技术动态核医学影像设备的进展
技术动态核医学影像设备的进展
中国医学科学院中国协和医科大学肿瘤医院 (北京100021)
吴文凯
内容提要 核医学影像以放射性核素(药物)在体内的分布作为成像依据，反映人体代谢、组织功能和结构形态。50年代初问世的直线型扫描机开创了核医学影像的历史，发展到现在的伽玛相机(γ相机)、单光子发射计算机断层(SPECT)、正电子发射计算机断层(PET)和具有正电子功能的SPECT，经历了半个世纪。近几年又出现了打破安格(Anger)型γ相机格局的半导体γ相机，给核医学影像设备注入了新的生命力。核医学影像设备的进展，特别是PET的应用，为分子核医学奠定了坚实的基础，使核医学确立了在临床医学和基础医学中的重要地位，成为现代医学的分支。
关键词：核医学影像；伽玛相机；单光子发射计算机断层；正电子发射计算机断层
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1 什么是核医学
核医学是由临床核医学、放射药物学和核探测设备三部分组成，利用放射性核技术进行诊断和治疗疾病的学科。由于放射性核素具有标记和示踪作用，因此，它又在基础研究领域得到普遍的应用，并随着放射性药物和计算机技术的发展而发展。它是一门体现了高科技的边缘科学，具有明显的现代医学特征。它可以定量无损地研究人体组织器官(心、脑、肺、肾、胃、甲状腺等)的功能情况，以及代谢物质或药物在人体内的分布和变化。由于核医学方法的灵敏性、特异性和示踪性，在基础科研领域有助于人们深入研究生物体内各种极复杂的理化过程。生物体细胞内的各种理化代谢过程构成了生命的物质基础，揭开这些奥秘对研究疾病的病因，特别对心脑疾病和癌症的研究有很大帮助。核医学这些不可替代的作用和功能，确立了它在临床医学和基础医学中的重要地位，并成为现代医学的分支。
2 核医学影像诊断的特点
核医学影像与X射线、超声和磁共振成像不同，后者主要以物体密度变化为参数(磁共振还以弛豫时间为参数)，形成解剖形态的图像。这样的图像因为直观而易于被人们接受。核医学影像是以放射性核素(药物)在体内的分布作为成像依据，反映人体代谢、组织功能和结构形态。不同的放射性核素标记药物针对不同疾病、不同的组织器官、不同的病变，具有很强的特异性。因此，核医学影像可以用于对人体疾病的发生和组织功能改变的早期诊断。例如，全身骨显像对肿瘤骨转移的诊断比X射线影像提前3个月左右。核医学影像在冠心病和心肌梗塞的早期诊断中，至今仍处于领先地位。几乎人体所有组织器官都可以做核医学影像检查，在诊断心、脑、肿瘤三大高发、疑难疾病中更具有优势。据报道，在美国300张床位规模的医疗机构，必须具备核医学影像检查的能力。我国卫生部规定大型医院必技术动态须有核医学影像设备才有评定三级甲等医院的资格。
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核医学影像是通过探测放射性核素衰变时的幅射能量进行成像。放射性核素的衰变是随机的，它的发生有统计涨落。这一特点决定了它的影像分辨率远不如CT和MRI。另外，很多核医学影像的放射性药物都参与功能和代谢分布，成像时表现了很强的功能特征，但缺乏明显的解剖参照。这一特点容易使已习惯了从解剖学思维诊断疾病的医生们产生困惑。近年来由于计算机网络技术的发展，人们采用图像融合技术把核医学影像与CT或MRI影像对位叠加，取得相互弥补的效果。
3 核医学影像设备的发展
核医学影像设备是指探测并显示放射性核素药物(俗称同位素药物)体内分布图像的设备，具有代表性的是伽玛相机(γ相机)。核医学影像的探测首先是对核射线的探测，在核医学影像中的核射线主要指γ射线。对γ射线的探测实际上是把射线能量转变为便于量度的化学能、光能或电能。最早的核医学探测设备是γ计数器，它诞生于40年代，只具备记录射线计数的功能。虽然γ计数器并不能形成图像，但它是核探测的重要部分，它在核探测的应用中改进了射线探测技术。早期的探测器使用脉冲电离室探测器(卤素管、钟罩管、盖革计数管)，对γ射线探测灵敏度低。50年代使用光电倍增管的闪烁探头代替电离室探测器。闪烁探头由闪烁晶体和光电倍增管组成，现在用得最多的是碘化钠(铊)〔NaI(T1)〕闪烁晶体。闪烁探头的使用大大提高了γ射线的探测效率，并拓宽了探测γ射线的能量范围，为核医学影像探测打下基础。
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功能仪的出现是核医学探测设备的又一进展。它能动态地记录放射性核素的“时间———计数”关系。功能仪以曲线的形式表现人体肾、脑、心和肺稀释等功能状况。它通常以双探头、三探头或多探头的方式进行测量。虽然功能仪不能表现影像，但它已具有图形功能。
既然放射性药物在体内具有特异性分布，随着脏器功能的变化或病变的存在，这些药物在体内会浓聚(阳性显像)或缺损(阴性显像)。据此，临床诊断时希望直接看到药物分布的图像。50年代中期，能够打印核医学影像的直线型扫描机问世。扫描机是小直径的碘化钠晶体、单个光电倍增管和准直器组成的小口径探头作S形机械扫描，把扫描区域中测得的各点计数以疏密浓淡(黑白)或色彩的变化显示出影像。它的出现使核医学步入了医学影像领域，极大地拓宽了核医学临床应用的价值，确立了它在医学领域的地位。扫描机用小口径探头，通过机械扫描的方式进行图像采集，所得图像的分辨率、均匀性和灵敏度都不理想。特别因为机械运动的限制，无法进行动态影像采集。为了提高成像性能，弥补扫描机的缺点，人们采用大直径闪烁晶体和多个光电倍增管组成探头采集图像，扩大了实时采集范围，大大提高了成像性能。这就是核医学影像设备沿用至今的γ相机。γ相机采用了多光电倍增管的大视野探头，使以前靠探头机械运动完成的多点多行区域影像采集得以一次完成，它的各项性能指标都有很大提高。现在一般的γ相机有效视野(UFOV)固有积分均匀性(IntrinsicIntegralUnifor-mity)为±5～±10%；半高宽固有空间分辨率(FWHM，IntrinsicSpatialResolution)为5～7mm；固有能量分辨(IntrinsicEnergyResolution)为10～11%，远远优于扫描机的性能。更重要的是γ相机可以进行实时动态影像采集，辅以计算机处理可以获得人体器官的动力学定量指标。在计算机控制下γ相机探头或扫描床作机械移动，可以进行技术动态全身扫描采集，全身骨扫描就是其应用之一。随着60～70年代计算机技术的发展，物理学家们用γ相机探头旋转后进行三维空间的影像采集，采集后的影像应用反向投影和付里叶滤波重建技术获得放射性核素在体内分布的三维断层影像，这就是单光子发射计算机断层(SPECT)设备。
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4 γ相机和SPECT
γ相机是核医学影像设备中最基本、最实用，而且最重要的一种，我们有必要进一步对它做详细的介绍。SPECT以平面成像γ相机为基础加上探头的机械转动，从而增加了断层功能，因此它仍然归在γ相机的范畴。我国目前约有γ相机90台左右，这个数字目前略呈减少的趋势。我国目前SPECT接近300台，近几年平均以10%年增长率递增。随着临床的需要，双探头SPECT和具有511keV高能正电子断层功能的SPECT已在我国投入使用。
4.1 γ相机探头的改进
γ相机主要由三部分组成：探头部分、信号处理电路和数字图像处理系统(计算机)，随着计算机技术的发展，后两部分有合而为一的趋势。探头是γ相机最主要部分，它决定了整个系统的性能指标。探头主要由光电倍增管、碘化钠晶体和准直器构成。在探头部分配置了维持探头正常工作的电子线路，如：维持光电倍增管工作的高压电源、电子信号的前置放大电路、确定接受射线的位置坐标的X、Y定位电路等。准直器虽然只是铅质，多孔的探头前端的覆盖物，但它决定了γ相机的系统均匀性、分辨率、灵敏度等重要性能指标，是探头的很重要的组成部分。因为碘化钠晶体价格昂贵，又脆弱易碎，经不起机械撞击和挤压，经不起±2℃的温度变化，铅制的准直器又成为它的最好的保护层。早期的探头受工艺限制大多数为圆形，视野也小(有效直径约350mm)。为了适应早期(60～70年代)使用的放射性药物的能量(如364keV的碘-131、410keV的金-198等)，所用的晶体较厚(>1.27cm)。厚晶体增加了中、高能量的灵敏度，却降低了固有分辨率，因此，早期γ相机的性能不甚理想。随着锝-99m(99mTc)放射性核素的广泛应用，金-198、碘-131等中高能放射性核素已基本不在γ相机上使用，使γ相机的晶体有可能减薄，现在大多采用厚度为0.95cm的晶体。随之探头视野增大，更多的γ相机采用有效视野(U-FOV)为500×400mm的矩形探头，光电倍增管由开始的十余只增加到数十只，甚至近百只，准直器由针孔型、平行孔型、扩散孔型又增加了扇型准直器。这些改进或进展使γ相机的系统性能指标得到较大提高。受放射线内照射的安全性和射线存在统计涨落特性的限制，核医学影像设备无法获得足够的信息量，这些因素形成了对γ相机性能提高的制约。为弥补这一先天不足，γ相机增加了能量校正、线性校正和均匀性校正。70年代的γ相机通过硬件完成这些校正，而现在则全部由计算机软件完成这些工作。全数字化的γ相机探头只要经过一次模型校正之后，不用每天重复进行这些人工校正操作，校正可由软件和数字化线路自动完成。一台性能优良的数字化γ相机(SPECT)的主要平面性能指标可达：固有能量分辨约9.5%；固有积分均匀性：有效视野内约±3.5%，中心视野内约±2.5%；固有微分均匀性约±2%；固有分辨率约FWHM＝3.5mm；绝对固有线性约0.5mm；最大计数率>300K计数/s。SPECT各项断层的性能指标约比平面指标降低10%。
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提高γ相机性能的关键是增加它采集的信息量，特别是断层采集。为此，设计了双探头、三探头和类似CT的环状多探头SPECT。它们增加了单位时间的信息量，提高了系统的分辨率，但也增加了设备的成本。环状多探头SPECT因其性能价格比偏高而较少采用。双探头SPECT因其在系统分辨率提高的同时，还能增加511keV正电子成像功能，因而备受国内用户青睐。我国双探头SPECT由1996年的20台增加到现在的50余台。
4.2 数字图像处理系统的进展
数字图像处理由计算机和配套软件包完成，它首先完成原始数据采集，然后根据临床需要进行图像处理，最后进行存档。原始数据采集分为：静态、动态、全身、断层和正电子采集五大类。静态采集是在一段较长的时间间隔内采集一帧静止的图像，主要是获取定性形态图像，这是γ相机最基本的采集方式。动态采集是把整段采集时间根据示踪剂(放射性药物)变化情况分成若干时间间隔，在各个时间间隔内采集一帧图像，从而获得一组与时间有关的动态图像。这组图像不仅表现被测脏器在某一瞬间的形态，而且通过计算机的处理可以得到感兴趣区域的“时间-放射性计数”曲线，从曲线可计算出各种临床需要的定量指标。肾功能、脑血流、胃排空、肺稀释等测定都是通过动态采集进行的。动态采集时还可加上生物信号的控制，实现门控采集。心电门控(ECGGated)采集是最常用的生物信号控制采集。动态采集主要获取脏器功能信息或指标，这是核医学影像优于其他医学影像的特点。全身采集是通过探头(或床)的移动扩大图像采集范围，最常用的是全身骨扫描。全身骨扫描是检查癌症患者是否发生骨转移的有效方法，通常它比其他检查方法提前2～3个月发现骨转移病灶，为进一步治疗争取了宝贵的时间。目前全身骨扫描占全部核医学影像检查的40～60%之多，由此可见它的重要性。断层采集是通过探头绕人体旋转进行的，单探头的SPECT要求旋转至秒180°。采集时把整个旋转范围分成相同的角度间隔，各间隔采集一帧等时间的图像，最终获得一组不同方位的原始图像供计算机进行三维断层重建。断层采集可以加上生物信号控制后获得门控断层影像，也可以采用滑环式探头高速旋转获得动态断层影像。断层影像与平面影像相比提高了深部靶器官与周围本底的对比度，有利于病变的早期发现和准确的容积定量。为了使断层定量更精确，同时减少因衰减效应带来的重建伪影，新型的SPECT在探头对侧增加了透射源，由计算机完成穿透衰减校正(TransmissionAttenuationCorrection)，使断层衰减校正更符合实际情况。
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经过数据处理的原始采集数据可以用多种方式显示：黑白或彩色图像显示、曲线或直方图显示、各种定量数据的显示、三维层面显示、电影显示和三维立体显示。功能强大的计算机工作站除了完成各种信息的储存和文件管理外，还可进行影像的网络通讯，接收CT、MRI等其他医学影像。接收CT和MRI影像后，经过对位融合技术，把表现功能特性的核医学影像与高分辨、解剖定位明确的CT或MRI影像叠加(融合)，从而弥补核医学影像信息量不够，分辨率差和解剖定位困难等缺陷。
5 正电子发射计算机断层(PET)
80年代末期，PET终于结束了它漫长而艰辛的实验室研究阶段，获准以商品形式进入临床。它一投入临床使用，就以独特的性能在脑、心脏和肿瘤等疾病的诊断中显示出优势。90年代在发达国家，如美国、日本、德国等相继建立了近百个PET影像中心。据大量文献报道，PET在心肌功能测定、肿瘤性质鉴别、脑功能检测等方面的临床价值，使核医学进入了分子核医学的新阶段。
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5.1 PET成像原理
正电子放射性核素如：11C、13N、15O、18F等湮没辐射时产生511keVγ光子对，这对光子发射方向互为180°。PET就是利用了光子对的这个特性，在180°的两个方向分别接收，通过符合线路进行射线真伪的识别。只有在互成180°的直线上相对的探测器同时接收到光子信号时，此闪烁事件才被认为有效。电子符合线路代替了笨重的铅准直器，提高了探测灵敏度和图像分辨率。C、N、O、H是人体组织中重要的组成元素。因此，用11C、13N和15O等正电子放射性核素标记人体的生物物质(如氨基酸、脂肪和糖等)进行生物代谢研究。这类标记药物的代谢途径与天然代谢物质完全相同，成为优良的生物放射性核素。18F的化学特性有与H相似之处，它可以取代H标记脱氧葡萄糖(FDG)进行葡萄糖代谢的研究。由于PET图像显示标记了正电子放射性核素的代谢物质在组织中的分布，因此，它反映了人体靶器官中的生化变化和动态代谢过程。人体组织生化的代谢的改变通常比组织形态的改变要早得多，这就形成了PET在心脏、脑和肿瘤病变中早期诊断的优势。
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5.2 PET的组成
PET由探头(及机架)、电子线路和计算机系统组成。计算机接收采集和图像处理的指令，完成对探头和床机械运动的控制，对采集的信号进行处理，重建三维断层图像。这些与SPECT没有太大区别。PET的探头与SPECT不同，虽然也是由晶体和光电倍增管组成，但要复杂、昂贵得多。由于PET只接收高能511keV的光子对，NaI(T1)晶体的响应效率已不适用，现在都采用锗酸铋(BGO)晶体，它对511keV的响应效率较高。为了便于光子对的接收，PET探头排列成环状。为了增加采集层面(范围)，多采用多环探测器。为了降低探头的成本，一块晶体通过刻槽做成4～8个探头，每块晶体附着1～5个光电管，探头与光电管的附着比为1～8个探头/1个光电管，各探头信号通过编码器确定。共有1000～3500个探头分布在3～16个环上，最多做成32个环。为获得最佳空间取样，有的系统让探头环架绕被检物周围偏心轨迹摆动(Wobble摆动)，使获取的符合线增加，提高信息采集量。因为衰减校正直接影响PET成像和定量分析的准确，PET增加了特殊要求的衰减校正透射活性环，活性环中置有透射采集用的放射性核素，在给被检者注射正电子核素标记药物之前，先进行透射采集，得到被检者各部位的衰减系数，供正电子图像采集和重建时进行衰减校正。
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5.3 双探头SPECT增加正电子成像功能
PET性能优异，越来越受临床的欢迎，但是它价格昂贵，一般医院难以承受。随着18F发生器的应用，以及18F标记的脱氧葡萄糖对肿瘤性质鉴别和心肌功能检测的临床价值的证实，促使人们努力地寻找廉价的正电子成像方法。早在50年代就有人用双探头扫描机进行正电子扫描的试验，由于受当时条件的限制，这种方法无法用于临床。现在双探头SPECT系统已具备很高的灵敏度和分辨率，具备了外透射衰减校正的功能，已配备了功能强大的计算机工作站。这一切为增加正电子成像功能奠定了基础。90年代中期已成功地将SPECT正电子成像用于临床。
5.3.1 超高能准直成像
SPECT正电子成像有两种方式：超高能准直成像(UHECImaging)和电子符合成像(CoindeImaging)。正电子核素发射光子对的能量是511keV，当SPECT配上超高能准直器(UHEC)，并将能量响应扩大至511keV，就能进行正电子图像采集。UHEC比通常准直器重得多，它的厚度为80mm，孔径4mm，孔壁2.5mm，孔壁穿透率为4%，重量达135kg。它有使用简单、配置费用较低等优点，工作时除了增加笨重的准直器外几乎与普通SPECT无大区别。但其缺点是灵敏度较低，分辨率不够理想，必须使用较大剂量的正电子药物。
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5.3.2 电子符合成像
电子符合成像是采用PET成像的光子准直原理，取消了UHEC的使用，使其性能与PET相接近。它在断层图像重建方面基本与普通SPECT相同。它的主要矛盾焦点在晶体上。普通SPECT的NaI(T1)晶体厚度为0.95cm，适合99mTc(140keV)能量，对511keV正电子核素的探测效率就降低不少。为此，把晶体厚度增加到1.59cm，实验证实，虽然晶体增厚使低能分辨率略有降低，但却可以在保持正电子采集分辨率的同时提高了正电子采集灵敏度，并且对低能灵敏度的影响不大。SPECT电子符合成像的灵敏度和分辨率指标都远优于UHEC成像，它对18F探测分辨率FWHM约为5～6mm，可探测<2cm的肿瘤。
现在还有采用双层材料的复合晶体。外层用硅酸钇(YSO)，它适合<300keV的放射性核素；内层用硅酸镥(LSO)，它适合511keV的正电子核素。这种晶体因为价格偏高尚未被广泛使用。
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6 半导体探头γ相机
前面介绍的γ相机都是基于安格(Anger)型格局的，它经历了研制、应用和完善的漫长历程，似乎已达到了性能极限。人们正在尝试设计一种摆脱晶体和光电倍增管的全新系统。半导体探测器就是一种轻便而高灵敏的元件，早在60年代就有人使用。只是由于无法克服它温度漂移的缺点，几经试验又不得不放弃。1996年正式报道具有临床使用价值的商品化半导体探头问世，1997年在英特网上已提供半导体探头γ相机的商品，1998年已获得美国FDA许可证。它的探头材料是碲化镉锌(CZT)，140keV的能量分辨小于8%，最大计数率达500K计数/s，它具有良好的511keV探测特性，适合室温操作，并有很高的稳定性。该相机有效视野为21.6×21.6cm(有报道可用2.54×2.54cm的半导体探头组成任意尺寸的视野)，整机为147×75×103cm，非常轻巧、简便。英特网上不但展示了相机的实物相片，还有与Anger型γ相机对比的临床图像，同一乳腺癌患者的影像，普通γ相机未见浓聚，半导体γ相机能清晰地显示出乳腺肿物的浓聚。我们期待着全新的核医学影像设备的成熟和普及。
(收稿日期：1998—12—20), 百拇医药
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内容提要 核医学影像以放射性核素(药物)在体内的分布作为成像依据，反映人体代谢、组织功能和结构形态。50年代初问世的直线型扫描机开创了核医学影像的历史，发展到现在的伽玛相机(γ相机)、单光子发射计算机断层(SPECT)、正电子发射计算机断层(PET)和具有正电子功能的SPECT，经历了半个世纪。近几年又出现了打破安格(Anger)型γ相机格局的半导体γ相机，给核医学影像设备注入了新的生命力。核医学影像设备的进展，特别是PET的应用，为分子核医学奠定了坚实的基础，使核医学确立了在临床医学和基础医学中的重要地位，成为现代医学的分支。
关键词：核医学影像；伽玛相机；单光子发射计算机断层；正电子发射计算机断层
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1 什么是核医学
核医学是由临床核医学、放射药物学和核探测设备三部分组成，利用放射性核技术进行诊断和治疗疾病的学科。由于放射性核素具有标记和示踪作用，因此，它又在基础研究领域得到普遍的应用，并随着放射性药物和计算机技术的发展而发展。它是一门体现了高科技的边缘科学，具有明显的现代医学特征。它可以定量无损地研究人体组织器官(心、脑、肺、肾、胃、甲状腺等)的功能情况，以及代谢物质或药物在人体内的分布和变化。由于核医学方法的灵敏性、特异性和示踪性，在基础科研领域有助于人们深入研究生物体内各种极复杂的理化过程。生物体细胞内的各种理化代谢过程构成了生命的物质基础，揭开这些奥秘对研究疾病的病因，特别对心脑疾病和癌症的研究有很大帮助。核医学这些不可替代的作用和功能，确立了它在临床医学和基础医学中的重要地位，并成为现代医学的分支。
2 核医学影像诊断的特点
核医学影像与X射线、超声和磁共振成像不同，后者主要以物体密度变化为参数(磁共振还以弛豫时间为参数)，形成解剖形态的图像。这样的图像因为直观而易于被人们接受。核医学影像是以放射性核素(药物)在体内的分布作为成像依据，反映人体代谢、组织功能和结构形态。不同的放射性核素标记药物针对不同疾病、不同的组织器官、不同的病变，具有很强的特异性。因此，核医学影像可以用于对人体疾病的发生和组织功能改变的早期诊断。例如，全身骨显像对肿瘤骨转移的诊断比X射线影像提前3个月左右。核医学影像在冠心病和心肌梗塞的早期诊断中，至今仍处于领先地位。几乎人体所有组织器官都可以做核医学影像检查，在诊断心、脑、肿瘤三大高发、疑难疾病中更具有优势。据报道，在美国300张床位规模的医疗机构，必须具备核医学影像检查的能力。我国卫生部规定大型医院必技术动态须有核医学影像设备才有评定三级甲等医院的资格。
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核医学影像是通过探测放射性核素衰变时的幅射能量进行成像。放射性核素的衰变是随机的，它的发生有统计涨落。这一特点决定了它的影像分辨率远不如CT和MRI。另外，很多核医学影像的放射性药物都参与功能和代谢分布，成像时表现了很强的功能特征，但缺乏明显的解剖参照。这一特点容易使已习惯了从解剖学思维诊断疾病的医生们产生困惑。近年来由于计算机网络技术的发展，人们采用图像融合技术把核医学影像与CT或MRI影像对位叠加，取得相互弥补的效果。
3 核医学影像设备的发展
核医学影像设备是指探测并显示放射性核素药物(俗称同位素药物)体内分布图像的设备，具有代表性的是伽玛相机(γ相机)。核医学影像的探测首先是对核射线的探测，在核医学影像中的核射线主要指γ射线。对γ射线的探测实际上是把射线能量转变为便于量度的化学能、光能或电能。最早的核医学探测设备是γ计数器，它诞生于40年代，只具备记录射线计数的功能。虽然γ计数器并不能形成图像，但它是核探测的重要部分，它在核探测的应用中改进了射线探测技术。早期的探测器使用脉冲电离室探测器(卤素管、钟罩管、盖革计数管)，对γ射线探测灵敏度低。50年代使用光电倍增管的闪烁探头代替电离室探测器。闪烁探头由闪烁晶体和光电倍增管组成，现在用得最多的是碘化钠(铊)〔NaI(T1)〕闪烁晶体。闪烁探头的使用大大提高了γ射线的探测效率，并拓宽了探测γ射线的能量范围，为核医学影像探测打下基础。
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功能仪的出现是核医学探测设备的又一进展。它能动态地记录放射性核素的“时间———计数”关系。功能仪以曲线的形式表现人体肾、脑、心和肺稀释等功能状况。它通常以双探头、三探头或多探头的方式进行测量。虽然功能仪不能表现影像，但它已具有图形功能。
既然放射性药物在体内具有特异性分布，随着脏器功能的变化或病变的存在，这些药物在体内会浓聚(阳性显像)或缺损(阴性显像)。据此，临床诊断时希望直接看到药物分布的图像。50年代中期，能够打印核医学影像的直线型扫描机问世。扫描机是小直径的碘化钠晶体、单个光电倍增管和准直器组成的小口径探头作S形机械扫描，把扫描区域中测得的各点计数以疏密浓淡(黑白)或色彩的变化显示出影像。它的出现使核医学步入了医学影像领域，极大地拓宽了核医学临床应用的价值，确立了它在医学领域的地位。扫描机用小口径探头，通过机械扫描的方式进行图像采集，所得图像的分辨率、均匀性和灵敏度都不理想。特别因为机械运动的限制，无法进行动态影像采集。为了提高成像性能，弥补扫描机的缺点，人们采用大直径闪烁晶体和多个光电倍增管组成探头采集图像，扩大了实时采集范围，大大提高了成像性能。这就是核医学影像设备沿用至今的γ相机。γ相机采用了多光电倍增管的大视野探头，使以前靠探头机械运动完成的多点多行区域影像采集得以一次完成，它的各项性能指标都有很大提高。现在一般的γ相机有效视野(UFOV)固有积分均匀性(IntrinsicIntegralUnifor-mity)为±5～±10%；半高宽固有空间分辨率(FWHM，IntrinsicSpatialResolution)为5～7mm；固有能量分辨(IntrinsicEnergyResolution)为10～11%，远远优于扫描机的性能。更重要的是γ相机可以进行实时动态影像采集，辅以计算机处理可以获得人体器官的动力学定量指标。在计算机控制下γ相机探头或扫描床作机械移动，可以进行技术动态全身扫描采集，全身骨扫描就是其应用之一。随着60～70年代计算机技术的发展，物理学家们用γ相机探头旋转后进行三维空间的影像采集，采集后的影像应用反向投影和付里叶滤波重建技术获得放射性核素在体内分布的三维断层影像，这就是单光子发射计算机断层(SPECT)设备。
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4 γ相机和SPECT
γ相机是核医学影像设备中最基本、最实用，而且最重要的一种，我们有必要进一步对它做详细的介绍。SPECT以平面成像γ相机为基础加上探头的机械转动，从而增加了断层功能，因此它仍然归在γ相机的范畴。我国目前约有γ相机90台左右，这个数字目前略呈减少的趋势。我国目前SPECT接近300台，近几年平均以10%年增长率递增。随着临床的需要，双探头SPECT和具有511keV高能正电子断层功能的SPECT已在我国投入使用。
4.1 γ相机探头的改进
γ相机主要由三部分组成：探头部分、信号处理电路和数字图像处理系统(计算机)，随着计算机技术的发展，后两部分有合而为一的趋势。探头是γ相机最主要部分，它决定了整个系统的性能指标。探头主要由光电倍增管、碘化钠晶体和准直器构成。在探头部分配置了维持探头正常工作的电子线路，如：维持光电倍增管工作的高压电源、电子信号的前置放大电路、确定接受射线的位置坐标的X、Y定位电路等。准直器虽然只是铅质，多孔的探头前端的覆盖物，但它决定了γ相机的系统均匀性、分辨率、灵敏度等重要性能指标，是探头的很重要的组成部分。因为碘化钠晶体价格昂贵，又脆弱易碎，经不起机械撞击和挤压，经不起±2℃的温度变化，铅制的准直器又成为它的最好的保护层。早期的探头受工艺限制大多数为圆形，视野也小(有效直径约350mm)。为了适应早期(60～70年代)使用的放射性药物的能量(如364keV的碘-131、410keV的金-198等)，所用的晶体较厚(>1.27cm)。厚晶体增加了中、高能量的灵敏度，却降低了固有分辨率，因此，早期γ相机的性能不甚理想。随着锝-99m(99mTc)放射性核素的广泛应用，金-198、碘-131等中高能放射性核素已基本不在γ相机上使用，使γ相机的晶体有可能减薄，现在大多采用厚度为0.95cm的晶体。随之探头视野增大，更多的γ相机采用有效视野(U-FOV)为500×400mm的矩形探头，光电倍增管由开始的十余只增加到数十只，甚至近百只，准直器由针孔型、平行孔型、扩散孔型又增加了扇型准直器。这些改进或进展使γ相机的系统性能指标得到较大提高。受放射线内照射的安全性和射线存在统计涨落特性的限制，核医学影像设备无法获得足够的信息量，这些因素形成了对γ相机性能提高的制约。为弥补这一先天不足，γ相机增加了能量校正、线性校正和均匀性校正。70年代的γ相机通过硬件完成这些校正，而现在则全部由计算机软件完成这些工作。全数字化的γ相机探头只要经过一次模型校正之后，不用每天重复进行这些人工校正操作，校正可由软件和数字化线路自动完成。一台性能优良的数字化γ相机(SPECT)的主要平面性能指标可达：固有能量分辨约9.5%；固有积分均匀性：有效视野内约±3.5%，中心视野内约±2.5%；固有微分均匀性约±2%；固有分辨率约FWHM＝3.5mm；绝对固有线性约0.5mm；最大计数率>300K计数/s。SPECT各项断层的性能指标约比平面指标降低10%。
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提高γ相机性能的关键是增加它采集的信息量，特别是断层采集。为此，设计了双探头、三探头和类似CT的环状多探头SPECT。它们增加了单位时间的信息量，提高了系统的分辨率，但也增加了设备的成本。环状多探头SPECT因其性能价格比偏高而较少采用。双探头SPECT因其在系统分辨率提高的同时，还能增加511keV正电子成像功能，因而备受国内用户青睐。我国双探头SPECT由1996年的20台增加到现在的50余台。
4.2 数字图像处理系统的进展
数字图像处理由计算机和配套软件包完成，它首先完成原始数据采集，然后根据临床需要进行图像处理，最后进行存档。原始数据采集分为：静态、动态、全身、断层和正电子采集五大类。静态采集是在一段较长的时间间隔内采集一帧静止的图像，主要是获取定性形态图像，这是γ相机最基本的采集方式。动态采集是把整段采集时间根据示踪剂(放射性药物)变化情况分成若干时间间隔，在各个时间间隔内采集一帧图像，从而获得一组与时间有关的动态图像。这组图像不仅表现被测脏器在某一瞬间的形态，而且通过计算机的处理可以得到感兴趣区域的“时间-放射性计数”曲线，从曲线可计算出各种临床需要的定量指标。肾功能、脑血流、胃排空、肺稀释等测定都是通过动态采集进行的。动态采集时还可加上生物信号的控制，实现门控采集。心电门控(ECGGated)采集是最常用的生物信号控制采集。动态采集主要获取脏器功能信息或指标，这是核医学影像优于其他医学影像的特点。全身采集是通过探头(或床)的移动扩大图像采集范围，最常用的是全身骨扫描。全身骨扫描是检查癌症患者是否发生骨转移的有效方法，通常它比其他检查方法提前2～3个月发现骨转移病灶，为进一步治疗争取了宝贵的时间。目前全身骨扫描占全部核医学影像检查的40～60%之多，由此可见它的重要性。断层采集是通过探头绕人体旋转进行的，单探头的SPECT要求旋转至秒180°。采集时把整个旋转范围分成相同的角度间隔，各间隔采集一帧等时间的图像，最终获得一组不同方位的原始图像供计算机进行三维断层重建。断层采集可以加上生物信号控制后获得门控断层影像，也可以采用滑环式探头高速旋转获得动态断层影像。断层影像与平面影像相比提高了深部靶器官与周围本底的对比度，有利于病变的早期发现和准确的容积定量。为了使断层定量更精确，同时减少因衰减效应带来的重建伪影，新型的SPECT在探头对侧增加了透射源，由计算机完成穿透衰减校正(TransmissionAttenuationCorrection)，使断层衰减校正更符合实际情况。
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经过数据处理的原始采集数据可以用多种方式显示：黑白或彩色图像显示、曲线或直方图显示、各种定量数据的显示、三维层面显示、电影显示和三维立体显示。功能强大的计算机工作站除了完成各种信息的储存和文件管理外，还可进行影像的网络通讯，接收CT、MRI等其他医学影像。接收CT和MRI影像后，经过对位融合技术，把表现功能特性的核医学影像与高分辨、解剖定位明确的CT或MRI影像叠加(融合)，从而弥补核医学影像信息量不够，分辨率差和解剖定位困难等缺陷。
5 正电子发射计算机断层(PET)
80年代末期，PET终于结束了它漫长而艰辛的实验室研究阶段，获准以商品形式进入临床。它一投入临床使用，就以独特的性能在脑、心脏和肿瘤等疾病的诊断中显示出优势。90年代在发达国家，如美国、日本、德国等相继建立了近百个PET影像中心。据大量文献报道，PET在心肌功能测定、肿瘤性质鉴别、脑功能检测等方面的临床价值，使核医学进入了分子核医学的新阶段。
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5.1 PET成像原理
正电子放射性核素如：11C、13N、15O、18F等湮没辐射时产生511keVγ光子对，这对光子发射方向互为180°。PET就是利用了光子对的这个特性，在180°的两个方向分别接收，通过符合线路进行射线真伪的识别。只有在互成180°的直线上相对的探测器同时接收到光子信号时，此闪烁事件才被认为有效。电子符合线路代替了笨重的铅准直器，提高了探测灵敏度和图像分辨率。C、N、O、H是人体组织中重要的组成元素。因此，用11C、13N和15O等正电子放射性核素标记人体的生物物质(如氨基酸、脂肪和糖等)进行生物代谢研究。这类标记药物的代谢途径与天然代谢物质完全相同，成为优良的生物放射性核素。18F的化学特性有与H相似之处，它可以取代H标记脱氧葡萄糖(FDG)进行葡萄糖代谢的研究。由于PET图像显示标记了正电子放射性核素的代谢物质在组织中的分布，因此，它反映了人体靶器官中的生化变化和动态代谢过程。人体组织生化的代谢的改变通常比组织形态的改变要早得多，这就形成了PET在心脏、脑和肿瘤病变中早期诊断的优势。
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5.2 PET的组成
PET由探头(及机架)、电子线路和计算机系统组成。计算机接收采集和图像处理的指令，完成对探头和床机械运动的控制，对采集的信号进行处理，重建三维断层图像。这些与SPECT没有太大区别。PET的探头与SPECT不同，虽然也是由晶体和光电倍增管组成，但要复杂、昂贵得多。由于PET只接收高能511keV的光子对，NaI(T1)晶体的响应效率已不适用，现在都采用锗酸铋(BGO)晶体，它对511keV的响应效率较高。为了便于光子对的接收，PET探头排列成环状。为了增加采集层面(范围)，多采用多环探测器。为了降低探头的成本，一块晶体通过刻槽做成4～8个探头，每块晶体附着1～5个光电管，探头与光电管的附着比为1～8个探头/1个光电管，各探头信号通过编码器确定。共有1000～3500个探头分布在3～16个环上，最多做成32个环。为获得最佳空间取样，有的系统让探头环架绕被检物周围偏心轨迹摆动(Wobble摆动)，使获取的符合线增加，提高信息采集量。因为衰减校正直接影响PET成像和定量分析的准确，PET增加了特殊要求的衰减校正透射活性环，活性环中置有透射采集用的放射性核素，在给被检者注射正电子核素标记药物之前，先进行透射采集，得到被检者各部位的衰减系数，供正电子图像采集和重建时进行衰减校正。
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5.3 双探头SPECT增加正电子成像功能
PET性能优异，越来越受临床的欢迎，但是它价格昂贵，一般医院难以承受。随着18F发生器的应用，以及18F标记的脱氧葡萄糖对肿瘤性质鉴别和心肌功能检测的临床价值的证实，促使人们努力地寻找廉价的正电子成像方法。早在50年代就有人用双探头扫描机进行正电子扫描的试验，由于受当时条件的限制，这种方法无法用于临床。现在双探头SPECT系统已具备很高的灵敏度和分辨率，具备了外透射衰减校正的功能，已配备了功能强大的计算机工作站。这一切为增加正电子成像功能奠定了基础。90年代中期已成功地将SPECT正电子成像用于临床。
5.3.1 超高能准直成像
SPECT正电子成像有两种方式：超高能准直成像(UHECImaging)和电子符合成像(CoindeImaging)。正电子核素发射光子对的能量是511keV，当SPECT配上超高能准直器(UHEC)，并将能量响应扩大至511keV，就能进行正电子图像采集。UHEC比通常准直器重得多，它的厚度为80mm，孔径4mm，孔壁2.5mm，孔壁穿透率为4%，重量达135kg。它有使用简单、配置费用较低等优点，工作时除了增加笨重的准直器外几乎与普通SPECT无大区别。但其缺点是灵敏度较低，分辨率不够理想，必须使用较大剂量的正电子药物。
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5.3.2 电子符合成像
电子符合成像是采用PET成像的光子准直原理，取消了UHEC的使用，使其性能与PET相接近。它在断层图像重建方面基本与普通SPECT相同。它的主要矛盾焦点在晶体上。普通SPECT的NaI(T1)晶体厚度为0.95cm，适合99mTc(140keV)能量，对511keV正电子核素的探测效率就降低不少。为此，把晶体厚度增加到1.59cm，实验证实，虽然晶体增厚使低能分辨率略有降低，但却可以在保持正电子采集分辨率的同时提高了正电子采集灵敏度，并且对低能灵敏度的影响不大。SPECT电子符合成像的灵敏度和分辨率指标都远优于UHEC成像，它对18F探测分辨率FWHM约为5～6mm，可探测<2cm的肿瘤。
现在还有采用双层材料的复合晶体。外层用硅酸钇(YSO)，它适合<300keV的放射性核素；内层用硅酸镥(LSO)，它适合511keV的正电子核素。这种晶体因为价格偏高尚未被广泛使用。
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6 半导体探头γ相机
前面介绍的γ相机都是基于安格(Anger)型格局的，它经历了研制、应用和完善的漫长历程，似乎已达到了性能极限。人们正在尝试设计一种摆脱晶体和光电倍增管的全新系统。半导体探测器就是一种轻便而高灵敏的元件，早在60年代就有人使用。只是由于无法克服它温度漂移的缺点，几经试验又不得不放弃。1996年正式报道具有临床使用价值的商品化半导体探头问世，1997年在英特网上已提供半导体探头γ相机的商品，1998年已获得美国FDA许可证。它的探头材料是碲化镉锌(CZT)，140keV的能量分辨小于8%，最大计数率达500K计数/s，它具有良好的511keV探测特性，适合室温操作，并有很高的稳定性。该相机有效视野为21.6×21.6cm(有报道可用2.54×2.54cm的半导体探头组成任意尺寸的视野)，整机为147×75×103cm，非常轻巧、简便。英特网上不但展示了相机的实物相片，还有与Anger型γ相机对比的临床图像，同一乳腺癌患者的影像，普通γ相机未见浓聚，半导体γ相机能清晰地显示出乳腺肿物的浓聚。我们期待着全新的核医学影像设备的成熟和普及。
(收稿日期：1998—12—20), 百拇医药