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医学影像与分子影像学 田田 捷捷 中科院自动化所医学影像研究室中科院自动化所医学影像研究室 http://www.3dmed.net http://www.mitk.net Email：tian@doctor.com 2004年9月 第八讲：功能成像与设备 第三部分：核医学 概述 „ 临床核医学： 本世纪30年代开创的一门核科学技术与医 学相结合的新兴学科。几十年来核医学已 得到相当大的发展，在医院中放射科和核 医学科都已成为现代化医院中的重要部门 引言 „ 什么是核医学 核医学是一门利用开放型放射性核素诊 断和治疗疾病的学科。 引言 „ 核医学的分类 引言 „ 核医学的相关学科 „ 放射诊断学（diagnostic radiology）是利用X射线诊断 疾病的学科； „ 放射治疗学（ therapeutic radiology）是利用核射线 （X、γ、β一和中子流等）对疾病进行辐射治疗的学 科； „ 放射医学（radiation medicine）是研究和应用核射线 对生物的辐射效应、放射损伤的诊断治疗和放射卫生 防护的学科； „ 医学影象学（medical imaging）是专门研究医学图象 处理的学科，包括二维和三维的图象重建等。 引言 „ 核医学的特点 „ 高灵敏度，目前已可测量300种以上的活 体，可探测到10-9--—10-15克。 „ 无创伤性 „ 反映体内的生化和生理过程 „ 同时反映组织或脏器的形态与功能 „ 动态观察 引言 „„ 核医学的优势核医学的优势 „ 心脏病的诊断 „ 肿瘤的诊断和治疗：特异性高、准确性 好 „ 脑部疾病的疹断和治疗：帕金森、癫痫 „ 从分子水平揭示人类精神活动的化学物 质基础 核医学的发展史和现状 „„ 初级阶段（初级阶段（19351935--19451945）） „„ 迅速发展阶段（迅速发展阶段（19451945--19601960）） „„ 高速发展阶段（高速发展阶段（19611961--19741974）） „„ 现代核医学阶段（现代核医学阶段（19741974--现在）现在） 我国核医学的基本情况 „ 开始于1956年，到80年代末已有600多家医 院有核医学科，1000多家医院有同位素室 „ 人才 „ 设备 ：伽玛相机，SPECT和PET 核医学的必备物质条件 核医学的必备条件如下： „ 放射性药物 „ 放射性试剂 „ 核医学仪器 „ 工作场所 核医学的必备物质条件 „ 放射性药物 凡需引入人体内的放射性核素和放射性标记物称凡需引入人体内的放射性核素和放射性标记物称 作放射性药物（作放射性药物（ radiopharmaceuticalsradiopharmaceuticals），），按不按不 同用途分为诊断用放射性药物和治疗用放射性药同用途分为诊断用放射性药物和治疗用放射性药 物两种。物两种。 „ 放射性试剂 放射性试剂（放射性试剂（radroactiveradroactive reagentreagent））指不需引入指不需引入 人体的放射性核素和放射性标记物人体的放射性核素和放射性标记物。。 核医学的必备物质条件 „ 核医学仪器 „ 显像用的核医学仪器 – 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（PET） – 扫描机（scanner） „ 非显像用的核医学仪器 – 常用的有甲状腺功能测定仪、肾图仪、γ心功能仪、 局部脑血流测定仪和骨密度测量仪等。 „ 体外诊断用的核医学仪器 核医学的必备物质条件 „ 工作场所 用于核医学的工作场所必须符合辐射安全 与防护的要求。对工作场所按三区制原则 配置： „ 非活性区 „ 低活性区 „ 高活性区 核医学与国际机构 „ 核医学与国际原子能机构IAEA IAEA认为在人类健康方面，新的核技术和治疗方 面将起重要作用。 „ 核医学与国际癌症研究机构IARC 从放射治疗开始，核医学治疗癌症是非常重要的 手段。研究癌症是一个系统工程。据保守估计， 每年，癌症要夺去全世界630万人的生命，被称 为人类健康的“第一杀手”。人类在与癌症的抗争 中成长。 核医学与国际机构 „ 核医学与世界卫生组织WHO WHO认为老年人的五大疾病是心血管病、 癌症、糖尿病、老年痴呆和骨质疏松。核 科学技术在解决心血管病、癌症和骨质疏 松中起重要作用 „ 核医学与Internet 在Internet网上有许多核医学资源可共享 核医学影像设备 „ X射线和超声成像设备都是由外部向人体发 射某种形式的能量，根据能量的衰减或反 射情况来成像。 本节讨论另一种成像方法。 „ 核医学影像设备则是向人体注射放射性核 素示踪剂，使带有放射性核素的示踪原子 进入人体内要成像的脏器或组织，使它们 变成射线源，然后通过测量放射性核素在 人体内的分布来成像。 核医学影象设备的分类 „„ 单光子系统。用这种系统造成平面投影图单光子系统。用这种系统造成平面投影图 像的设备称为像的设备称为γγ相机，产生断层图像的设相机，产生断层图像的设 备称为单光子发射计算机断层（备称为单光子发射计算机断层（Single Single Photon Emission Computed Tomography,Photon Emission Computed Tomography, 简称简称SPECTSPECT）。）。 „„ 正 电 子 发 射 计 算 机 断 层 （正 电 子 发 射 计 算 机 断 层 （ Positron Positron Emission Computed TomographyEmission Computed Tomography，，简称简称 PECTPECT或或PETPET）。）。 闪烁γ照相机 „ γ照相机的基本原理 γ照相机是一种快速显像设备，它不仅能 提供静态图像，而且可提供动态图像，了 解血流和代谢过程，是诊断肿瘤和循环系 统疾病的重要设备。 闪烁γ照相机 „ γ相机的基本组成: 主要由探头、电子线路 和显示系统三部分组成 闪烁γ照相机 „ 当受检者注射放射性同位素标记药物后，放射性 核素有选择地浓聚在被检脏器内，该脏器就成了 一个立体射线源，该射线源放射出的γ射线经过 准直器射在NaI(TL)晶体上，立即产生闪烁光点。 闪烁光点发出的微弱荧光被光导耦合至光电倍增 管（PMT），输出脉冲信号。这些脉冲信号经后 面的电子线路处理形成能量和位置两个通道的信 号，位置信号确定显示光点的位置，能量信号确 定该光点的亮度。经过一定时间的积累，便形成 一幅闪烁图像，并可用照相机拍摄下来，就完成 了一次检查。 闪烁γ照相机 „ γ相机成像原理 γ相机把人体脏器内的放射性核素的三维 分布变成一张二维分布的图像或照片。 闪烁γ照相机 单光子发射计算机断层（SPECT） 单光子发射计算机断层是核素显象技术中 继扫描机和γ相机问世后的又一次突破。 „ SPECT与γ相机的比较 目前医院中用得最多的SPECT称为旋转γ相机型 的ECT，这种SPECT是γ相机探头加上旋转机构 和图像重建软件，它包含了γ相机的功能，增加 了断层图像获取和图像重建功能，而价格只比一 般γ相机贵20％一30％。 单光子发射计算机断层（SPECT） „ SPECT与γ相机相比有三个优点： „ SPECT可以得到真正的三维立体信息，即由 许多二维断层图像重建而形成三维图像，而γ 相机只能得到二维重叠图像。 „ SPECT提供了全定量的手段。γ相机测 得的放射性强度是单位面积的迭加信息； SPECT可得到单位体积的放射性浓度，能反 映脏器深度方面的活性差异，这是开展定量分 析的基本依据。 „ SPECT改变了脏器深度方面的空间分辨率， 而一般γ相机对浅部位容易探测，对脏器深 部就很困难，深部信息重叠在一起，很难分 辨。 单光子发射计算机断层（SPECT） „ SPECT的基本原理 ECT(这里主要指SPECT)是利用放射性同位素作 为示踪剂，将这种示踪剂注入人体内，使该示踪 剂浓聚在被测脏器上，从而使该脏器成为Y射线 源，在体外用绕人体旋转的探测器记录脏器组织 中放射性的分布，探测器旋转一个角度可得到一 组数据，旋转一周可得到若干组数据，根据这些 数据可以建立一系列断层平面图像。计算机则以 横截面的方式重建成像。 GE双探头SPECT 以色列变角度SPECT 正电子发射计算机断层（PET） „ ECT的另一大类是正电子发射型计算机断层 （Positron Emission Computed Tomography， 简称PECT或PET）。 „ SPECT探测器接收来自体内的示踪核素发出的γ 射线，而PECT探测器接收体内正负电子湮没辐 射所产生的一对511keVγ光子，在物理上两者无 明显区别，但方法上有很大不同，即实现成像的 机制、对比度形成的原理，采集数据的方法，解 释和分析数据的模型不同。这些内容都是用计算 机软件和测量系统的硬件来实现的。 正电子发射计算机断层（PET） „ 概念解释： 湮灭反应：参与人体生理和代谢过程的正电子发 射放射性同位素，在参与人体生理和代谢的的过 程中发射具有特定半衰期和能量的正电子，这些 正电子一旦发射即被人体组织慢化，当这个慢化 过程使得这些被发射的正电子的平均动能接近人 体内大量存在的电子时，被电子俘获，并立即发 生湮灭反应，生成基本上在180º方向上发射的两 个511keV能量的γ-射线光量子。如图示 正电子发射计算机断层（PET） 正电子发射体及其湮灭反应示意图 正电子发射计算机断层（PET） „ 物理机制： 把具有正电子发射的放射性同位素标记的药物注 入人体，这些药物在参与人体的生理代谢过程中 发生湮灭反应，生成基本上在180º方向上发射的 两个511keV能量的γ-射线光量子。如果在180º 方向的对称位置上放置两个具有相同探测效率的 γ-射线探测器，就可能同时探测到这个事件。很 多事件的累积形成了发生湮灭反应的放射性药物 在人体内的浓度分布的数据，这些分布形成的对 比度就是PET影像。 正电子发射计算机断层（PET） „ 核心技术： „ 具有特异性的PET药物 „ 测量湮灭反应产生的511keV的γ-射线符合测 量系统 „ 准确反映事件发生在人体内准确位置的定位系 统 „ 图像重建和显示的图像处理系统 „ 对病理进行解释的临床数据分析和处理系统 GE公司PET 核医学的临床应用 „ 概述 „ 核医学的临床应用主要分诊断和治疗两 方面。 „ 核医学诊断又分为体内检查法和体外检 查法。 核医学的临床应用 „ 放射免疫分析 放射免疫分析，简称放免分析RIA，这是一 种新的体外样品测量技术。 核医学的临床应用 „ 放射性核素显像 原理 放射性核素或其标记物被引入人体后，被某一脏 器摄取和浓聚，使该脏器发射穿透组织的核射 线，在体外用探测器进行定量探测，并定位定量 地显示出脏器的图像。 核医学的临床应用 „ 放射性核素显像 显像的基本条件有两条： „ 具有能够选择性聚集在特定脏器、组织和病变 的放射性核素或放射性标记物，使该脏器、组 织或病变与邻近组织之间的放射性浓度差达到 一定程度； „ 利用核医学显像装置探测到这种放射性浓度 差，根据需要以一定的方式将它们显示成像， 即是脏器、组织或病变的影像。 核医学的临床应用 „ 放射性核素显像 显像方式 „ 静态显像与动态显像 „ 局部显像和全身显像 „ 平面显像与断层显像 „ 阳性显像与阴性显像 核医学的临床应用 放射性非显像检查法 „ 测量时间—放射性曲线 形式显示，如图为肾区 的时间—放射性曲线。 „ 另一种是直接探测肿瘤 和淋巴引流区的放射性 计数 核医学的临床应用 核医学诊断应用领域 „ 神经系统 „ 心血管系统 „ 消化系统 „ 呼吸系统 „ 秘尿生殖系统 „ 骨骼系统 „ 内分泌系统 „ 肿瘤和感染 核医学的临床应用 放射性核素治疗（治疗核医学） „ 放射性核素是将开放型放射性核素或其标记物引 入体内，利用核素发射出的β-粒子的电离辐射生 物效应，抑制或破坏病变组织，达到治疗目的。 由于合适的放射性核素或其标记物能有选择性地 浓聚于病变组织，所以病变部位的局部受到大剂 量的照射，而周围正常组织所受辐射量很低，损 失较小。 －不同成像方法的比较 医学影像与分子影像学 第三部分：核医学 概述 引言 引言 引言 引言 引言 核医学的发展史和现状 我国核医学的基本情况 核医学的必备物质条件 核医学的必备物质条件 核医学的必备物质条件 核医学的必备物质条件 核医学与国际机构 核医学与国际机构 核医学影像设备 核医学影象设备的分类 闪烁γ照相机 闪烁γ照相机 闪烁γ照相机 闪烁γ照相机 闪烁γ照相机 单光子发射计算机断层（SPECT） 单光子发射计算机断层（SPECT） 单光子发射计算机断层（SPECT） GE双探头SPECT 以色列变角度SPECT 正电子发射计算机断层（PET） 正电子发射计算机断层（PET） 正电子发射计算机断层（PET） 正电子发射计算机断层（PET） 正电子发射计算机断层（PET） GE公司PET 核医学的临床应用 核医学的临床应用 核医学的临床应用 核医学的临床应用 核医学的临床应用 核医学的临床应用 核医学的临床应用 核医学的临床应用