单光子发射计算机断层显像(SPECT)

要点 核医学介绍 γ相机 SPECT的发展 SPECT的成像方法 SPECT的示踪剂 SPECT的特点和优势 SPECT的临床应用

核医学 是研究同位素及核辐射的医学应用及理论基础的科学，是核技术和医学相结合的一门新兴学科，也是人类和平利用原子能的一个重要方面。 核医学的任务是用核技术诊断、治疗和研究疾病。 核医学诊断技术包括脏器显像、功能测定和体外放射免疫分析。

核医学的方法 进行脏器显像和/或功能测定时，医生根据检查目的，给病人口服或静脉注射某种放射性示踪剂，使之进入人体后参与体内特定器官组织的循环和代谢，并不断地放出射线。 在体外用各种专用探测仪器追踪探查，以数字、图像、曲线或照片的形式显示出病人体内脏器的形态和功能。

核医学的特点 核医学显像方法简单、灵敏、特异、无创伤性、安全（病人所受辐射剂量低于一次X摄片所受剂量）、易于重复、结果准确、可靠，并能反映脏器的功能和代谢，因此在临床和基础研究中的应用日益广泛。

核医学仪器 γ照相机 ECT 可同时记录脏器内各个部份的射线，以快速形成一帧器官的静态平面图像 可观察脏器的动态功能及其变化 既是显像仪又是功能仪 ECT SPECT PET

ECT Emission Computed tomography，同位素发射计算机辅助断层显像 探测人体内同位素动态分布而成像 可作功能、代谢方面的影像观察 是由电子计算机断层(CT)与核医学示踪原理相结合的高科技技术

为什么叫ECT？ 相对于TCT (Transmission Computed Tomography)而言，即射线源在人体的外部，X线CT即为TCT。 而ECT的射线源在人体内部，即放射性药物引入人体后，药物释放出伽玛射线。

ECT与X线CT 与X线CT相比，ECT的图像比较粗糙、空间分辨率差； 正常组织与病变组织对药物的吸收差异，远远大于他们的密度差异

ECT的主要特点 可做体层显像，定位准确； 可用来分析脏器组织的生理、代谢变化，做脏器的功能检查。

ECT 菲利普三探头ECT

线性扫描仪

伽玛照相机的组成 探头支架 数据处理装置 操作控制台 及 探头 病床

γ相机的探头 准直器固定结构 准直器孔 探头周围铅屏蔽 NaI 晶体 光电倍增管

探头的组成 光电倍增管 NaI闪烁晶体

New Scintillators Developed Recently PbWO4 LSO Discovered in ~1992. Approximately 10 years of R&D before large scale production.

闪烁探测器 铊激活碘化钠[NaI(Tl)]探测晶体普遍用于γ相机中。这种晶体对于γ射线有最佳的探测效率。探测晶体一般为圆形或矩形，典型的是3/8’’厚且尺度为30-50 cm。 γ光子与探测器相互作用（光电效应和康普顿散射），导致电子释放而继续与晶体相互作用产生光，这种过程称为闪烁。

光电效应

康普顿效应

光电倍增管 每7到10个光子入射到光电阴极上，就会产生一个电子。从阴极来的电子聚焦到倍增管电极上被吸收后会放出更多的电子（一般是6到10个）。这些电子再聚焦到下一个倍增管电极上，这个过程在倍增管电极阵列上不断重复。

PMT的排列方式 每一个边排列3个，总共19个 每一个边排列4个，总共37个 每一个边排列5个，总共61个 每一个边排列6个，总共91个 每一个边排列7个，总共127个

准直器 准直器位于晶体之前，准直器能够限制散射光子，允许特定方向γ光子和晶体发生作用。准直器的性能在很大程度上决定了探头的性能。

平行孔准直器 针孔准直器 晶体上图像大小与人体放射源的实际大小相同；孔径越小，分辨率越 高；准直孔的间隔厚度越小，灵敏度越高。 放大影像；增大小孔直径，提高灵敏度，但降低分辨率，图像模糊； 适用于浅表的小脏器、小病变。

伽玛照相机电路结构

显示：根据计算出的位置值(x,y)，在示波器的相应点上显示，经过一定时间后，就会形成一幅闪烁图像。 定位电路：与PMT配合计算出伽玛射线的出射位置(x,y)，以及该伽玛射线的能量值。 光电倍增管(PMT)：将可见光转化为电信号。 使伽玛射线转化为可见光。 准直器：防止散射线进入探测器，即防止临近组织产生的伽玛射线散射进入测量部位组织。

位置电路和数据处理计算机 位置逻辑电路紧跟在光电倍增管阵列后面并在求和矩阵电路(SMC)中接收来自倍增管的电流脉冲。这使得位置电路能够决定闪烁事件在探测晶体的何处发生。 计算机处理投影数据，得到一张可读的反映病人体内三维活性分布的图像。

定位电路与光电倍增管配合，计算出伽玛射线的出射位置（x, y），以及该伽玛射线的能量值 病人体内发出的γ射线 准直器 γ射线 NaI(Tl)晶体 闪烁荧光 光电倍增管 定位电路与光电倍增管配合，计算出伽玛射线的出射位置（x, y），以及该伽玛射线的能量值 电流 前置放大器 定位电路 图像处理电路 显示器 照相机

位置计算电路 重心法求发光点的位置原理 发光点的总强度： P=P1+P2+P3 即Z信号的值 发光点的X坐标值： X= X NaI(Tl) 伽玛射线 发光点的总强度： P=P1+P2+P3 即Z信号的值 NaI(Tl) P1 P2 P3 P1,P2,P3为PMT的输出信号值，反映了进入PMT的光强 发光点的X坐标值： X= P1X1+P2X2+P3X3 P1+P2+P3 X1,X2,X3为PMT的位置值 X X1 X2 X3 X 重心法求发光点的位置原理

伽玛照相机的特点 不需要探头移动，可一次成像； 成像效率高，特别是对低能量伽玛射线； 能做连续动态显像，可以观察脏器对药物随时间的吸收、代谢情况，判断脏器的功能； γ相机可采用闪烁探测器、半导体探测器或多丝正比室等探测器。采用闪烁探测器的γ照相机称为闪烁γ照相机（Scintillation Camera）。

γ相机成像方案 平面成像 平面动态成像 SPECT成像 门控SPECT成像 相机固定在病人上方，获取单一角度数据 固定角度，长时间观察放射性示踪剂运动 SPECT成像 绕病人旋转，获取放射性示踪剂三维分布 门控SPECT成像 结合ECG获取心动周期不同阶段的图像

病例 核医学在肺部的应用

Charlie Steinbeck，52岁，开了20年的洲际货车；去年，他刚结束12小时的运输从Georgia回到家，发现左腿迅速肿胀，第二天早上，胸腔左下部随着呼吸强烈疼痛，伴有咳血；Steinbeck先生被送往医院时，呼吸急促、很浅而且吃力，立即被戴上氧气罩，动脉血液检查显示严重缺氧；急诊医师初步诊断，可能是心脏病、肺炎或肺部栓塞；听诊时，胸部左下方疼痛的地方有“摩擦音”；左腿仍然肿胀，但还有感觉；心电图正常；胸片也显示正常；

可能是，从左腿动脉掉下的凝块堵塞了肺部的主要动脉；栓塞会切断肺部某些区域的血液供应（per-fusion）而空气照样能够进去（ventilation）；对肺部的空气和血流进行核医学检查，最终发现，空气能够到达的某些区域血液无法到达；这两项同位素检查显示，肺部有一区域是可通风但无法灌注的；结合病症与职业特点分析原因：因为长期保持坐姿，腿部静脉血流缓慢，容易产生血栓，其中有一碎片脱落，进入肺部动脉的狭窄区，从而危及生命；

肺部通气检查 Steinbeck先生坐在伽马照相机前，先吸进几分钟的氙气，这些气体会充满肺部所能到达的区域； 伽马相机中的“冷”区域，就是缺少氙气的地方，也就是通风不好的地方——原因可能是通风管堵塞、存在液体或正常肺组织被肿瘤取代； 结果显示，Steinbeck先生的肺部通风状况良好。

肺部灌注 放射药物工作者准备了含有少量白蛋白凝块的溶液，这些蛋白上带有放射性元素锝； 少量Tc-MAA (含锝的蛋白质聚体）被注射入血液，细微的蛋白块进入毛细血管并放射出伽玛射线，左肺下方的“冷”区域显示，这部分Tc-MAA没有到达。

治疗方法 住院，继续吸氧，并注射肝素以防止血液凝块； 对肿胀的腿部作多普勒超声检查，显示出该部位血流缓慢，进一步确定了肺部血栓的原因； 过一段时间后，血液凝块被溶解，新的血液灌注使一部分垂死的肺组织复活； 一星期后，Steinbeck先生出院，仍继续服用血液稀释药物； Steinbeck先生仍继续开着货车，但他会穿上保健袜子，在路上也时不时动一动腿，晚上回到家把双腿搁高，公司也尽量安排他跑短途行程。

平面动态成像

SPECT Single Photon Emission Computed Tomography，单光子发射计算机断层显像 能给出脏器的断层图像 也具有一般γ相机的功能，可以进行脏器的平面和动态（功能）显像

Siemens的SPECT系统

GE的SPECT系统

SPECT

SPECT

SPECT

SPECT的发展 1959 David Kuhl 和 Roy Edwards取得了世界上第一幅横截面发射断层图 1963 Kuhl 和 Edwards发展出来的放射断层系统成为SPECT的前身 1976 Keyes发明第一台γ相机SPECT系统 1983 商业化γ相机SPECT问世 2003 利用迭代重建算法进行衰减修正的SPECT

SPECT的原理 SPECT检测放射性原子（如TC-99m 锝、TI-201 钛）发射的γ射线。放射性核附上的放射性药物可能是一种蛋白质或是有机分子，选择的标准是它们的用途或在人体中的吸收特性。比如，能聚集在心肌的放射性药物就用于心脏SPECT成像。这些能吸收一定量放射性药物的器官会在图像中呈现亮块。如果有异常的吸收状况就会导致异常的偏亮或偏暗，表明可能处于有病的状态。

SPECT的原理

SPECT成像方法 探头绕病人某一脏器360°旋转，每隔一定角度（3°或6°）采集一次投影数据 利用滤波反投影（FBP）法将投影数据重建断层影像。由横向断层影像的三维信息再经影像重新组合可以得到矢状、冠状断层和任意斜位方向的断层影像。

SPECT的成像原理 旋转 平面成像 立体成像

SPECT成像的特点 比X线CT图像重建复杂 必须修正伽玛射线被组织的吸收 必须修正散射线的影响 人体组织小体积元 探头 比X线CT图像重建复杂 必须修正伽玛射线被组织的吸收 必须修正散射线的影响 X线CT测定的是人体组织对X线的衰减值，反映的是组织的物理特性(组织密度值)。 而SPECT测定的是人体组织对放射性药物的吸收情况，反映的是人体组织的生理、生化信息，以及组织的功能代谢情况。 正常组织与病变组织对药物的吸收差异，远远大于他们的密度差异。

SPECT成像基本步骤 用短半衰期核素Tc-99m等标记某些特殊化合物经静脉注入人体 将γ射线转化为电信号并输入计算机，经计算机断层重建为反映人体某一器官生理状况的断面或三维图像

SPECT重建算法步骤 数据投影 数据傅立叶变换 数据滤波 数据反变换 反投影 衰减校正 散射校正

滤波反投影(FBP) FBP方法是把探头采集到的二维投影数据经过预滤波降低统计噪声后，将二维投影数据反投影到预先设定的三维矩阵过程。 FBP方法的优点：计算过程简单，重建速度快，重建后的SPECT图像分辨率能满足临床需要。 FBP方法的缺点：重建图像存在固有星状伪影，重建后图像分辨率较差。

衰减校正 目前的SPECT理论忽略了人体组织对γ射线的散射与吸收。然而，对于核医学所使用的能量在60～511keV的γ射线来说，人体组织的衰减对投影数据有相当大的影响，因此需要进行衰减校正。 一方面取决于人体衰减系数图(μ map)的获取，另一方面取决于衰减校正的算法。

放射性药物 放射性元素一般附着在化学载体上，并发射出伽玛射线； 最常用的放射性元素是锝（Tc-99m），它只产生γ射线，而不会产生α和β射线； γ射线的能量离开人体后被γ照相机检测到； 锝能够很容易生产，而且它能附着在很多种载体上，六个小时的半衰期也很合适——既有时间做好准备，又不会带来很大的辐射。

放射性药物 化学药剂用来使该药物达到某一特定器官，甚至可以以不同的速度到达健康器官和病态器官； 例如在检查肺部血流情况时，通过白蛋白凝块（MAA）能检查出肺部1%的毛细血管堵塞，随后凝块溶解，流出肺部； 在甲状腺检查时，由细胞壁上的生物化学泵将含有放射性碘的分子送入腺细胞； 而携带放射性元素的硫磺微粒能顺利到达肝、脾以及骨髓； 后来人们用人工合成的抗体作为载体，用来针对不同的疾病细胞。

SPECT的示踪剂 由放射性同位素标记的放射性药物会产生内部辐射。 这种放射性药物称为示踪剂，可以是注射也可以是吸入。正是示踪剂的衰减放射出γ射线。 常用能够标记放射性药物有：MIBI（心肌显像）； MDP（全身骨显像）； ECD（脑血流显像）

常用的放射性示踪剂 放射性Tc-99m（ 锝）标记的各种化合物 半衰期短（6.02小时），放射低能γ射线（141keV） 辐射剂量只有一次X摄片的1/10~1/2 无副作用，大部分在几小时内排出体外，留在体内的放射性也会在短时间内衰变掉 Tl-201（钛）、I-131、I-123、Ga-67（镓）、In-111（铟）等

放射性药物及其临床应用 临床 放射性核 放射性药物 能量 (KeV) T 1/2 (hours) 骨显像 Tc-99m MDP 140 6 心肌显像 Tl-201 SestaMibi 70 73 脑 HMPAO 甲状腺 I-131 364 8 days 肾脏 Hippuran Mag-3 肺脏 Xe-133 MAA Gas 81 62 肿瘤显像 Ga-67 F-18 Citrate FDG 90 511 78 2 肝脏 Sulfur

SPECT的特点 示踪剂适应面广，特异性高，放射性小，不干扰体内环境的稳定，有独到的诊断价值； 时域解像精度不到千分之一秒 ； 等离子放射物可能对孩子和孕妇有危险； 保留了γ照相机全部平面显像的性能； 观察到脏器功能动态变化，化学物质在脏器内代谢分布、肿瘤免疫及受体定位等。

影响SPECT空间分辨率的因素 准直器 小孔大小、长度，准直器与成像物体的距离 晶体厚度 较薄晶体（6~12mm），可减少散射光子的影响，提高空间分辨率，但灵敏度降低 采用高灵敏度的光电倍增管，改善光电倍增管与闪烁晶体间的光耦合

SPECT的优势 兼具CT和核医学优势，较CT容积采集信息量大 是当前唯一的一种集活体生理、生化、功能、代谢信息的四种显像方式 明显提高了病变的检测率 价格优势

SPECT的临床应用 早期冠心病、心肌炎、脑缺血性疾病、恶性肿瘤早期骨转移的检测 原发癫痫、短暂脑缺血发作、一些软组织肿块定性、心血池功能显像 肺通气功能、肾小球滤过率和肾脏有效血流量功能测定 甲状腺疾病的常规检查等

铊元素与钾一样，对肌细胞有亲和力，而且，铊与肌细胞的结合速度与该处的血流成正比，也与该处肌肉的健康状态有关； 如果心肌缺血或心肌梗死，则会影响心肌对铊的吸收； 用受检者自身的心电R波触发启动γ照相机自动、连续、等时地采集影像，可获得一个心动周期内的系列影像； 一般在一个R-R间期内采集24帧影像，当心率为75次/分，一个心动周期为0.8秒，每帧影像的采集时间仅为33毫秒，由于信息量很少，因此须连续采集300~400个心动周期的系列影像，由计算机把相同时间的影像叠加起来，最后显示出一个有代表性的清晰的心动周期影像。

心脏摄影

SPECT图像-心脏

SPECT图像-脑部

SPECT图像-脑部

2例癫痫患者SPECT图像:发作间期低灌注(A图)，发作期高灌注(B图)。 癫痫灶发作间期在SPECT上呈低灌注暗影，发作期变为高灌注亮影。                                                         　　                                                                                                                  　　                                                          2例癫痫患者SPECT图像:发作间期低灌注(A图)，发作期高灌注(B图)。 癫痫灶发作间期在SPECT上呈低灌注暗影，发作期变为高灌注亮影。

SPECT图像-骨骼

SPECT的新类型 目前几乎所有的SPECT都属于旋转γ照相机型。 新型的SPECT是双探头可变角带衰减校正的SPECT，需要时可以升级为既可行SPECT显像，又可行18F-FDG/PET葡萄糖代谢显像的符合探测显像仪。

Terms ECT: Emission Computed Tomography SPECT: Single Photon Emission Computed Tomography PET: Positron Emission Tomography FBP: Filtered Backprojection MIBI: Methoxyisobutyl Isonitrile MDP: Methylenediphosphonate ECD: Ethylcysteinate Dimer

Terms PMT: photomultiplier tube SMC: summing matrix circuit ECG: Electrocardiograph GFR: glomerular filtration rate ERPF: Effective renal plasma flow