核医学应用论文.doc
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1、。目 录Abstract21前言31.1选题背景31.2核医学技术成像原理32正电子发射断层成像技术(PET)52.1PET成像机理52.2PET工作原理52.2.1晶体探测器功能及晶体材料52.2.2数据采集、处理原理72.2.3 PET 的图像重建72.2.4 数据校正72.3优缺点82.4小结83单光子发射计算机断层成像技术(SPECT)93.1基本原理93.2SPECT获得人体图像方法103.2.1倾斜的扇形束投影103.2.2求出完整的透射投影数据113.2.3 重建图像的解析算法123.3优缺点133.4小结134核医学成像技术在医学上的应用134.1PET/CT 技术在肺癌诊断上
2、的临床应用134.1.1PET/CT技术应用方法134.1.2 结果144.2PET/ CT应用于肿瘤学的优势145结论与展望15致谢16参考文献17-可编辑修改-。核医学成像技术(理学院 光信息科学与技术 0501班,济南 250022)指导老师 崔晓军摘要:核医学成像技术主要包括PET(正电子发射计算机断层扫描仪)和SPECT(单光子发射计算机断层扫描仪)两大检查技术,在分子影像学研究中占据着极其重要的地位,可对活体组织中的生理生化过程做出定量分析,如血流量、能量代谢、蛋白质合成、脂肪酸代谢、神经递质合成速度、受体密度及其与配体结合的选择性和动力学、蛋白质功能与基因表达等.用正电子发射体直
3、接标记药物,能够对药物剂量、作用部位、可能发生的毒副作用等做出前瞻性判断,判断其代谢反应的类型及产物,观察药物与其他药物的相互作用、药物与营养物质的相互作用、药物与受体的作用、药物与酶的相互作用等,从而达到诊断和疗效判断目的.NUCLEAR MEDICINE IMAGE FORMATION TECHNOLOGYWang fulong(0501, Optical information Science and Technology, School of Science, University of Jinan, 250022)Supervisor CUI XiaojunAbstract: The
4、 nuclear medicine member phantom technology mainly includes PET (positive electron launch computer fault scanner) and SPECT (single photon emission computer fault scanner) two major inspection technologies, is occupying the extremely important status in the molecular phantom study research, may make
5、 the quantitative analysis to the Living specimen Organizations physiological biochemistry process, like the blood stream quantity, the energy metabolism, the protein synthesis, fatty acid metabolism, the nerve hand over the nature resultant velocity, the acceptor density and with the ligand union s
6、electivity and dynamics, the protein function and the gene expression and so on. With the positive electron emitter direct mark medicine, can the poisonous side effect which to the medicine dosage, the function spot, possibly occurs and so on make the forward-looking judgment, judges its metabolic r
7、eaction the type and the product, the observation medicine with the other medicine interaction, the medicine and the nutrients interaction, the medicine and acceptors function, the medicine and the enzyme interaction and so on, thus achieves the diagnosis and the curative effect judgment goal.Keywor
8、ds: Nuclear medicine image formation; Positive electron launch fault image formation technology; Single photon emission computer fault image formation technology; Bone scanning; Cardiovascular image formation; 1前言1.1选题背景核医学是一种利用标记有放射性核素的药物诊断和治疗疾病的科学,是医学现代化的产物,是核技术在医学领域的应用科学.核医学是一个发展十分迅速的一门新兴学科,放射性核素
9、示踪技术是核医学的最基本技术.1.2核医学技术成像简介核医学成像1是将放射性同位素以放射性药物的形式引入人体, 在感兴趣区形成按某些规律分布的放射源, 用探测器测量放射性药物产生的射线, 可获得反映放射性核素在脏器和组织中浓度分布及其随时间变化的图像, 有C照相机、发射型计算机体层CT (SPECT )和正电子发射型CT(PET)三种.C照相机同传统X 射线平面成像一样, 将脏器、组织的三维信息变成二维平面影像,可以立即在一定的视野内成像, 而不需机械扫描,这种仪器既可用静态观察,亦可作动态观察.SPECT具有C照相机的全部功能, 还增添了断层成像功能,明显提高了诊断病变的能力, 其扫描结构与
10、X射线CT基本相同.PET用一对探头检测引入体内的超短半衰期同位素药物(其很快衰变放射出正电子,正电子又会迅速转变为C光子对)衰变产生的C光子对,由符合电路判定其是否是这条直线上的C光子对,然后经反衍计算, 按其空间位置将这一对光子产生的位置以直线形式反投影入假想空间, 再逐条投影线累计叠加, 便产生出体层图像.核医学成像能够无创伤地观察放射性药物在体内的循环、扩散、聚集、排出的过程, 得到药物分子的图像, 提供机体代谢、生理功能的信息, 从而可以早期诊断疾病(优于X 射线CT, 甚至MR I )而且核医学成像能够动态显示、测量脏器功能和血流情况.PET 所用是11C,23N ,15O,18P
11、 等超短半衰期同位素作为示踪原子, 它们可以被标记成一些具有生物学意义的化合物, 例如葡萄糖及同类药物; 所以 PET 可以研究正常和异常的脑功能并立即将它们联系起来, 实际上可以同时研究整个脑, 并且对所有区域具有相同的敏感度.更为重要的是: 应用PET 进行癌症治疗药物的药代动力学及治疗机理和药效学等方面的研究, 有助于临床合理地选择更有效的药物及其相应剂量, 为治疗疾病提供更客观的依据.2正电子发射断层成像技术(PET)PET( Positron Emission Tomography)即正电子发射断层扫描仪,是当今世界最高层次的核医学技术,也是当前医学界公认的最先进的大型医疗诊断成像设
12、备之一,已成为肿瘤、心、脑疾病诊断的不可缺少的重要方法.它是一种有较高特异性的功能显像和分子显像仪,除显示形态结构外,它主要是在分子水平上提供有关脏器及其病变的功能信息,适合于快速动态研究,具有多种动态显像方式2.1PET成像机理正电子1断层扫描仪将人体代谢所必需的物质如:葡萄糖、蛋白质、核酸、脂肪酸等标记上具有正电子放射性的短寿命核素,制成显像剂( 如氟代脱氧葡萄糖)注入人体后进行扫描成像.因为人体不同组织的代谢状态不同,所以这些被核素标记了的物质在人体的各种组织中的分布也不同.经过标记了正电子放射性核素的药物注射入人体,它衰变时产生的正电子在人体组织中运动很短距离后( 一般1mm)和电子相
13、遇而湮没,产生两个能量为 511 keV的相反方向发射的 光子.根据人体不同部位吸收标记化合物能力的不同, 同位素在人体内各部位的浓聚程度不同,湮没反应产生光子的强度也不同,测量两个 光子就可以确定电子对湮没的位置、时间和能量信息.由于恶性肿瘤组织新陈代谢旺盛,吸收放射性药物比一般组织多,PET 通过测量放射性药物的密度分布就可以确定恶性肿瘤组织的分布情况.PET 分子成像表达了生物学过程细胞分子水平上在活体中的显示和测量,能分析生物系统且不扰乱生物系统,还能对与疾病有关的分子改变进行量化后成像.PET 用核谱学方法探测湮没辐射光子,可以得到有关物质微观结构的信息,它提供了一种非破坏性探测手段
14、2.2PET工作原理 2.2.1PET记数方法根据动量守恒,涅变辐射产生的双光子飞行在同一直线上,但方向相反。在? 衰变发生的区域两侧,放置两个光子探测器,当两个探测器同时接收到光子时,符合电路会给出一个计数。从图3中可以看出为获得投影数据要求探测在某一方向上的计数,SPECT中的?射线就要在探测器中加装准直器,这样很多电子就被准直器挡掉了。而湮灭辐射有自准直作用,无须准直器,这样PET的灵敏度大大提高,引入体内的放射性性剂的两大为减少。由于探头总有一定的高度和宽度,在10s内两个不相关的光子也有可能进入两个探测器,也会给出一个计数,但这个计数是假的,并不是表示在投影方向上放声了一次?衰变,这
15、样的符合叫做随机符合,它是符合计数的噪声。2.2.2PET的检测系统PET的检测系统多为环结构,见图4多环结构检测系统一次采集可以获得多个断层图像数据。如环上的个数为n,则一次获得2n-1个断层数据,其中n个来自同一环内的符合探测,n-1个断层数据则来自相邻环之间的交叉符合计数。2.2.3PET晶体探测器功能及晶体材料PET系统中, 晶体探测器2是系统的核心.理想的PET晶体材料应具有足够高的密度、余辉时间短、光输出量高、能量分辨率好以及生产成本低等特点.高的密度、高原子序数能有效提高射线探测效率; 余辉时间短能更好地完善时间匹配, 减少随机计数; 光输出量高可使每个光电探测器晶体数目增多;好
16、的能量分辨率能减低图像散射, 使图像更为清晰.而这些性能就探测器晶体而言又是相互制约的.早期研制的PET的晶体材料为NaI( 碘化钠) ; 80年代初期,BGO( 锗酸铋) 与GSO( 硅酸钆) 2种晶体被用作PET探测晶体.从19802000年, BGO是主要的PET晶体材料之一, 而NaI与GSO在PET中应用相对较少.1990年, LSO( 硅酸镥) 晶体的研究引起人们的很大关注.这种新型探测器材料对PET的发展具有重要贡献, 表1为几种常用PET探测晶体的性能参数比较见表1.3性能 LSO BGO GSO NAI有效原子序数(z) 65 73 58 50 相对通光量(%) 75 15
17、25 100衰变时间(ns) 40 300 60 230密度(g/cc) 7.4 7.1 6.8 3.7能量分辨(%) 10 12 9 8表1 常用PET探测晶体的性能参数可由以下公式4评价各种晶体的相对性能:F.O.M=Ep(1/)(light output)其中, Ep为PET探测效率, 为寿命, light output为单次射线事件探测器产生的光子总数.根据计算, LSO分别为BGO、GSO晶体的35倍、10倍, 被认为是目前较为理想的PET晶体材料之一.LSO晶体对提高PET的成像速度和图像质量、PET/CT的设计有巨大的影响.LSO晶体短的余辉时间允许窄的符合时间窗( 6 ns)
18、, 因而随机计数显著减少,同时其高能量分辨( 大约12%FWHM) , 可降低图像的散射,这对PET 3D采集尤为重要.临床结果表明, PET 3D采集适用于脑与全身显像.2.2.4PET数据采集、处理原理PET 的数据采集方式有多种:静态采集,是将探测到的湮没事件按LOR 进行计数存放在一个投影数据矩阵里,使它能重建一组静态的断层图像;动态采集,实际是一组相继的静态采集,用来观察放射性药物的运动过程;门控采集,专门用于周期性运动过程,它依靠生理信号( 如心电图)同步动态数据的分帧和叠加过程,将多个生物周期相同运动时相的事件累积起来,得到统计误差很小的动态图像;全身扫描采集,则是使探测器相对于
19、病人从头运动到脚,把一段段的静态投影数据拼接起来,形成比PET 轴向视野长的完整的全身静态图像,常用于药物的生物分布和癌转移检查;表模式采集,则是将每个湮灭事件的符合线位置、发生时刻和其他信息以数据表的形式逐个记录到存储器中.PET 探测器探测到同一环内正电子湮灭时转换成的一对 光子所分别命中的环上晶体条的位置,并把这些位置信号转换成电信号,连同 光子的能量信号和到达时刻的时间信息一起送到后续的电子前端放大和符合系统中去,此后就把经选出的真实的符合事例所命中的两个探测器晶体条的数据经计算机接口,送到后面的计算机系统去.计算机将探测到的湮没事件按LOR 进行计数存放在一个投影数据矩阵(sinog
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