生物医学工程讲义 核医学成像设备（二） 张剑戈 Zhangjg@sjtu.edu.cn
内容提要 SPECT PET
SPECT SPECT是在γ照相机的基础上发展起来的断层成像设备，其探测光子的原理和γ照相机相同，但是利用与X-CT类似的原理，实现了断层成像。 与γ照相机相比，SPECT增加了探头围绕患者旋转的功能，可以探测出微小的病变、深部的病变或放射性浓度改变较小的病变，并对放射性分布进行精确的定量计算。
SPECT的结构 SPECT由探头、机架、电子学线路和计算机系统等组成。 SPECT的机架主要用来支撑探头，并能够让探头在其上运动。 探头可分为：探头旋转型和固定型（环型），主流为旋转γ照相机型，使γ照相机探头围绕身体旋转360°或180°进行完全角度或有限角度取样，重建出各种方向的符合临床要求的断层影像，同时可以进行平面、断层和全身显像。 电子学线路包括光电倍增管的高压电源、线性放大器和脉冲高度分析器等。
成像过程 从聚集着放射性核素的脏器发出的γ射线以均匀的角概率分布发射，成像过程就是要测量初始轨迹位于特定断层中的γ射线分布。 SPECT采用横向断层扫描 将γ照相机探头绕人体轴连续或分度旋转一周 记录扫描时体内放射性核素发出的射线，得到一组投影数据 这些投影数据的集合构成一个投影断层面
SPECT探头 探头为方形，以使探头的尺寸可以覆盖人体的宽度方向，PMT的形状也由圆形的变为方形，减少圆形光电倍增管之间的间隙 对每个光电倍增管构成的通道，根据每个γ光子事件的峰值位置、幅度大小、阈值定位 关联信号增强技术，可以去掉本底造成的小脉冲事件，增强信噪比。
图像重建 在不同角度上对患者体内放射性药物上发射的γ光子计数，在三维空间重建出放射性药物在人体内的浓集分布。 计数的统计涨落是数据中的主要噪声形式，核医学成像的计数有限，其噪声水平较高。 重建SPECT图像可以利用类似于X-CT的滤波反投影算法，也可以用最大似然迭代等统计方法。
统计方法重建 每个角度上以一定空间间隔采样，获取一个投影矢量，最终得到投影矩阵Y。 光子计数模型描述了从放射性核素浓度通过断层成像时的坐标变换和其他物理过程得到光子计数的分布 先验模型描述了放射性在空间的概率分布 实空间被划分为若干像素，如果用平行孔准直器，由像素s处发射的光子，通过准直器后，只有与成像平面垂直的光子能被探测，并被记录到投影矩阵。 每个角度上以一定空间间隔采样，获取一个投影矢量，最终得到投影矩阵Y。
光子计数的分布 假设像素s处的光子以恒定的速率完全随机发射，此光子投影到投影矩阵第t个元素的过程构成时间上均匀的Poisson过程。 该概率依赖于核素的活度分布、曝光时间、放射性衰变速率、药物的廓清速率、探测器的几何结构、光子的吸收和散射等。
先验分布模型 该模型应该适当考虑医师对于同位素浓度在脏器重分布的知识，以及脏器的尺寸和形状。 研究人员只考虑局部属性（相邻像素），从而得到简化的模型。 式中β为可调的参数，V(x)是描述相邻像素关系的函数。
重建的过程 假定一个初始图像f(0); 计算该图像的投影d’; 同测量的投影值d相比； 计算纠正系数并更新f值； 满足停止规则时，迭代中止； 如果不满足，则由新的f作为f(0)从2重新开始。 不同算法的纠正系数不同，但都是将估计值与实测值相比较，从而纠正估计值。对重建算法的要求是重建质量高，迭代的收敛速度快。
图像质量改善 统计噪声主要取决于每个体素内的总计数值，由于核素成像是量子事件，成像时间不足的话，会因为本底噪声等，使体素的值受到邻近体素的干扰； 散射噪声来源于γ光子和人体组织的compton散射； 衰减噪声来源于γ光子在被测量脏器到探测器的路径上被吸收的情况； 临床上常用的方法是利用体外的γ源，由射线源绕人体旋转一周，形成人体的轮廓线，同时重建出人体内部的线性衰减分布。 现在有些设备直接用XCT测量受测部位的衰减系数，大大加快了衰减校正的速度。
SPECT的质量控制 SPECT断层均匀性与三方面有关：构成断层图像的原始信息量低，统计噪声高；探头旋转造成均匀性变化；重建过程放大非均匀性。 旋转中心是SPECT质控的重要指标。SPECT的旋转中心是一个位于旋转轴上的虚设空间点，必须是空间坐标系统、γ照相机探头电子坐标系统和计算机图像重建坐标系统的重合点。
PET成像过程 人体内含有发射正电子的核素,如18F、13N、15O、11C等会发射的正电子 被人体组织慢化后，被电子俘获，并发生湮灭而产生一对γ光子，这两个γ光子的运动方向相反，能量均为511Kev 用两个位置相对的γ闪烁探头加符合电路组成湮没符合探测装置加以检测
PET成像的优势 人体的病变开始于大分子运动的紊乱，从而导致脏器功能的变化，这种变化在脏器发生器质性变化之前就开始了。 带有放射性标记的药物会自动寻找和浓集在特定的组织和脏器上，根据放射性强度的时间分布曲线可以知道这些组织和脏器对这种药物的代谢情况。 药物与某种生理状态相关：如应用广泛的PET药物脱氧葡萄糖能参与人体内的葡萄糖代谢。由于肿瘤组织与正常组织在代谢水平上差别比较大，可以测量肿瘤的大小，良、恶性鉴别和对患者的愈后观察。另外利用核医学影像还可以确定带有放射性标记的药物作用的靶点，检测新药的药效和毒性，用于新药的研制等。
PET成像的误差纠正 时间飞跃技术