1、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)射線成像實驗室伽瑪相機成像實驗核醫(yī)學(xué)簡介核醫(yī)學(xué)（nuclear medicine）采用放射性同位素來進行疾病的診斷、治療及研究，它是核技術(shù)與醫(yī)學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。 它可以定量無損地研究人體組織器官（心、腦、肺、腎、胃、甲狀腺等）的功能情況，以及代謝物質(zhì)或藥物在人體內(nèi)的分布和變化。 診斷核醫(yī)學(xué)可劃分為兩類：1體外診斷，將放射性核素放在試管中（in vitro）進行放射性免疫測量或活化分析；2體內(nèi)診斷，把放射性核素引入活體內(nèi)（in vivo），進行臟器功能測量或顯像。后者為當(dāng)代核醫(yī)學(xué)最主要的工作領(lǐng)域。臨床使用的放射性核素 半衰期合適。常選用半衰期為幾小時的到幾天的核素。現(xiàn)在半衰期為幾分

2、鐘的放射性核素也開始在臨床上使用。射線的種類和能力恰當(dāng)。臨床使用的射線能量一般在50500KeV之間。 產(chǎn)生的射線種類及能量單一，以減少散射和其它效應(yīng)形成的測量本底。 影像核醫(yī)學(xué)影像核醫(yī)學(xué)以放射性核素（藥物）在體內(nèi)的分布作為成像依據(jù)，反映了人體代謝、組織功能和結(jié)構(gòu)形態(tài)。 影像核醫(yī)學(xué)顯像的條件為：具有能夠選擇性聚焦在特定臟器、組織和病變的放射性核素或放射性標(biāo)記藥物，使該臟器、組織或病變與臨近組織之間達到一定的放射性濃度差；利用核醫(yī)學(xué)顯像裝置探測到這種放射性濃度差，根據(jù)需要采用合適的影像設(shè)備以一定的方式將它們顯示成像，得到的就是臟器、組織或病變的影像。 影像核醫(yī)學(xué)的特點 高靈敏度，目前已經(jīng)可測量3

3、00種以上的活體，可探測到1015109克的示蹤同位素；無創(chuàng)傷性；反映體內(nèi)的生化和生理過程；同時反映組織或臟器的形態(tài)與功能；動態(tài)觀察。它在臨床診斷和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的研究方面都具有重要意義，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。影像核醫(yī)學(xué)的探測系統(tǒng)的改進與完善影像核醫(yī)學(xué)的探測系統(tǒng)一直在不斷改進與完善中，但距臨床要求仍有一定的距離，主要問題是采集的信息量低和空間分辨率較差，需要提高靈敏度和和分辨率，以盡量少的放射性示蹤原子得到盡量高質(zhì)量的圖像，從而減少病人所受放射性劑量基礎(chǔ)上提高分辨。 目前研究的重點集中在開發(fā)新的探測材料與技術(shù)，如新的晶體與光電倍增管等，以及高速度數(shù)字化的電子線路。 目前新的發(fā)展是利用圖像融合技術(shù)，將

4、SPECT和CT，PET和CT，或PET與MRI（核磁共振）的圖像進行融合，同時得到人體的解剖圖像和功能圖像，提高對疾病的診斷能力。隨著核醫(yī)學(xué)的發(fā)展，最近提出了分子核醫(yī)學(xué)的概念，它是分子生物學(xué)與核醫(yī)學(xué)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，將對疾病發(fā)生發(fā)展機制的認(rèn)識，疾病的早期診斷與治療，發(fā)揮著重要的作用，也可能是一個革命性的變革。這些新進展，包括應(yīng)用PET進行基因顯像（imaging gene expression in vivo with PET）；應(yīng)用111In進行C-mycmRNA反義顯像，并大力發(fā)展分子顯像探針。 XCT。由于X光機只能把人體內(nèi)部形態(tài)投影在二維平面上，因此會引起成像器官的前后重疊，造成影像

5、模糊。為了克服這一缺點，有人把計算機技術(shù)應(yīng)用進來，建立了X射線計算機斷層圖像重建技術(shù)（X Computal Tomography簡稱XCT）。XCT是利用圍繞人體的臟器掃描時得到的大量X射線吸收數(shù)據(jù)來重建人體的臟器的斷層圖像的。XCT除廣泛應(yīng)用于臨床診斷外，在工業(yè)方面也有重要應(yīng)用，如無損檢測工業(yè)CT。ECT。除了XCT外，還有一種稱為ECT的發(fā)射性計算機斷層成像方法。它與XCT的不同之處是XCT的射線源在成像體的外部，而ECT的射線源在成像體的內(nèi)部。ECT成像是先讓人體接受某種放射性藥物，這些藥物聚集在人體某個器官種或參與體內(nèi)某種代謝過程，再對臟器組織中的放射性核素的濃度分布進行成像。因此，利

6、用ECT不僅可得到人體的解剖圖像，還可得到生理，生化，病理過程及功能圖像。目前的ECT包括三種成像裝置：照相機，SPECT和PET。照相機(Anger照相機)。一次成像的照相機擅長快速的動態(tài)顯像，它可以輸出動態(tài)的二維平片（planar），它是核醫(yī)學(xué)最常用的成像設(shè)備。它主要由探測器（包括準(zhǔn)直器，閃爍晶體，光電倍增管等），電子學(xué)讀出系統(tǒng)和圖像顯示記錄裝置等幾部分組成 。 SPECT。SPECT（Single Photon Emission Computerized Tomography）是單光子發(fā)射計算機斷層照相的簡稱，它以發(fā)射體為成像對象，其探測光子的原理和照相機相同。它是在照相機的基礎(chǔ)上發(fā)展起

7、來的。目前大多采用橫向斷層掃描，即斷層面與人體軸垂直，將一個或兩個照相機探頭繞人體軸連續(xù)或分度旋轉(zhuǎn)一周，將探頭從多角度上得到的連續(xù)的二維投影數(shù)據(jù)重建后即可得到橫斷面的圖像。 PET。正電子發(fā)射計算機斷層掃描（Positron Emission Computerized Tomography,簡稱PECT或PET）是目前最先進的醫(yī)療診斷設(shè)備。當(dāng)人體內(nèi)含有發(fā)射正電子的核素時，正電子在人體中很短的路程內(nèi)（小于幾mm）即可和周圍的負(fù)電子發(fā)生湮滅而產(chǎn)生一對光子，這兩個光子的運動方向相反，能量均為0.511MeV，因此，用兩個位置相對的探測器分別探測這兩個光子，并進行符合測量即可對人體的臟器成像。 國內(nèi)核

8、醫(yī)學(xué)還存在以下問題: 1.地區(qū)發(fā)展不平衡2.人才素質(zhì)尚不高,基礎(chǔ)與臨床研究以 仿造跟蹤為主，缺乏創(chuàng)新性 3.核醫(yī)學(xué)儀器國產(chǎn)化不足(如SPECT 國內(nèi)350臺全部進口)。 相機的一般組成照相機是記錄和顯示成像物體中射線活度分布的一個照像系統(tǒng)，它包括：（1） 含有某種特定的示蹤的放射性核素的被成像的物體。 （我們用的是模擬臟器和點源）（2） 類似于普通相機透鏡的準(zhǔn)直器系統(tǒng)。準(zhǔn)直器系統(tǒng)由對有強吸收的材料（例如鉛，鎢等）做成。 3） 成像記錄系統(tǒng)。它類同于普通照相機的感光膠片。我們用的相機的示意圖實驗原理從源發(fā)出的經(jīng)過準(zhǔn)直孔的射線投射到成像記錄系統(tǒng)相應(yīng)的區(qū)間, 射線被在該區(qū)間內(nèi)的閃爍晶體吸收，并轉(zhuǎn)換成

9、與能量沉積成比例的熒光光子數(shù)，光子在閃爍體上傳播，最后投射到位置靈敏光電倍增管上。將光電倍增管讀出的信號通過在線數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，計算出該事件在閃爍晶體內(nèi)的作用位置（x,y 坐標(biāo)），然后將該像點的坐標(biāo)再通過準(zhǔn)直器還原到物面上的射線發(fā)射點所在的區(qū)間的坐標(biāo)，因此成像記錄系統(tǒng)呈現(xiàn)的正是物體的射線發(fā)射區(qū)間的分布。 柵網(wǎng)型位置靈敏光電倍增管倍增極的電極構(gòu)造及電子軌跡圖它和通常的光電倍增管不同的是電子倍增器用柵網(wǎng)狀倍增極做成，且有二次電子發(fā)射的微細(xì)結(jié)構(gòu)，各極間二次電子的飛行空間很小。由光陰極發(fā)射的光電子在倍增極間倍增（整體增益在105以上），再由末極倍增極（反射型）反射出來的二次電子用兩層交叉的絲型陽極（十字

10、絲網(wǎng)型陽極）讀取。另外，為使光陰極和第一倍增極間光電子擴展減小，做成近貼型構(gòu)造。R2486-05型光電倍增管的倍增極有12級，在工作電壓1250V時，電流增益可達105以上 。它的陽極絲數(shù)為16(X)16(Y)，從末極倍增極發(fā)射的電子群打到、兩個方向的絲狀陽極上，沿X1 、 X2 、 Y1 、Y2方向分流。陽極用電阻回路連接起來，以電子到達十字型絲狀陽極相應(yīng)位置分流。再通過加、減和除運算電路，經(jīng)模/數(shù)（A/D）變換后，得到相應(yīng)的X、Y信號和能量信號E：X=(X1-X2)/( X1+X2)Y=(Y1-Y2)/( Y1+Y2)E= X1+X2+ Y1+Y2數(shù)字圖象處理的基本概念 圖象一般指外界景物

11、在底片上的成象，也叫圖片。象素是圖象的最小組成單位，也叫象元。各個象元是按照行和列整齊排列的。如圖所示。圖中第一行第一列的象素為f11，第二列象素為f12,第二行第一列的象素為f21，第二列的象為素f22。因此，在數(shù)字?jǐn)?shù)字圖像處理中，我們用f(i,j)來表示這幅圖像。在數(shù)字圖像中各個像素所具有的明暗程度是由一個稱為灰度值（gray level）的數(shù)字所標(biāo)識的。 任何一幅用這個灰度表示記錄的圖像，它的每一個像素的灰度值都是由0N之間的某一個數(shù)字標(biāo)定的。N一般為256，也可為512。在用二維連續(xù)函數(shù)f(i,j)來描述的圖像中，(i,j)是圖像平面上任意一個二維坐標(biāo)點，f指出該點顏色的深淺（即灰度值

12、）。 所以在把一幅圖像記錄進文件時，必須同時記錄下各像素在矩形點陣中的位置及該像素的灰度值。但是實際上我們可以利用各像素在文件中的記錄位置了暗示其在圖像點陣中的位置，這樣就可以省去記錄像素位置坐標(biāo)的數(shù)據(jù)量，而各像素的數(shù)據(jù)只用來記錄其灰度值。但是文件中的數(shù)據(jù)只能以一維方式記錄，而圖像點陣是二維的。為了用一維形式記錄二維圖像，通常采用的辦法是將各行像素的首尾相連。例如，在一個存儲一幅nm圖像的數(shù)據(jù)文件中，它的nm個像素數(shù)據(jù)是這樣排列的：最初的n個數(shù)據(jù)分別對應(yīng)于圖像第一行從左到右n個像素；第n+1到第2n個數(shù)據(jù)分別對應(yīng)于圖像第二行從左到右n個像素，等等。如此類推，最后的n個數(shù)據(jù)分別對應(yīng)圖像第m行從左

13、到右n個像素。 實驗?zāi)康暮鸵?(1) 掌握射線與物質(zhì)相互作用的基本理論。學(xué)會利用本實驗提供的計算機軟件系統(tǒng)。 (2) 學(xué)會在相機實驗臺上，對相機成像性能進行實驗研究。（3）理解影響相機性能的關(guān)鍵因素，及掌握如何控制這些關(guān)鍵因素。(特別是壓縮效應(yīng)的理解和研究)相機實驗儀器和設(shè)備(a) 射線源：作為相機要拍照的參照物，放射源有Am-241 類點源和I-131 臟器模擬源 。(b) 準(zhǔn)直器: 是由圓柱狀的鉛體加工而成的小孔陣列，其參數(shù)是 a=21mm， d=2mm，t=3mm， 其焦距 h=5mm。(c) 閃爍晶體：碘化鈉晶體NaI(Tl)。(d) 位置靈敏光電倍增管 R2486-05 及其供電電

14、源。(e) 數(shù)據(jù)獲取及實時處理系統(tǒng)。實驗內(nèi)容（1） 用 A m-241 線束沿著相機的像平面測9個像點，像點之間的距離是6mm，標(biāo)定該相機。觀察其能譜和所成的像點。（2）研究空間分辨和非線性效應(yīng)。（3）對模擬臟器源進行成像，得出兩源之間的距離。實驗步驟1 檢查高低電源線路是否接好。將負(fù)低壓（12V）開關(guān)打開，高壓調(diào)至910V。2 檢查計算機數(shù)據(jù)接口是否連上。3 開計算機，點“快捷camera”，進入數(shù)據(jù)獲取及實時處理系統(tǒng)。4 點“能量測量”，出現(xiàn)“能量譜”窗口。移動紅黃二線調(diào)節(jié)上下閾位置，一般取峰左右半高寬處。5 保存能譜數(shù)據(jù)。6 點“靜態(tài)測量”，出現(xiàn)128128靜態(tài)圖像窗。進行圖像“采集”。7數(shù)據(jù)采集完畢后，保存圖像數(shù)據(jù)。8換臟器模擬源后重復(fù)以上過程。9實驗完畢后，先退高壓，在退低壓，最后關(guān)電源。進入處理系統(tǒng)選定上下閾采集靜態(tài)圖像射線成像圖形顯示實驗數(shù)據(jù)處理和分析1計算出能量分辨率2作出位置響應(yīng)曲線3求出空間分辨率4算出模擬臟器源之間的距離一個典型的能譜及其高斯擬合一個典型入射點的空間響應(yīng)能量分辨率的計算對