医用放射诊断与治疗设备----核医学与核医学仪器(下)

         正电子发射型汁算机断层装置 PET是医学影像领域中先进的技术之一，代表了现代核医学影像技术的高水平，现已在医学生物研究和临床诊断及处理中担任重要角色。PET是从人体分子水平反映人 体内脏器和组织的功能及代谢状况的诊断技术。 将含有正电子放射性的药物（如L8FFDG）注人人体，由于FIX;的代谢情况与葡萄糖 非常相似，可聚集在消耗葡萄糖的细胞内，尤其是生长迅速的舯瘤组织，18F衰变放H{的正电子将与组织中的负电子发生湮灭反应．产生能量相等、方向相反的两个γ光子，通过环绕人体的探测器阵列，利用符合测量技术测量出这两个7光子，就可获得正电予的位置信息，再用图像重建软件进行处理后可得到正电子在人体内分布情况的断层图像。由于PET可 进行三维成像，有较高的灵敏度，可在短时间内获得清晰的三维周像，这就使得连续获取图像成为可能。以时间为轴的这样一系列三维图像，经过数学处理，可从中提炼出有用的功能 信息—组织对某种物质的摄取比、生物率常数（如代谢常数、血流）等。
 

         （一）PET的物理基础
         1．正电子1927年P． A．M．Dirac预言了正电子的存在，5年后C． Anderson观测到了个正电子。正电子放射性核素通常为富质子的核素，它们衰变时会发射正电子，衰变的 方程如下： P→β++n+ν其中P为质子，n为中子，β+为正电子，ν为中微子。 正电子的质量与电子相等，电量与电子的电量相同，只是符号相反。中微子几乎不与周 围的物质发生作用，正电子在物质中慢化(移动大约1mm)后与周围的电子发生相互作用，产生湮灭反应，转化成能量相等（等于0 511MeV，即电子的 静态质量能量）、方向相反（互为1800）的两个7光 子，见图5-41。

         临床上使用的正电子核素有11C、13N、15O、18F等，这些核素的半衰期分别为：20分钟、2分钟、10分钟、110分钟。其中常用的是18F，可制成18F-FDG( 2-[18F]-2—脱氧-D-葡萄糖)放射性药物。通常正电子(β+)衰变核素都通过人工方式产生，目前广泛使用的是回旋加速器，如将质子或氘核通过加速器到达一定的能虽，轰击H218O，则18O就会转化为]18F，然后通过放射化学标记设备合成18F— FDG药物。

         2.正电子的测量如图5- 42所示，利用相对的（互为180°）的两个探测器，测量人体内正电子湮灭产生的两个能量相等、方向相反的γ光子（如光子l与4、2与5），若单道分析器分析出γ光子的能量为511keV，则输出脉冲（如脉冲1与4、2与5），经符合电路输出两个脉冲，代 表在探测器直线上有两个正电子湮灭事件，即此直线位置有两个正电子。这种测量方法称为 符合测量。显然，不在探测器直线范围内的正电子湮灭事件不可能同时被两个探测器同时测量到（如光子3和 6），也就不能符合输出，这种测量方法实际上相当于起到了一个准直器的作用，称为电子准直。与SPECI相比，由于PET不必使用铅准直器，因而提高了系统的灵敏度。

         3．符合测量的误差符合测量是探测同时发生的闪烁事件（如图5-43中正电子事件l，称之为真符合事件），但是从电子学角度来看，两个探测器的触发总有一定的时间差异，该时间差异称为符合线路的分辨时问，也就是输出脉冲的宽度。由此在分辨时间内进入两个 探测器的不同位置的γ光子也会被记录下来。这种不是由湮灭作用产生的符合称为随机符合(如图5-43中正电子事件5a、5b)。

         另外，γ光子在飞行过程中还会产生康普顿散射，γ光子与吸收物质的一个电子作用，改变了电子动能的同时使γ光子改变飞行方向，这样就有可能与其他飞行的γ光子同时进入两个相对的探测器，并发生符合探测，这种符合称为散射符合(如图5 43中正电子事件4)。 还有因γ光子与人体发生相互作用而衰减（如图5-43所示中正电子事件3）和γ光子与 探测器不发生作用而丢失（如图5-43所示中正电子事件2）的真符合事件。 偶然符合、散射符合、射线的衰减和丢失事件将会引起测量的误差，严重影响图像质量．特别是偶然符合所产生的误差，所以我们必须进行修正。

         4．PET的符合测量 PET机器的符合探测器是由数百个探测器排列成环形组成，叫 探测器环。环上的每一块晶体与对面一组晶体都有符合关系，形成一组扇形束的符合线，扇形柬的宽度决定了PET的径向视野。图中对于这样一个扇形束经过单道分析器进行能量 筛选后，在经过符合电路即可得到一个投影方向上的数据。如果同时获得各不同角度扇形柬的投影数据通过图像重建技术就可以得到FOV内正电子分布情况的断层影像。

         （二）PET的结构 
         PET装置有扫描机架、主机拒、操作控制台、检查床等。扫描机架是摄大的部件，内部装有探测器环、激光定位器、电子学测量线路等。主机柜主要有CPU、输入输出系统、内外 存储系统等，主要负责数据的存储、处理和图像重建。操作控制台主要是由一台计算机和软件组成，负责整个检查或质量过程的控制、图像显示和分析等。

         1. PET探头决定PET性能好坏的关键部件是探头。PET探头由若干个探测器环
组成（7-32环）。每一个环上有500多个探测器块，每一个探测器块由64个块状小晶体和 4个PMT组成。目前常使用的探测器材料是锗酸铋(BGO)晶体，还有CsF和BaF2。

         2.图像重建方法PET图像一般均采用迭代图像重建方法，为了加速图像重建过程 也采用傅立叶变换后的图像重建方法。

         3.飞行时间技术在PET中的应用利用湮没辐射发射出的两个γ光子的同时性，我 们可以得到一些闪烁事件发生的空间位置信息。由于湮没辐射的两个γ光子同时发生，且向相反方向运动，如果知道了它们到达两个探头的时间，它们两个的出发点、原始位置也就 知道了。例如，两个湮没辐射的γ光子正好发生在两个探头的中间，它们将同时到达两个探头，没有时间差。湮没辐射发生在其他位置，两个γ光子到达两个探头的时间是不相等的，有时间差。这个时间差称为飞行时间。知道了飞行时间及两个γ光子到达探头的先后，就可以确定闪烁事件发生的位置。把飞行时间信息加入PET中去的机器称为TOF-PET。
 

         （三）PET主要性能参数
         PET性能参数主要有：空问分辨率、灵敏度、等效噪声计数、时间和能量分辨等，这些也 是决定图像质量的关键。

         1.空间分辨率通常以三个垂直方向上点源响应的半高宽来表示空间分辨：沿扫描仪纵轴的横向分辨，与之垂直的横断面上的径向和切向分辨。视野中心由于取样的缘故空间分辨好，当远离视野中心时（横向），由于光子穿透效应空间分辨会逐步降低。目前一般医用PET在视野中心的空间分辨为4-6mm，而实验室PET晟好可达2mm，接近理论极限。

         2．灵敏度是指扫描仪在单位时间内单位辐射剂量条件下所获得的符合计数。这在 PET系统的动态扫描和临床应用中有若非常重要的意义。它决定了扫描时间的长短、统计 误差和辐射剂量的大小。灵敏度主要由两个因素决定：探测器所覆盖的立体角和探测效率。

         3．等效噪声计数对于一个含有一定比例的散射和偶然计数的数据而言，它的等效噪声 计数是在无散射和偶然符合条件下有同样信噪比的真实事例率。这样，等效噪声计数给出的 是在一定的源强条件下，PET设备可如何有效地利用符合计数来获得一定质量的图像。

         4.时问和能量分辨时间响应是指一对湮灭光子被探测到时的时间间隔的分布，它的 半高宽和1/10高宽给出了Ⅱ}间分辨的性质。能量响应则是系统对入射光子能量响应的曲线。这两种分辨表明了PET系统对散射和偶然计数这两种误差来源的处理能力。

         （四）PET的临床应用及特点
         PET是目前可在活体上显示生物分子代谢、受体及神经介质活动的新型影像技术，现已广泛用于多种疾病的诊断与鉴别诊断、病情判断、疗效评价、脏器功能研究和新药开发等方面。 目前PET检查85%是用于肿瘤的检查，现多用于肺癌、乳腺癌、大肠癌、卵巢癌、淋巴 瘤，黑色素瘤等的检查，其诊断准确率在90%以上。还可用于癫痫灶定位、老年性痴呆早期 诊断与鉴别、帕金森病病情评价以及脑梗死后组织受损和存活情况的判断。另外，对于心血管疾病患者，能检查出冠心病心肌缺血的部位、范围，并对心肌活力准确评价，确定是否需要 行溶检治疗、安放冠状动脉支架或冠状动脉搭桥手术。能通过对心肌血流量的分析，结合药 物负荷，测定冠状动脉储备能力，评价冠心病的治疗效果。

         （五）正电子发射断层成像/x射线计算机体层摄影装置(PET/CT)
         近年来，影像诊断学的一个重要进展，就是图像融合技术的发展与应用，图像融合包括硬件与软件，是一个全自动图像配准及多种图像的解读技术，它不仅具有全自动的功能与解 剖图像的融合，还可以让具有不同特征的影像在同一平台显示、解读，对比与分析，为临床诊断与治疗之间架起了一座高速、流畅的桥梁。图像融合引人注目的产品就是PET/CT(positron emission tomography/computed tomography)，就是将PET（功能代谢显像）和 CT(解剖结构显像)两种先进的影像技术有机地结合在一起的新型影像设备。 世界上首台PET/CT原型机始于1998年，它联合一台单排CT扫描仪和一台PET安 装在同一个旋转机架内，并且使用同一张CT检查床。数据采集和图像重建则分别在各自的计算机系统上进行。同机配准的CT图像，使得PET图像的解读更加精确和富于信心， 并可帮助确认18F- FDG非特异性摄取，因此提高了图像解读的准确性。使用PET/CT，异常摄取的区域可定位到淋巴结之类的特殊形态结构上。CT图像的解读也可通过相关的 PET扫描结果予以修正：阴性CT图像上18 F- FDG摄取的升高仍有指示疾病的意义。患者和显像中心运作所获得的大便利是：一次顸约，一次到医院检查，相关的医师就可获得 疾病解剖和功能状态的完整评估。自首台商用PET/CT于2001年5月安装之后，所有主要的医疗影像设备生产商都生产了至少一款PET/CT，这项技术出人意料地被核医学和放射科迅速接受。2006年之后PET/CT的销售全面取代了单独的PET。与初的原型机一体化的方式不同，目前市场上的PET/CT包含前后排列、各自独立的一台多层螺旋CT和 一台PET扫描仪。检查时，患者首先通过CT扫描仪然后再进人PET的视野。CT和PET采用同一个数据采集工作站。PET/CT的整体工作性能取决于各个独立组件：CT组件、 PET组件、电脑硬件和综合软件系统的功能等。在经过许多年缓慢但却稳定的发展之后， CT在过去几年硬件和软件方面已经有了显著的进步。PET在过去的10年中则经历了更 加引人注目的发展，这些进步包括硬件和软件两方面，如：新型的闪烁体、更好的空间分辨率、更高的灵敏度、更精确的重建技术，近重新引入了飞行时间2空间分辨率的提高测量， 以及全视野一致的高精度图像技术等。作为当今完美、次的医学影像设备，PET/CT全面实现了医学影像学“四定”目标：
         (l)“定位”：发觋病变和明确病变部位；
         (2)“定性”：明确显示形态和功能变化的病理及病理生理性质；

         (3)“定量”：量化疾病或病变在形态学上及功能上的改变；

         (4)“定期”：确定疾病的发展阶段。 PET/CT在医学中的应用主要体现在肿瘤疾病的诊断与治疗、冠心病诊疗、大脑疾病 中的作用、在癫痫诊疗中的作用及在健康人体格检查中的应用。随着应用领域的不断扩大，PET/CT必将对人类的健康发挥更加重要的作用。
 

         五、其他核医学诊断仪器
         （一）放射免疫计数器
         放射免疫计数器简称γ计数器，用于医学中的放射免疫分析的测量，是一种利用放射性 同位素放示踪技术的灵敏性和免疫学反应的特异性来对生物样品中物质含量进行微量测定分析的γ射线计数器。主要适用于放射免疫样品测定繁忙的医疗单位和放射免疫中心，具 有灵敏度高、特异性强的特点，是目前广泛应片J的核医学仪器之一。

         1．测量原理放射免疫分析是一种竞争性抑制反应，放射免疫反应公式可如下表示：
 

式中，*Ag游离标记抗原，Ag游离抗原，Ab特异抗体，*Ag•Ab标记抗原抗体复合物，Ag•Ab未标记抗原抗体复合物。 如被测标本中，含有未标记的游离抗原Ag(实际是人体待测物质)及一定量放射性标记抗原*Ag和不足量的特异抗体Ab相混合，则标本中未标记游离抗原和标记抗原共同竞争特异性抗体，并与之结合。标本中未标记抗原Ag越高，*Ag与Ab的结合就越受抑 制，而剩下的游离抗原*Ag也越多，反之亦然。这种现象称为竞争性抑制现象。它构成了 放射免疫分析法的理论基础。由此可见，当上述免疫反应达到平衡后，测出标记抗原抗体复合物*Ag．Ab和剩余的游离标记抗原*Ag的放射性强度，即可推算出标本中Ag的 浓度。 在实际工作中，常常先用已知不同浓度的标准抗原与一定量的标记抗原及一定量的特异抗体进行反应。分离后测定B和F，其中B表示标记抗原抗体复合物“Ag．Ab的放射性 强度，F表示剩余的游离标记抗原*Ag的放射性强度， 则从其不同浓度标准抗原就可得到相应的不同放射性 标记抗原抗体复合物。用横坐标表示标准抗原浓度 Ag，纵坐标表示放射性B和F的比值，就可绘出一条曲线，即标准曲线(图5-44)。 

         样品测量时，条件应与上述标准抗原测量条件相同， 将被检样品测得B/F值，与标准曲线比较，就能确定被检样品中抗原浓度的含量，即求得了待测物质的浓度。

         2.仪器基本结构及原理整机结构如图5-45所示。由核测量部分、换样部分和计算机部分组成。核测量部分由铅屏蔽、NaI( Tl)晶体、光电倍增管、前置放大器、放大器和单道组成；有些仪器有多探头结构（如10个），称为多探头放射免疫测定仪，这样可以一次完成多个样品的测量。换样部分由机械装置和控制装置组成，一次可装100-500个样品，可完成多样品的自动测量，提高工作效率。整机系统在计算机的管 理下完成样品计数、自动换样和数据处理等，其中包括曲线和线性回归、反查曲线解高次方程、计算相关系数和标准偏差、打印处理结果、绘制曲线等全部工作，需要时可自动关机，实现无人管理。 系统开始工作后，换样部分控制将待测样品送人侧孔井型探头，样品所放出的射线经过 晶体转换成光脉冲，再由光电倍增管转换成电脉冲，经放大器、单道脉冲幅度分析和计数后，再经接口电路进人计算机进行教据处理。在本样品处理结束后，由一算机发出指令使换样 部分工作，将样品移出，并将下一个样品送入井型探头。这样依次处理100-500个样品，测 量结束时，其结果在打印机上按一定表格打出。 
         （二）脏器功能动态检查仪
         利用放射性示踪核素作脏器功能的动态检查，称脏器功能测定仪器，是核医学临床诊断的一个重要方面。根据特定探测对象要求的不同，用于脏器功能测定的仪器主要有甲状腺功能仪、肾功能仪、核听诊器、脑血流量测定仪等，重点介绍前两种测定仪。

         1.甲状腺功能仪吸碘试验是医学上进行甲状腺功能检查的常用方法之一。主要是根据甲状腺对碘具有选择吸收的生物化学特点，借助于对碘的核素131I放出Y射线测量，达到甲状腺功能检查的目的。在临床应用时，只要让患者空腹口服微居里级的示踪放射性碘(常用Na131I)，则该放射性核素131I就会被甲状腺摄取而积聚于甲状腺内。利用放射性碘能 放出γ射线的特性，将甲状腺功能仪对准患者颈部 （甲状腺部位）测定不同时间甲状腺摄碘百分率的变化情况即可反映无机碘进入甲状腺的数量和速 度，从而判断甲状腺的功能状态。在不同时问内测量甲状腺所含放射性核素以诊断甲状腺功能正常、 亢进或低下，甲状腺吸碘功能测试曲线如同5- 46所示。

         甲状腺功能仪的基本结构如图5-47所示。南Nal晶体、光电倍增管、前置放大器与准直器一起 构成的探头对准人体的甲状腺部位进行测量，前置放大器输出的信号经过接口电路进行放大、甄别成形输送给计算机，然后通过计算机计算出甲状腺吸碘百分率。根据时间一吸碘百分率曲线来诊断甲状腺功能疾病。 
         2.肾功能仪肾功能仪是根据示踪原理，把邻碘(131I)马尿酸钠给受检者静脉注射以后，示踪核索即随血流进入肾脏，由肾小管上皮细胞吸收并分泌到肾小管管腔内，随尿液汇 集到肾盂，经输尿管流人膀胱排出体外。用探测仪器（闪烁探头）在肾区连续测量，就可以记录一条开始逐渐上升，继而逐渐下降的起落曲线，即肾图(图5-48)。

         它的上升段a和聚集段b反映邻碘(131I)马尿酸钠在 肾内聚集，下降段c则反映排出。根据聚集和排出的情况，可 以对肾血流量、肾功能和输屎管畅通情况等进行分析判断。 这种方法就叫做肾图检查法。因为可以用两个探测器分别对准左右肾区，同时得到两个肾阿。所以这种方法的特点是能够简便地在体表测定分肾功能。 仪器的原理结构如图5 -49所示。两个探头分别由张角型准直器、NaI(TD闪烁晶体、光电倍增管和前置放大器组成，分别对准人体的两个肾脏，测量肾脏部位发射出来的7射 线，并将射线能量转化为电脉冲，再经放大、甄别成形送人计 算机，计算机将两路信号分别进行计数，并绘制成肾图，另外，还可以通过打印机输出。其中高压电源是给两个光电倍增管供电的。
 

         3．多功能仪所谓多功能仪是指可作两种或两种以上脏器功能测定的放射性核索功钝仪。在不同脏器功能测定有共性的基础上设计主机和探头，充分考虑到不同脏器功能测定的特殊要求，可以实现一机多用的多功能测定目的。可对心、肺、肝、胃、甲状腺等脏器作静态或动态功能定量测定，可提供甲状腺吸碘率、肾放射图、脑放射图、肾血浆流量测定、心血流和色层分析等分析软件。

         （三）放射性药物活度测量计
         活度计是对待测样品或环境中的放射性进行相对或定量分析的仪器，广泛应用于 体外放射分析及其他示踪研究等方面，对保证影像和测量结果的可靠性、疗效和安全性至关 重要。核医学科常用的活度测量仪器是电离室活度计，是目前我国计量行政当局规定进 行强制性检定的核医学仪器，可见其重要性。 

         电离室活度计如图5 -50所示，它包括一个有铅壁的气体电离室、后续电路和显示器。 有的配置计算机显示测量和质控结果，并打印|己录，这对于一般的核医学科并非必需。 气体电离室为一个全封闭井型圆柱形薄金属室，其内充有气体，放射源置于井内，电离 室几乎有4π的立体角，故这种电离室叉称4π电离室。电离室中心有金属阳极，四壁为阴极。当工作电压置于饱和区时，放射源的射线直接或问接引起电离室内气体电离，所产生的 电子和离子各自向极性相反的电极漂移，从而卢生电脉冲信号。由于在饱和区基本上不存在离子对的复合，也没有气体放大作用，经过一定的电路放大、转换和记录这些信号，加以适 当的能量校正，即可准确显示放射源的活度。这种电离室的优点在于它具有长期稳定性，便 于直接测量盛在容器（包括注射器）内的放射性溶液，有很宽的测量范围，操作方便，直读。 活度计重要的性能是被测活度的精密度、准确度和线性。有不少因素可以影响测量结果，需加以控制。因此应十分重视性能测试和常规操作检查。仪器的精密度和准确度一般在验收时和每一年由国家计嚣检定部门进行检定一次，每季度由核医学科自行测试一次，其他性能测试电由核医学科自己进行。