为最大差值行（列）5个像素中的最小计数。

导致不均匀性的原因可以分为两类：空间畸变以及点源灵敏度变化。尤其对定量测量来说，将这两种因素加以区分并测量点源灵敏度的变化十分重要。

点源灵敏度的测量：用一个经过准直的99mTc 点源，在间距为3cm 的各点进行测量，各点的测量时间选择应保证每一点的计数值在100,000以上。经过衰变校正后，点源灵敏度的计算如下：

点源灵敏度 =

均匀度校正：从上面的均匀度测量可以得到计数的平均值，如图一右下方所示。对于每

，得到一个均匀度校正矩阵因子，也可以分别对空间非线性和点源灵敏度分别进行校正，非线性的校正方法见下面，点源灵敏度的校正方法：用各位置测得的点源计数值除以平均值，得到一个点源灵敏度校正矩阵因子，用该矩阵因子与实际应用中的测量数据进行相乘可以得到均匀校正后的数据。

7．什么是核医学图像的断层重建？描述常用的几种重建技术。

知道了某个断层在所有观测角的一维投影，投影是断层图像沿投影线的积分，重建则是其逆运算，可以推出用投影表示断层图像的解析式。就能计算出该断层的图像。从投影求解断层图像的过程称作断层重建

重建算法可分成解析法和迭代法两大类。解析法是以中心切片定理(Central Slice Theorem)为理论基础的求逆过程。常用的一种解析法称为滤波反投影法(Filte-red

Back-Projection ，FBP)。FBP 法首先在频率空间对投影数据进行滤波，再将滤波后的投影数据反投影得到重建断层图像。滤波器选为斜坡函数和 某一窗函数的乘积，窗函数用于控制噪声，其形状权衡着统计噪声和空间分辨。常用的窗函数有Hanning 窗，Hamming 窗，Butterworth 窗以及Shepp-Logan 窗。

迭代法首先给待求的断层图像赋予一个初始估计值(例如各象素的值均为1)，根据此初始值计算出理论投影值，将它和实测投影值进行比较，计算出每个象素的修正量，对初始图

像进行修正。然后再根据新的断层图像估计值计算理论投影值，与实测投影值比较，再次修正断层图像估计值。接着是第三次循环、第四次循环……。只要修正方法正确，每次迭代都能更逼近正确的断层图像。

对断层图像修正的目标和准则各种各样，所以迭代方法种类繁多，如代数重建技术(Algebraic Reconstruction Technique，ART)、加权的最小平方(Weighted-Least Squares，WLS)法、共轭梯度法(Conjugate Gradient Met-hod)、最大似然函数—期望值最大化(Maximum Likelihood-Expectation Maximization，ML-EM)算法等等。

8．什么是放射性药物？用于PET的正电子核素有哪些？

放射性药物：用于机体内进行医学诊断或治疗的含放射性核素标记的化合物或生物制剂。

9．绘制正电子发射断层扫描仪（PET）的结构原理框图，分析工作过程。

正负电子湮灭时产生两个向相反方向运动的511keV的γ光子，用相对放置的两个探测器来测量。符合探测只记录两个511keV的γ光子同时被测到的湮灭事件，仅有一个探测器有输出，或能量不是511keV的事件被排除。符合事件一定发生在两个探测器之间的符合探测区中，因此ACD又称作电子准直技术。

其工作过程：制作核素并配制有正电子衰变核素标记的放射性药物注射到病人体内，

由于放射性核素在病人体内的物理作用，通过探测器探测到数据，在这个过程中数据通过光电倍增管放大，经过符合电路出路惊醒数据获取，在经过数据重组进行图像重建，并进行图像处理和分析得到理想的图像

10．试论述核医学仪器的临床应用。4-3

PET在心血管疾病诊断中的应用

PET 是唯一的能够精确确定心肌活力的无损检测手段，被用做黄金标准。

PET在神经系统疾病诊断中的应用

PET 可以在确定帕金森症，诊断区别老年痴呆，舞蹈病，多梗死痴呆，假性痴呆等，以及在确定“中风”病情和制定治疗方案中都可起到关键作用；它可帮助确定癫痫病灶范围。

PET在肿瘤诊断和治疗中的应用

PET在认知功能研究和新医药开发中的应用

1．翻译和解释下列词语。

FWHM、CFOV、OSEM、ECT

FWHM（full width at half maximum）半高宽：FHWH通常用作衡量核医学设备的下列性能参数：1功能仪准直器视野2成像系统的空间非线性3空间分辨率4非均匀性5灵敏度6能量分辨率

CFOV(central field of view)中心视野：有效视场直径的75%大小的区域；

OSEM (Ordered Subset Expectation Maximization) 有序子集最大期望值法：是很有应用前景的一种快速迭代重建算法，它是在最大似然期望法(Maximum Like-lihood Expectation maximization，MLEM)的基础上发展起来的，并且加快收敛速度，减少运算时间，提高图像质量

ECT（Emission Computed Tomography）发射型计算机断层扫描：区别于X射线CT所采用的透射型计算机断层成像术(Transmission Computed Tomography，TCT)。X射线CT对透过病人身体的X射线成像，得到人体组织衰减系数的三维图像，即解剖结构

2. 请简述核医学仪器的种类。

核医学是利用伽玛射线在药物中标记后引入人体，通过核医学仪器设备对伽玛射线在人体中的分布情况，来判断人体脏器和组织的功能或代谢情况是否正常。

核医学实验室仪器：活度计，剂量计，环境监测仪，表面放射性沾染测量仪，全身计数器核医学体外诊断仪（样品测量装置）：放免计数器，液闪计数器

核医学功能仪：甲状腺功能仪，肾功能仪，心功能仪，脑血流量测定仪，骨密度仪，肺密度仪

核医学影像设备：同位素扫描机，闪烁照相机，SPECT，PET，CT-PET

3．γ相机准直器的功用是什么？有哪些类型？它们的成像特点和用途如何？

准直器置于晶体探测器表面，用于限制进入探头视野γ射线的范围和方向，阻挡视野外γ射线进入探测器。

准直器的分类主要依据它的聚焦类型和孔的间壁厚度，按聚焦类型分为平行孔、针孔、汇聚型和发散型。

平行孔准直器的孔相互平行，并与探测面垂直，是核医学成像中最常用的准直器，适合于一一对应的投影成像。平行孔准直器依据在成像中所能提供的分辨率、灵敏度和适用的能量范围分类为：高分辨率、通用和高灵敏度型，以及低能、中能和高能型。针孔准直器有一个圆锥形孔，具有放大图像作用，主要用于甲状腺等小器官成像。汇聚型准直器的孔对外部点形成聚合，也具有图像放大作用，用于探测比探头视野小的器官，典型的汇聚型准直器是扇型（FAN BEAM）准直器，通常用于脑成像。发散型准直器与汇聚型相反，它的孔对对探测面形成扩张，用于成像器官的尺寸大于探测视野的情况，如肺部。采用这种准直器，器官图像被缩小。

4．什么是核医学图像的断层重建？描述常用的几种重建技术。

5．什么是2D采集和3D采集，它们各有什么特点？

为减少假符合计数考虑，隔片应尽量限制晶体环的轴向探测范围；但从提高探测效率考虑，隔片的高度除了不应妨碍环内的直接符合外，还应允许在相邻的两层环之间的交叉符合；这样，在小倾角平面里飞行的湮灭光子也能被利用，将交叉符合事件的计数加权求和，能在直接符合断层之间产生平行的附加断层图像。上述符合关系基本上限制在垂直Z轴的平面内，称为二维数据采集。

隔片撤除后，交叉符合的环间跨度变宽，能够进行三维数据采集。

特点：所以3D数据采集适合低剂量和快速扫描的临床应用，2D数据采集虽然时间长，但图像分辨率高，适合小病灶探测。

三、论述题（每题15分）

1．绘制正电子发射断层扫描仪（PET）的结构原理框图，分析工作过程及优势。

二、简答题（每题10分）

1．简述核医学的定义和内容

核医学：（nuc lear medic ine）是一门研究核素和核射线在医学中的应用及生物医学理论的学科。

内容：核医学是采用核技术来诊断、治疗和研究疾病的一门新兴学科。它是核技术、电子技术、计算机技术、化学、物理和生物学等现代科学技术与医学相结合的产物。核医学可分为两类，即临床核医学和基础核医学或称实验核医学。前者又与临床各科紧密结合并互相渗透。核医学按器官或系统又可分为心血管核医学、神经核医学、消化系统核医学、内分泌核医学、儿科核医学和治疗核医学等。７０年代以来由于单光子发射计算机断层和正电子

发射计算机断层技术的发展，以及放射性药物的创新和开发，使核医学显像技术取得突破性进展。它和ＣＴ、核磁共振、超声技术等相互补充、彼此印证，极大地提高了对疾病的诊断和研究水平，故核医学显像是近代临床医学影像诊断领域中一个十分活跃的分支和重要组成部分。

2. 请简述核医学仪器的种类。

3．影响定量SPECT的因素有哪些？给出均匀性校正的方法。

4．什么是核医学图像的断层重建？描述常用的几种重建技术。

5．什么是放射性药物？用于PET的正电子核素有哪些？

三、论述题（每题15分）

1．绘制正电子发射断层扫描仪（PET）的结构原理框图，分析工作过程及优势。

2．试论述核医学仪器的临床应用。