生物醫(yī)學圖像處理】單光子發(fā)射計算機斷層顯像

1、 單光子發(fā)射計算機斷層顯像(SPECT) Siemens的SPECT系統(tǒng) GE的SPECT系統(tǒng) 要點 核醫(yī)學介紹 SPECT的發(fā)展 SPECT的成像方法 SPECT的示蹤劑 SPECT的相機 SPECT的特點和優(yōu)勢 SPECT的臨床應用 核醫(yī)學 又稱原子（核）醫(yī)學，是研究同位素及核輻射的醫(yī)學應用及理論基礎的科學，是核技術和醫(yī)學相結合的一門新興學科，也是人類和平利用原子能的一個重要方面。 核醫(yī)學的任務是用核技術診斷、治療和研究疾病。 核醫(yī)學診斷技術包括臟器顯像、功能測定和體外放射免疫分析。 核醫(yī)學的方法 在進行臟器顯像和/或功能測定時，醫(yī)生根據(jù)檢查目的，給病人口服或靜脈注射某種放射性示蹤劑，使之

2、進入人體后參與體內特定器官組織的循環(huán)和代謝，并不斷地放出射線。 這樣我們就可在體外用各種專用探測儀器追蹤探查，以數(shù)字、圖像、曲線或照片的形式顯示出病人體內臟器的形態(tài)和功能。 核醫(yī)學的特點 核醫(yī)學顯像方法簡單、靈敏、特異、無創(chuàng)傷性、安全（病人所受輻射劑量低于一次X攝片所受劑量）、易于重復、結果準確、可靠，并能反映臟器的功能和代謝，因此在臨床和基礎研究中的應用日益廣泛。 核醫(yī)學儀器 照相機 可同時記錄臟器內各個部份的射線，以快速形成一幀器官的靜態(tài)平面圖像 可觀察臟器的動態(tài)功能及其變化 既是顯像儀又是功能儀 ECT SPECT PET ECT Emission Computed tomography

3、，同位素發(fā)射計算機輔助斷層顯像 利用儀器探測人體內同位素動態(tài)分布而成像 可作功能、代謝方面的影像觀察 是由電子計算機斷層(CT)與核醫(yī)學示蹤原理相結合的高科技技術 ECT SPECT Single Photon Emission Computed Tomography，單光子發(fā)射計算機斷層顯像 能給出臟器的各種斷層圖像 也具有一般相機的功能，可以進行臟器的平面和動態(tài)（功能）顯像 SPECT SPECT SPECT SPECT的發(fā)展 1959 David Kuhl 和 Roy Edwards取得了世界上第一臺橫截面發(fā)射斷層圖 1963 Kuhl 和 Edwards發(fā)展出來的放射斷層系統(tǒng)成為SPE

4、CT的前身 1976 Keyes發(fā)明第一臺相機SPECT系統(tǒng) 1983 商業(yè)化相機SPECT問世 2003 利用迭代重建算法進行衰減修正的SPECT SPECT的原理 SPECT檢測通過放射性原子（稱為放射性核，如TC-99m 、TI-201）發(fā)射的單射線。放射性核附上的放射性藥物可能是一種蛋白質或是有機分子，選擇的標準是它們的用途或在人體中的吸收特性。比如，能聚集在心肌的放射性藥物就用于心臟SPECT成像。這些能吸收一定量放射性藥物的器官會在圖像中呈現(xiàn)亮塊。如果有異常的吸收狀況就會導致異常的偏亮或偏暗，表明可能處于有病的狀態(tài)。 SPECT的原理 SPECT成像方法 一個探頭可以圍繞病人某一臟

5、器進行360旋轉的相機，在旋轉時每隔一定角度（3或6）采集一幀圖片 經(jīng)電子計算機自動處理，將圖像疊加，利用濾波反投影（FBP）方法，可以從一系列投影像重建橫向斷層影像。由橫向斷層影像的三維信息再經(jīng)影像重新組合可以得到矢狀、冠狀斷層和任意斜位方向的斷層影像。 SPECT成像基本步驟 用短半衰期核素Tc-99m等標記某些特殊化合物經(jīng)靜脈注入人體 探測聚集于人體一定器官、組織內，標記于化合物上的Tc-99m衰變所發(fā)出的射線 將射線轉化為電信號并輸入計算機，經(jīng)計算機斷層重建為反映人體某一器官生理狀況的斷面或三維圖像 SPECT技術介紹 雙頭獲取 濾波反投影 門控心臟獲取 動態(tài)獲取 Chang氏衰減校正

6、 精確傳送 SPECT重建算法步驟 數(shù)據(jù)投影 數(shù)據(jù)傅立葉變換 數(shù)據(jù)濾波 數(shù)據(jù)反變換 反投影 衰減校正 散射校正 濾波反投影(FBP) FBP方法的優(yōu)點：計算過程簡單，重建速度快，重建后的SPECT圖像分辨率能夠滿足臨床需要。 FBP方法的缺點：該方法重建的圖像存在固有星狀偽影，重建后的圖像分辨率較差。 衰減校正 目前的SPECT理論把投影數(shù)據(jù)近似為病人體內的放射性藥物分布沿投影線的積分，忽略了人體組織對射線的散射與吸收效應。然而，對于核醫(yī)學所使用的能量在60511keV的射線來說，人體組織的衰減對投影數(shù)據(jù)有相當大的影響，因此需要進行衰減校正。 一方面取決于人體衰減系數(shù)圖( map)的獲取，另一

7、方面取決于衰減校正的算法。 SPECT的示蹤劑 由放射性同位素標記的放射性藥物會產生內部輻射。 這種放射性藥物稱為示蹤劑，可以是注射也可以是吸入。正是示蹤劑的衰減放射出射線。 常用能夠標記放射性藥物有：MIBI（心肌顯象）； MDP（全身骨顯象）； ECD（腦血流顯象） 常用的放射性示蹤劑 用放射性Tc-99m標記的各種化合物 短半衰期（6.02小時）放射性同位素,主要放射低能射線,其能量為141keV 輻射劑量只有一次X攝片的1/101/2 沒有副作用，大部分在幾個小時內即排出體外，留在體內的放射性也會在短時間內衰變掉 其他常用的放射性核素還有Tl-201、I-131、I-123、Ga-67

8、、In-111等 放射性藥物及其臨床應用 SPECT系統(tǒng) 探頭（旋轉型照相機） 機架 斷層床 計算機和光學照相系統(tǒng) SPECT的相機 相機收集病人體內發(fā)射的射線，使我們重建出發(fā)射部位的圖像，了解特定器官或系統(tǒng)的功能。 康普頓相機 相機結構 相機準直器（Collimator） 閃爍探測器（NaI晶體） 光電倍增管(PMT) 位置電路 數(shù)據(jù)分析計算機 相機準直器 準直器位于晶體之前，是探頭中首先和射線相接觸的部分。準直器的性能在很大成度上決定了探頭的性能。準直器能夠限制散射光子,允許特定方向光子和晶體發(fā)生作用。 閃爍探測器 一種鉈激活碘化鈉NaI(Tl)探測晶體普遍用于相機中。在核醫(yī)學中，這種晶體

9、對于放射性核發(fā)射的射線能量有最佳的探測效率。探測晶體一般為圓形或矩形。典型的是3/8厚且尺度為30-50 cm。 由于光電效應和與晶體內碘化物的離子的康普頓散射，光子與探測器互相作用。這種相互作用導致電子釋放而繼續(xù)與晶體的網(wǎng)格相互作用產生光。這種過程稱為閃爍。 光電倍增管 每7到10個光子入射到光電陰極上，就會產生一個電子。從陰極來的電子聚焦到倍增管電極上被吸收后會放出更多的電子（一般是6到10個）。這些電子再聚焦到下一個倍增管電極上，這個過程在倍增管電極陣列上不斷重復。 位置電路和數(shù)據(jù)處理計算機 位置邏輯電路緊跟在光電倍增管陣列后面并在求和矩陣電路(SMC)中接收來自倍增管的電流脈沖。這使得

10、位置電路能夠決定閃爍事件在探測晶體的何處發(fā)生。 最后，一臺數(shù)據(jù)處理計算機處理進來的投影數(shù)據(jù)，使它成為一張可讀的反映病人體內三維活性分布的圖像。計算機可能使用各種方法來重建圖像，比如濾波反投影算法或迭代重建。 相機成像方案 平面成像 相機固定在病人上方，獲取單一角度數(shù)據(jù) 平面動態(tài)成像 固定角度，長時間觀察放射性示蹤劑運動 SPECT成像 繞病人旋轉，獲取放射性示蹤劑三維分布 門控SPECT成像 結合ECG獲取心動周期不同階段的圖像 平面動態(tài)成像 SPECT的新類型 目前幾乎所有的SPECT都屬于旋轉照相機型。 當今世界上最新型號的單光子核素顯像儀是雙探頭可變角帶衰減校正的SPECT，需要時可以升

11、級為既可行SPECT顯像，又可行18F-FDG/PET葡萄糖代謝顯像的符合探測顯像儀。 SPECT的總體特點 示蹤劑適應面廣，特異性高，放射性小，不干擾體內環(huán)境的穩(wěn)定，有獨到的診斷價值。 時域解像精度不到千分之一秒 。 放射性核的等離子放射物可能對孩子和孕婦有危險性。 保留了照相機全部平面顯像的性能 分層臟器功能觀察到臟器功能動態(tài)變化，化學物質在臟器內代謝分布、血管量的變化、腫瘤免疫及受體定位等。 SPECT的優(yōu)勢 兼具CT和核醫(yī)學兩種優(yōu)勢，較CT的容積采集信息量大 超快速、大容量的操作診斷臺，圖像掃描和圖像處理同步，并有高級圖像后處理臺 是當前唯一的一種活體生理、生化、功能、代謝信息的四維顯

12、像方式 明顯提高了病變的檢測率 價格優(yōu)勢 SPECT與PET比較 分辨率相近 衰減少 衰減修正偽差少 散射少 輻射劑量少 更合適的放射性核（半衰期更長） 價格便宜 重建算法相似 靈敏度低 噪聲大，獲取時間長 SPECT的臨床應用 早期冠心病、心肌炎、腦缺血性疾病、惡性腫瘤早期骨轉移的檢測 原發(fā)癲癇、短暫腦缺血發(fā)作，肝血管瘤分腎功能測定及一些軟組織腫塊定性心血池功能顯像和多參數(shù)分析測定 肺通氣功能、腎小球慮過率GFR和腎臟有效血流量ERPF功能測定 甲狀腺疾病的常規(guī)檢查等方面 SPECT圖像-腦部 SPECT圖像-腦部 SPECT圖像-腦部 SPECT圖像-心臟 SPECT圖像-骨骼 SPECT

13、的研究方向 動力學和示蹤劑反應動力學 傳送掃描 工業(yè)化發(fā)展 新示蹤劑 小動物系統(tǒng) 放射性核治療計劃 臨床透視 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 Term

14、s PMT: photomultiplier tube SMC: summing matrix circuit ECG: Electrocardiograph GFR: glomerular filtration rate ERPF: Effective renal plasma flow NaI 晶體 光電倍增管 準直器孔 探頭周圍鉛屏蔽 準直器固定結構 ? ? ? ? 2例癲癇患者SPECT圖像:發(fā)作間期低灌注(A圖)，發(fā)作期高灌注(B圖)。癲癇灶發(fā)作間期在SPECT上呈低灌注暗影，發(fā)作期變?yōu)楦吖嘧⒘劣啊?* * 美國菲利普三探頭ECT 迭代重建 散射校正 運動校正 分辨率補償 部分體積修正 FBP方法是把探頭采集到的二維投影數(shù)據(jù)經(jīng)過預濾波降低統(tǒng)計噪聲后，將二維投影數(shù)據(jù)反投影到預先設定的三維矩陣過程。 6 140 Sulfur Tc-99m 肝臟 78 2 90 511 Citrate FDG Ga-67 F-18 腫瘤顯象 6 62