Transcript 核医学成像
核医学成像 第一讲 • 绪论 • 核医学影像基础与设备 • 放射性药品及显像原理 绪 论 • 定义 影像核医学：利用放射性核素作 为示踪剂进行医学成像诊断疾病， 探索其机制与相关技术理论，并利 用放射性核素治疗疾病的医学学科。 • 影像核医学的特点 现代医学影像学技术及成像原理 影像学技术 CT B超 MR γ照相机 SPECT PET 成像原理 衰减系数（CT值） 超声波反射（回声） 质子密度（T1 T2） 放射性浓度（平面） 放射性浓度（半定量） 放射性浓度（定量） 性质 形态 解剖 形态 解剖 解剖 功能 血流 功能 血流 代谢 功能 血流 代谢 功能 影像核医学的特点 双肾血流灌注图 存活心肌显像 影像核医学特点 • 功能显像 • 分子显像 • 动态显像 • 定量分析 核医学的组成 核医学 临床核医学 诊断核医学 体内 显 像 检查法 非显像 检查法 体外 分析 实验核医学 治疗核医学 内照射 近距离 一级学科：临床医学 二级学科：影像医学 与核医学 我国影像核医学发展现状 设备相对落后，资源分配不均人员 素质参差不齐，临床医师认识不够。 核医学的优势和潜力没有，充分 发挥。 核医学影像基础与设备 • 核物理基础 元素 核素 1、放射性核素 释放的射线主要为αβγ 2、稳定性核素 同位素 同质异能素 99mTc 核衰变 放射性核素自发的发生核内结构或能变化，同 时释放出某种射线而转化为另一种核素的现象， 称为核衰变(nuclear decay)。 衰变类型 α衰变 Β+衰变 γ衰变 核衰变规律 N= N0e-t 指数规律衰变 （半衰期是每一种放射性核素所特有的，可测定半衰 期确定核素的种类，甚至可推断放射性核素混合物中核素 的种类） • 物理半衰期(physical half life) 指放射性核素减少一半所需要的时间（T1/2）。 • 生物半排期（biological half life） 指生物体内的放射性核素经各种途径从体内排出 一半所需要的(Tb) • 有效半减期（effective half life） 指生物体内的放射性核素由于从体内排出和物理 衰变两个因素作用，减少至原有放射性活度的一 半所需的时间（Teff ）。 • 有效半减期与物理半衰期及生物半排期的关系： Teff = T1/2 ∙Tb/( T1/2+ Tb) • 放射性活度 单位时间内原子核的衰变数量。是核 医学中常用的反映放射性强弱的物理量。 • 国际制单位：Bq（贝克），KBq（103 Bq）， MBq（106Bq），GBq（109 Bq） • 旧的专用单位：Ci（居里），mCi（10－3 Ci），Ci（10－6Ci） • 1Bq = 1次衰变/秒 • 1Ci=3.7 1010 Bq 辐射剂量及其单位 • 照射量 —— 辐射场强弱 • 照射量率 —— 单位时间内的照射量 • 吸收剂量 —— 被照射物质所吸收的能量 • 剂量当量 —— 不同类辐射所引起的生物效应 • 当量剂量 —— 生物效应 辐射剂量及其单位 • 照射量 • 照射量率 • 吸收剂量 • 剂量当量 • 当量剂量 射线与物质的相互作用 • 带电粒子与物质的相互作用 电离、激发、散射、轫致辐射、湮灭辐射 • 光子与物质的相互作用 光电效应、康普顿散射、电子对生成 常用核医学仪器 Γ计数器 液体闪烁计数器 脏器功能测定仪 用于体外诊断 Γ照相机 单光子发射型计算机断层仪SPECT 正电子发射型计算机断层仪 PET γ闪烁探测器 （γ scintillation detector ） γ闪烁探测器实际上是一种能量转换器，其作用是 将探测到的射线能量转换成可以记录的电脉冲信号。 主要部件：晶体（crystal ） ［碘化钠（铊），NaI（Tl）］ 光电倍增管（photomultiplier tube，PMT） 前置放大器组成 Γ闪烁探测器示意图 闪烁体——晶体 最常见: 碘化钠晶体[NaI(T1)] 作 用: 波长转换器的作用 （10-19nm － >400nm左右) • 晶体的探测效率与灵敏度的矛盾 （探测灵敏度越高，分辨率越低。增加 晶体的厚度，可增加灵敏度，但会损 失分辨率。如果将晶体从12.5mm降到 6.5mm，空间分辨率可提高70%，而相应 的灵敏度仅损失15%。表1-2） 光电倍增管（PMT） • 作用：光信号转换为电信号，并对信号 进行放大。 • 光电倍增管的多少与定位的准确性密切 相关，数量多探测效率和定位的准确性 就高，图像的空间分辨率和灵敏度也高， 但影响探头的均匀性。 • 前置放大器 光电倍增管输出的电脉冲信号很微弱，形状 不规整，放大器的作用就是对电脉冲信号进行放 大、整形、倒相的电子学线路。 单光子发射型计算机断层仪 （single photon emission computed tomography，SPECT） 是一台高性能的γ照相机的基础上增加了支架 旋转的机械部分、断层床和图像重建软件，使探 头能围绕躯体旋转360o或180o，从多角度、多方 位采集一系列平面投影像。通过图像重建和处理， 可获得横断面（transverse section）、冠状面 （coronal section）和矢状面（sagittal section） 的断层影像（tomogram）。 探头的构成 准直器 晶体 光电倍增管 定向准直 波长转换器 光电转换器 准直器（collimator） 准直器位于探头的最 前端它是由铅或铅钨合金 铸成的机械装置，它的作 用是把人体内四面八方分 散的γ射线定向准直到闪 烁晶体的一定部位上。这 种采用准直器的方法称作 机械准直，以区别于电子 准直。 准直器的功能参数 几何参数： • 孔数、孔径、孔长及孔间壁厚度 • 决定了准直器的空间分辨率、灵 敏度和适用能量范围等性能参数 • 准直器的空间分辨率与灵敏度是 一个矛盾关系 准直器的空间分辨率 • 定义：描述区别两个邻近 • 点源的能力，通常以点源 或线源扩展函数的半高宽 （ full width at half maximum, FWHM）表示， 半高宽度越小，表示空间 分辨率越好。 平行孔准直器，FWHM由 下式估算： （D为准直孔的直径，L为准直器厚度， z0 为准直器表面至源的距离） 准直孔越小，准直器越厚，探头距病人距离 越近分辨率越高，获得的图像质量越好。 X、Y位置电路 • 一个光子在晶体中产生多个闪烁光子，被 多个光电倍增管接收； • 各个光电倍增管接收的闪烁光子的数目随 其离闪烁中心（γ光子处）的距离增加而减 少； • 由位置电路和能量电路根据不同位置的光 电倍增管接收到的闪烁光的强度来确定γ光 子的位置。 • PMT数目越多，图像上所有脉冲的X、Y位 置精度越好，图像的空间分辨率越好。 脉冲幅度高度分析器PHA ——光子能量甄别 • PHA用来选择放射性核素的能量和能谱范围。 • 单道分析器主要由上阈、下阈道宽和构成。改 • • 变道宽的大小可选择能谱的范围。 伽玛照相机的道宽经常选在20%， 包括了放射 性核素光电峰的位置，可用来选择伽玛照相机 所用的放射性核素。 选择设定核素能量窗的γ光子被记录，剔除低 能γ光子（例如，散射光子）及高能γ光子 。 单道脉冲幅度高度分析器 模数转换器 • 作用：把模拟信号转换成数字信号 • 转换位数越多，图像越清晰 双探头符合线路断层显像仪（DHTC） • 特点： 至少有两个探头，具有X、γ射线的投 射衰减校正 可以进行单光子核素显像和正电子核素 显像 SPECT/CT • SPECT与CT的融合，同时具有功能和结构 的优势 SPECT的图像采集 • 能窗的选择 • 矩阵 • 采集类型：静态、动态、门控、全身扫描、 断层采集 • 衰减校正 • 散射校正 图像重建 由已知不同方向的投影值来求物体内各点的分 布称图像重建。SPECT成像原理即将通过探头的旋 转得到的各角度投影图像利用图像重建的方法重建 出各方向的断层图像。 目前常用的图像重建方法为滤波反投影法 （FBP filtered backprojection）。对于一些不 完全角度投影可以采用迭代法（OSEM）重建图像。 图象重建的预备知识 • 在数字图像中，图像单元的大小，是用二进制单位比特 (Bit)表示的数字量。图像可划分成许多小的方块或单元， 称矩阵单元。 • 常用图像矩阵有 64×64、128×128、256×256等。 • 在SPECT中，我们事先并不知道各个矩阵单元的值， 我们 仅从测量中知道沿某一方向上各矩阵单元的和，称射线和 或投影。 • 从不同方向投影中可以求出矩阵单元的值， 这就是图像 重建的任务。 • 显然，如果知道了图像矩阵单元值，一幅图像性质也就知 道了。 • 正电子发射型计算机断层仪 PET 主要由探测系统包括晶体、电子准直、符合 线路和飞行时间技术，计算机数据处理系统，图 像显示和断层床等组成。 目前最先进的PET是探头多环型、模块和3D结 构，其中探头晶体除外经典的锗酸铋（bismuth germinate，BGO）晶体，现已推出硅酸镥 （lutetium oxyorthosillicate，LSO）和硅酸钆 （gadolinium orthosillicate，GSO）等新的晶体， 大大提高了探测效率，图像分辨率为3 ~ 5 mm。 PET与SPECT比较，其具有： ①空间分辨率高；②探测效率高；③能准确地显 示受检脏器内显像剂浓度提供的代谢影像和各种 定量生理参数等优点。 质量控制原理及方法 放射性药品及显像原理 放射性药物(radiopharmaceutical) 用于诊断和治疗的放射性核素及其化合物的制 剂。 特点： 放射性药物不具备普通药物的药理作用，其依 靠所载的放射性核素起到诊断和治疗作用。 开放性：放射性药物区别于肿瘤放射治疗的封 闭性外围辐射源（如60Co、137Cs）的特征。 分类 • 诊断类放射性药物 核素特点：核射线中以γ光子为主（能量以100～300 keV为宜）， 引入体内后容易被核医学探测仪器在体外探测到，从而适用于显 像； 同时γ光子在组织内电离密度较低，从而机体所受电离辐射 损伤较小。 代表核素：99Tcm核性能优良，为纯γ光子发射体，能量140 keV， T1/2为6.02 h、方便易得、几乎可用于人体各重要脏器的形态 和功能显像。99Tcm是显像检查中最常用的放射性核素，目前 全世界应用的显像药物中，99Tcm及其标记的化合物占80%以 上，广泛用于心、脑、肾、骨、肺、甲状腺等多种脏器疾患的检 查，并且大多已有配套药盒供应。 131I、201Tl、67Ga、111In、123I等放射性核素及 其标记药物 这类γ光子的核素及其标记药物也有较多应用，在临 床中发挥着各自的特性和作用。 正电子放射性药物 11C、13N、15O和18F等短半衰期放 射性核素在研究人体生理、生化、代谢、受体等方面显示出独特 优势，其中氟[18F]脱氧葡萄糖（18F-FDG）是目前临床应用最 为广泛的正电子放射性药物。 常用正电子放射性药物有效半衰期 • 15O • 13N • 11C • 18F 2.05min 9.96 min 20.34 min 110 min 治疗类放射性药物 • 适宜的射线能量和在组织中的射程是选择 性集中照射病变组织而避免正常组织受损 并获得预期治疗效果的基本保证。 各种常用治疗放射性药物的理化性能 核素 标记 T1/2 β-最大能量 γ keV(%) 最大射 主要临床应用 化合物 MeV 程 (mm) 32P 磷酸盐 14.3d 1.71 8 真红, 原发性血小板增 胶体磷酸铬 腔内治疗 玻璃微球 肝癌动脉栓塞 131I 8.06d 0.61 365(81) 2-3 甲亢, 分化型甲癌及转移灶 MIBG 嗜铬细胞瘤 153SmEDTMP 40.6h 0.8 103 (28%) 3.4 骨转移癌疼痛 89Sr 50.5d 1.46 2-3 骨转移癌疼 186Re HEDP 3.8d 1.07 137(9%) 4.7 骨转移癌疼痛 188Re HEDP 19.6h 2.12 155(10%) 骨转移癌疼痛 117mSnDTPA 13.6d CE 159(86%) 0.3 骨转移癌疼痛 117Lu EDTMP 6.75d 0.497 113(6.4%) 骨转移癌疼痛 90Y EDTMP 2.67d 2.27 10 骨转移癌疼痛 放射性核素来源 核反应堆 核裂变产物 放射性核素发生器 回旋加速器 放射性核素发生器 放射性核素发生器是从长半衰期核素中 分离出短半衰期核素的装置 通常根据所要求的子体核性质，如射线类 型、能量、半衰期及其他有关要求来选定母 体核素。母体核素除了能衰变生成合用的子 体核素和化学性质上便于子体核素的分离外， 还应具有适当长的半衰期、易于大量获得、 而且价格低廉。 99Mo-99mTc发生器 99MO半衰期 66.02h，99mTc 半衰期6.02h 方便、经济 •99Mo-99mTc发生器每隔23h可淋洗一次，这时99mTc的 活度是前次淋洗时的99Mo的活度的67.6%，或者是当时 回旋加速器生产放射性核素 • 加速器生产的放射性核素有：11C、13N、 15O、18F、123I、201Tl、67Ga、111In等 放射性药品的制备 • 化学合成法 • 生物合成法 • 同位素交换法 • 络合反应法 放射性药品的质量控制 物理化学检验 • 放射性核纯度 • 放射性活度 • PH值 • 放射性化学纯度 • 化学纯度 生物学检验 无菌 无至热源 无毒性-辐射安全 生物分布试验 放射性药品的使用原则 • 使用的正当性 • 放射性药品的选择 • 内照射剂量和用药剂量的确定 • 保护性措施 • 特殊人群的处理