单光子发射计算机断层显像(SPECT).

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1 单光子发射计算机断层显像(SPECT)

2 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

3 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。

4 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。

5 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。

6 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

7 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

8 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。

9 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

10 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。

11 ECT 菲利普三探头ECT

12 线性扫描仪

13 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

14 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

15 探头的组成 光电倍增管 NaI闪烁晶体

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

17 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。

18 光电效应

19 康普顿效应

20 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。

21 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

22 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。

23 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。

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25 伽玛照相机电路结构

26 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。

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29 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。

30 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

31 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

32 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）。

33 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

34 病例 核医学在肺部的应用

35 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；

36 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；

37 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。

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39 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。

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41 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。

42 平面动态成像

43 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

44 Siemens的SPECT系统

45 GE的SPECT系统

46 SPECT

47 SPECT

48 SPECT

49 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

50 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。

51 SPECT的原理

52 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。

53 SPECT的成像原理 旋转 平面成像 立体成像

54 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。

55 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

56 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

57 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。

58 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。

59 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。

60 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。

61 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）

62 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

63 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

64 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。

65 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

66 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

67 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

68 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。

69 心脏摄影

70 SPECT图像-心脏

71 SPECT图像-脑部

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74 SPECT图像-脑部

75 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。

76 SPECT图像-骨骼

77 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。

78 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

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