核医学基础物理/核医学成像系统

我们在这本维基教科书中涵盖的主题包括放射性，伽马射线与物质的相互作用以及辐射探测。遵循这条途径的主要原因是将我们带到本章的主题：核医学成像系统。这些是产生放射性物质在给药后在患者体内分布图像的设备。

放射性通常以 放射性药物 的形式给患者服用 - 术语 示踪剂 也被使用。它遵循某些生理途径在身体的某个部位积累一段时间。一个很好的例子是 ^99mTc-锡胶体，在静脉注射后主要积聚在患者的肝脏中。该物质在患者肝脏中时会发出伽马射线，我们可以使用核医学成像系统生成其分布图像。这张图像可以告诉我们肝脏的功能是否正常或异常，或者它的一部分是否因某种疾病而受损。

不同的放射性药物用于生成几乎所有身体部位的图像

身体部位	示例示踪剂
大脑	99mTc-HMPAO
甲状腺	Na99mTcO4
肺（通气）	133Xe 气体
肺（灌注）	99mTc-MAA
肝脏	99mTc-锡（或硫）胶体
脾脏	99mTc-受损红细胞
胰腺	75Se-硒代蛋氨酸
肾脏	99mTc-DMSA

请注意，使用这种成像方法获得的信息形式主要与器官的生理功能有关，而不是主要使用 X 射线成像系统获得的解剖信息。因此，核医学提供了对疾病状况的不同视角，并生成 X 射线图像以外获得的附加信息。我们这里的目的是集中在用于生成图像的成像系统上。

该领域早期使用的成像系统包括辐射探测器（例如闪烁探测器），该探测器缓慢地扫描患者的某个区域，以测量该区域内各个点的辐射强度。其中一种设备被称为 直线扫描仪。自 1970 年代以来，此类成像系统已被更复杂的设备取代，这些设备可以更快地生成图像。这些现代设备中最常见的一种称为 伽马相机，我们将在下面考虑其结构和工作方式。Slomka 等人在 (2009) 中对该技术在心脏应用方面的最新进展进行了回顾。

伽马相机

当今使用最广泛的伽马相机类型的基本设计是由一位美国物理学家 哈尔·安格 开发的，因此有时被称为安格相机。它包含一个直径较大的 NaI(Tl) 闪烁晶体，该晶体由大量光电倍增管观察。

下图显示了伽马相机基本组件的框图

伽马相机框图

晶体和光电倍增管被安装在一个通常称为 相机头 的圆柱形外壳中，该图显示了它的横截面视图。晶体可以是大约 25 厘米到 40 厘米的直径，大约 1 厘米厚。直径取决于设备的应用。例如，用于心脏应用的相机可能会使用 25 厘米直径的晶体，而用于生成肺部图像的相机可能会使用 40 厘米的较大晶体。晶体的厚度是经过选择的，以便它对 ^99mTc 发出的 140 keV 伽马射线提供良好的检测 - 它是当今使用最广泛的放射性同位素。

在晶体中产生的闪烁被大量光电倍增管检测到，这些光电倍增管以二维阵列排列。现代伽马相机中通常有 37 到 91 个光电倍增管。这些光电倍增管产生的输出电压被馈送到一个位置电路，该电路产生四个输出信号，称为 ±X 和 ±Y。这些位置信号包含有关闪烁在晶体内产生位置的信息。在最基本的伽马相机设计中，它们被馈送到 阴极射线示波器 (CRO)。我们将在下面详细描述 CRO 的工作原理。

在我们这样做的之前，我们应该注意到位置信号还包含有关每个闪烁强度的信息。可以通过将位置信号馈送到一个求和电路（图中标记为 ∑）来推导出这种强度信息，该电路将四个位置信号相加以生成一个电压脉冲，该脉冲表示闪烁的强度。这个电压脉冲通常被称为 Z 脉冲，在经过脉冲高度分析 (PHA) 后，它被作为 非屏蔽脉冲 馈送到 CRO。

因此，我们最终得到四个位置信号和一个非屏蔽脉冲发送到 CRO。让我们简要回顾一下 CRO 的工作原理，然后继续。CRO 的核心包含一个真空管，一端是电子枪，另一端是涂有荧光粉的屏幕。电子枪产生电子束，该电子束被引导到屏幕，屏幕在电子束撞击的点发射光。电子束的位置可以通过垂直和水平偏转板控制，并通过将适当的电压馈送到这些板，电子束可以定位在屏幕上的任何点。示波器的正常工作模式是使电子束保持开启状态。在伽马相机的情况下，CRO 的电子束通常处于关闭状态 - 它被称为 屏蔽。

当 PHA 电路产生非屏蔽脉冲时，CRO 的电子束会短暂开启，以便在屏幕上显示一道闪光。换句话说，来自 PHA 电路的电压脉冲用于非屏蔽 CRO 的电子束。

那么，这道闪光出现在 CRO 屏幕上的什么位置呢？闪光的位置由位置电路产生的 ±X 和 ±Y 信号决定。正如你可能猜到的那样，这些信号被馈送到 CRO 的偏转电路，以便使非屏蔽电子束撞击屏幕上的一个与闪烁在 NaI(Tl) 晶体内最初产生位置相关的点。很简单！

因此，伽马相机可以被认为是一种复杂的电子电路排列，用于将闪烁晶体中闪光的位置转换为示波器屏幕上相关点的闪光。此外，在电路中使用脉冲高度分析仪使我们能够通过拒绝所有电压脉冲（除了发生在伽马射线能量谱的光峰内的电压脉冲）来转换仅与晶体中光电事件相关的闪烁。

在我们继续之前，让我们 总结 我们已经做到了什么。放射性药物被给予患者，它积聚在目标器官中。伽马射线从器官向各个方向发射，那些朝着伽马相机方向的射线进入晶体并产生闪烁（请注意，在晶体前面有一个名为 准直器 的装置，我们将在后面讨论）。闪烁被一系列光电倍增管检测到，这些光电倍增管的输出被馈送到一个位置电路，该电路生成四个与闪烁在晶体内的位置相关的电压脉冲。这些电压脉冲被馈送到 CRO 的偏转电路。它们也被馈送到一个求和电路，该电路的输出（Z 脉冲）被馈送到 PHA，而 PHA 的输出用于开启（即，非屏蔽）CRO 的电子束。一道闪光出现在 CRO 屏幕上的一个与闪烁在 NaI(Tl) 晶体内发生位置相关的点。因此，当从器官发射的伽马射线被晶体检测到时，在 CRO 屏幕上形成器官内放射性药物分布的图像。

我们在上面描述的是相当传统的伽马相机的操作。现代设计要复杂得多，但基本设计与所描述的几乎相同。一个设计改进的主要领域是图像形成和显示领域。最基本的方法是拍摄 CRO 屏幕一段时间，以允许光闪光的积分，从而在 照相胶片 上形成图像。更高一级的做法是使用 存储示波器，它允许每个闪光在屏幕上保留一段时间。

最现代的方法是将位置和能量信号馈送到计算机的内存电路中进行存储。因此，内存内容可以在计算机显示器上显示，也可以以多种方式进行操作（即 处理）。例如，可以使用不同的颜色来表示器官内放射性药物的不同浓度。

现在，数字图像处理 在核医学中得到了广泛应用，因为它可以快速方便地控制图像采集和显示，以及分析图像或图像序列，用患者姓名和检查详细信息对图像进行标注，存储图像以便日后检索，以及通过 网络 将图像数据传送到其他计算机。

下一张图展示了现代伽马相机的重要组成部分。患者发射的伽马射线穿过准直器，并在相机头部被探测到，相机头部会生成与晶体中闪烁位置以及伽马射线能量相关的数据。然后，电子硬件会对数据进行实时处理，校正空间线性、光电倍增管漂移和能量响应等技术因素，从而产生具有空间均匀灵敏度和无失真性能的成像系统。

多通道分析器（MCA）用于显示与晶体内相互作用的伽马射线的能谱。由于这些伽马射线起源于患者体内，因此其中一些伽马射线在穿过患者组织（以及其他组件，如患者床和成像系统结构）时会被散射，因此能量会低于光峰。一些散射事件可能只涉及与自由电子的擦边碰撞，因此伽马射线只损失少量能量。这些伽马射线的能量可能略低于光峰，因此它们的谱线与光峰合并。因此，用于成像患者的伽马相机的光峰包含来自空间相关的、未衰减的伽马射线（这是我们想要的信息）以及来自空间不相关的、散射的伽马射线的。散射的伽马射线充当真实光峰数据中的可变背景，其效果是伽马相机图像中的背景雾气。

现代伽马相机的基本组成部分。MCA：多通道分析器

虽然散射在平面闪烁成像中可能不是一个重大问题，但它对从伽马相机图像中获得的定量信息的保真度有很大影响，并且是发射断层扫描准确图像重建的一个重要考虑因素。未衰减的伽马射线（也称为**初级**辐射）包含所需的信息，因为它们与放射性直接相关。

下图更详细地说明了散射情况，该图显示了在患者成像条件下^99mTc的初级和散射谱的估计值。可以使用蒙特卡罗方法生成此类谱估计。从图中可以看出，散射辐射的能量形成一个宽带，类似于之前描述的康普顿散射，该宽带与探测到的光峰合并并对光峰有很大贡献。因此，探测到的光峰是初级辐射的过高估计。这种过高估计的程度可能取决于具体的成像情况，因为涉及的组织厚度不同。然而，很明显，如果需要准确测量放射性，则需要考虑探测到的光峰内的散射贡献。

^99mTc的探测到的伽马射线能谱（绿色），以及散射（蓝色）和初级（红色）成分的估计值。

下图说明了一种补偿散射贡献的方法，该方法涉及使用来自较低能量窗口的数据作为对光峰进行减去的估计值，即

初级计数 = 光峰窗口计数 - k（散射窗口计数）

其中 k 是一个比例因子，用于考虑散射贡献的程度。这种散射补偿方法称为**双能量窗口**（DEW）方法。在实践中，可以通过获取两幅图像（每个能量窗口一幅）并从光峰图像中减去散射图像的一部分（k）来实现它。

对于上面显示的谱线，可以看出比例因子 k 大约为 0.5，但应了解，它的确切值取决于散射条件。因此，使用 DEW 方法的伽马相机通常提供调整 k 以适应不同成像情况的功能。一些系统使用比图中所示更窄的散射窗口，例如 114-126 keV，从而导致 k 增加到大约 1.0，例如。

还开发了许多其他散射补偿方法。这些方法包括更复杂的能量分析形式，例如**双光峰**和**三能量窗口**技术，以及基于去卷积和光子衰减模型的方法。Zaidi & Koral (2004)对这些发展进行了很好的综述。

^99mTc的伽马射线能谱，能量鉴别设置为 92-126 keV 用于散射估计（蓝色），以及 126-154 keV，以 140 keV 为中心用于光峰（红色）。

以下展示了一些伽马相机和相关设备的照片

单头伽马相机。	另一个单头伽马相机。	伽马相机的 NaI 晶体。	伽马相机的阴极射线示波器（CRO）。
伽马相机的图像处理系统。	双头伽马相机。	双头伽马相机的另一个视图。	双头伽马相机的图像采集和处理控制台。

我们将继续描述伽马相机，并考虑准直器的结构和用途。

准直

准直器是一种安装在伽马相机头部前面的设备。它的作用有点像照相机中使用的镜头，但这种类比并不完全正确，因为很难聚焦伽马射线。然而，在其最简单的形式中，它用于阻挡所有朝向晶体传播的伽马射线，除了那些垂直于晶体平面传播的伽马射线。

平行孔准直器连接到伽马相机晶体的示意图。斜入射伽马射线被隔板吸收。

图示展示了连接到晶体的**平行孔准直器**的放大视图。准直器只是在铅板上钻了许多小孔。请注意，以一定角度进入晶体的伽马射线会被铅吸收，只有沿着孔的方向进入的伽马射线才能通过，在晶体中产生闪烁。如果没有准直器，这些斜入射的伽马射线会使伽马相机产生的图像模糊。换句话说，图像不会很清晰。

大多数伽马相机都配有多种准直器，可以根据检查的需要进行安装。这些准直器的基本设计相同，但它们在每个孔的直径、每个孔的深度以及每个孔之间的铅厚度（通常称为**隔板厚度**）方面有所不同。特定准直器的选择取决于发生的辐射吸收量（影响伽马相机的**灵敏度**），以及它产生的图像的清晰度（即**空间分辨率**）。不幸的是，这两个因素成反比，也就是说，使用产生高空间分辨率图像的准直器通常意味着仪器对辐射的灵敏度不是很高。

除了平行孔类型之外，还使用其他准直器设计。例如，**发散**孔准直器产生缩小的图像，**会聚**孔和**针孔**准直器产生放大的图像。针孔准直器在下图中说明

针孔准直器示意图，说明了采集图像的反转。

它通常是一个锥形装置，其壁由铅制成。图中显示了该圆锥的横截面。它的工作原理类似于针孔照相机，并产生物体的倒置图像 - 图中使用箭头来说明这种反转。这种类型的准直器被发现对成像小物体（如甲状腺）很有用。

示例图像

以下显示了一些核医学图像的代表性选择

99mTc Ceretec 在患者大脑中分布的 SPECT 切片。	患者肝脏的 SPECT 切片。	患者骨骼扫描的图像。	患者大脑的 PET 切片，其中绘制了一个感兴趣区域以指示皮肤表面。	患者肺部通气（V）和灌注（Q）扫描的图像。
在患者右肾结石阻塞的肾图检查期间每 10 秒采集一次的平面图像序列。	肾图序列中选定的图像。	图形显示，显示了肾图检查中每个肾脏中的计数随时间的变化。	患者心脏的 SPECT 切片。	覆盖患者全身的血池研究。
患者大脑 SPECT 研究的系列图像。	患者心脏 SPECT 研究的图像。	甲状腺摄取研究。	评估患者消化系统的胃排空研究。	患者全身的201Tl 研究。

发射断层扫描

我们一直在描述的成像形式称为**平面成像**。它产生三维物体的二维图像。因此，图像不包含深度信息，一些细节可能会相互叠加，从而被遮挡或部分遮挡。请注意，这也是传统 X 射线成像的一个特点。

克服这种限制的通常方法是至少对患者进行两次成像，例如，一次从正面，一次从侧面。因此，在胸部 X 光检查中，可以拍摄前后 (PA) 和侧位视图。在核医学肝脏扫描中，会采集前后 (AP) 和侧位扫描。

平面 X 射线成像的局限性在 1970 年左右被 CAT 扫描仪 的开发所克服。CAT 代表计算机轴向断层扫描或计算机辅助断层扫描，如今该术语通常缩写为计算机断层扫描或 CT 扫描（断层扫描一词源于希腊语 tomos，意思是 **切片**）。无论其确切名称如何，该技术都允许使用计算机生成穿过人体的切片的图像。它本质上是通过在患者周围的不同角度拍摄 X 射线图像来实现这一点。这些切片图像显示了平面图像中缺失的第三维，从而消除了叠加细节的问题。此外，可以通过使用计算机将穿过患者区域的一系列连续切片的图像堆叠在一起，以生成 三维图像。显然，与平面成像相比，CT 扫描是一种非常强大的成像技术。

等效的核医学成像技术称为 **发射计算机断层扫描**。我们将在下面考虑该技术的两种实现方式。

单光子发射计算机断层扫描 (SPECT)

这种 SPECT 技术使用伽马相机记录患者周围一系列角度的图像。然后对这些图像进行一种称为 图像重建 的数字图像处理，以计算穿过患者的切片图像。

下面说明了 反投影 重建过程。为简单起见，我们假设穿过患者的切片实际上由一个 2x2 体素阵列组成，每个体素的放射性由 A1...A4 给出

患者周围采集四个投影 P1...P4 的示意图

第一个投影 P1 从右侧成像，第二个投影 P2 从右斜侧成像，依此类推。反投影过程首先将投影彼此相加，如下所示

反投影计算过程的示意图。

然后将求和（或叠加）的投影归一化，以生成对每个体素中放射性的估计。由于此过程会在重建的图像中生成条纹伪影，因此在反投影之前通常会对投影进行滤波，如 后面的章节 中所述，整个过程称为滤波反投影 (FBP)

滤波反投影计算过程的示意图。

另一种图像重建技术称为 迭代重建，这是一种逐次逼近技术。最大似然期望最大化 (ML-EM) 算法被广泛应用，其中使用除法过程来比较实际投影和估计投影，如下所示

最大似然期望最大化 (ML-EM) 算法的示意图。

将数据通过该处理链进行一次循环称为一次 **迭代**。可能需要 16 次或更多次迭代才能生成足够的重建，因此计算时间可能相当长。 有序子集期望最大化 (OS-EM) 算法可以通过在迭代过程中以顺序方式利用有限数量的投影（称为 **子集**）来显着减少计算时间。在重建过程中产生的噪声可以通过使用内置于重建计算中的高斯滤波器或作为后滤波器来减少

迭代重建过程的示意图。

可以在 在线书籍 中找到使用不同迭代次数、子集和过滤设置生成的图像。

下面显示了这些图像重建技术对穿过患者肺部通气扫描的切片的比较

伽马相机通常围绕患者旋转以采集图像。专门为 SPECT 扫描设计的现代伽马相机可以由两个平行安装的相机头组成，患者位于两者之间。因此，生成图像所需的时间减少了大约两倍。此外，一些专为脑部扫描设计的 SPECT 伽马相机在三角形排列中安装了三个相机头。

可以采用各种策略来采集和处理 SPECT 图像。

正电子发射断层扫描 (PET)

您将从 第二章 中了解到正电子可以从放射性核中发射出来，这些核具有过多的中子而导致不稳定。您还将了解到正电子在物质中不会存在太久，因为它们很快就会遇到一个电子，并发生一个称为 **湮灭** 的过程。在这个过程中，正电子和电子消失，它们能量被转换为两个以大约 180^o 度角彼此发射的伽马射线。发射通常被称为两个 **背靠背** 伽马射线，它们各自具有 0.51 MeV 的离散能量。

因此，如果我们给患者服用一个正电子发射的放射性药物，发射的正电子会与附近的电子发生湮灭，并且会向相反方向发射两个伽马射线。可以使用环绕患者的辐射探测器环来检测这些伽马射线，并可以使用计算机系统生成断层图像。探测器通常是专门的闪烁设备，它们经过优化以检测 0.51 MeV 的伽马射线。这种探测器环、相关设备和计算机系统称为 PET 扫描仪

患者体内正电子衰变的位置由上图中的实心圆突出显示。此外，出于清晰度的考虑，图中只显示了一些探测器。环上的每个探测器与一组相对的探测器一起工作，因此检测到的湮灭伽马射线用于建立一个单一的轮廓。

人们还发现，配备厚晶体和特殊准直器的伽马相机可以用于 PET 扫描。

用于 PET 扫描的放射性同位素包括 ¹¹C、¹³N、¹⁵O 和 ¹⁸F。这些同位素通常使用一种称为 回旋加速器 的仪器来生产。此外，这些同位素的半衰期相对较短。因此，PET 扫描需要一个回旋加速器和相关的放射性药物生产设施位于附近。我们将在本维基教科书的 下一章 中讨论回旋加速器。

标准摄取值 (**SUV**) 是 PET 中使用的一种半定量指标，用于表示患者扫描中感兴趣区域对放射性药物的摄取。它通常被计算为区域中放射性与注射剂量的比值，并针对体重进行校正。需要注意的是，SUV 受几个主要变异源的影响，因此不应将其用作定量指标。

下面显示了 PET 扫描仪的一些照片

探测器和相关的电子电路。	扫描仪本身 - 探测器位于覆盖板下方。
探测器的另一个视图。	图像处理计算机。

下面显示了使用迭代重建的不同子集和迭代设置重建的图像

使用迭代重建算法 (VPFXS) 中的不同子集/迭代设置重建的图像。GF：高斯滤波

外部链接

• 墨尔本奥斯汀和复原医疗中心的正电子发射断层扫描中心，包括 PET 简介、当前设施、项目和研究以及 PET 图像库