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第1节 发射型计算机断层成像设备概论发射型计算机断层成像(emission computed tomography，ECT)亦称放射性核素计算机断层成像（RCT）,是一种能显示放射性核素在人体内各层面的分布及立体分布影像的显像技术SPECT（单光子发射型计算机断层）和PET（正电子发射型计算机断层）同属ECT的范畴其断层图不受邻近层面核素干扰，定位准确，能获得活体三维影像，并能定量计算脏器或病变部位的大小、体积及局部血流量等    自20世纪70年代末随着SPECT广泛应用和PET逐步应用于核医学临床实践，ECT在核素显像乃至整个医学影像中的地位和作用都得到了无可争辩的承认，是核素显像技术继扫描机、γ照相机问世以后的又一重要进展    一、历史回顾    1950年Cassen首先研制成功了逐点扫描成像的闪烁扫描机，奠定了放射性核素脏器显像的基础当时可以进行甲状腺、脑、肝、肾及骨扫描等，但分辨率差，扫描时间长，不能进行快速动态研究1956年Anger发明了闪烁γ照相机，以一次成像代替扫描机逐点成像，使核医学影像进入动态和静态功能显像相结合的新阶段但γ照相机对于大的脏器如脑、肝等深部器官的病变检出率仍不理想。

70年代以后电子计算机技术应用于γ闪烁照相机，对获得的信息进行处理，这样使影像更清晰，提高了分辨率自1975年以后辅配计算机的γ照相机已成为国内外核医学科常规检查设备    SPECT的研制工作早在X-CT机研制之前就已进行1963年Kahl和Edwards等研制了一种称为横向断面扫描仪(transversl sectional scanner)的仪器，该仪器已具备现代X-CT机的概念Knhl等人当时所用的影像重建方法是简单的反向投影法(simple back projection)，因而影像模糊、对比差，影像矩阵单元的活性值与实物分布无对应关系，因此SPECT的研制工作曾一度搁浅1972年英国的Godfrey Hounsfield发明了X-CT机并用于临床Kuhl等人借鉴X-CT的成像技术并引入计算机校正，终于在1979年研制成功了第1台头部的SPECT机，称之为MARKⅣ此后SPECT机迅速发展并不断地更新换代，从而使核医学显像技术从二维平面影像发展到三维立体影像阶段，并实现了显示彩色化、电视化，数据处理微机化，使解剖分辨率和对生理、生化等功能改变的显示较γ照相机有了很大提高    二、ECT设备的类型及其结构    ECT目前分为2大类：一类用于探测能够发射γ射线的放射性核素在人体内的分布，称为单光子发射型计算机断层，简称SPECT（single photon emission computed tomography）；另一类用于探测能够发射正电子的放射性核素的湮没辐射，称为正电子发射型计算机断层，简称PECT或PET(positron emission computed tomography)。

    目前应用最为广泛的SPECT机是γ照相机型的SPECT机其主机为γ照相机，加上了探头支架旋转结构和计算机影像重建及处理软件系统由于γ光子的收集率与γ光子发射体对探头所处的立体角成正比，因此SPECT机多采用大视野的探头，以提高体积灵敏度其形状有圆形、方形和矩形探头支架旋转结构有圆环形（GE公司）、悬臂形（SOPHA公司）、龙门形（SIEMENS公司）等计算机系统多采用微型机或小型机，或者采用单功能多处理器分别完成某种功能γ照相机型的SPECT机在采集数据时所收集到的信息是以探头直径为长轴的一个圆柱体这种采集方式一次旋转360°就可以得到多个断层面，最多可达128个断层面该类型的SPECT机又兼有普通γ照相机的功能，所以一台γ照相机型的SPECT机具有多种显像方式：平面成像、动态摄影、全身扫描和断层显像等    PET正在逐步走向临床作为现代核素显像的最新技术设备，它的临床应用被认为“在核医学史上奠定了一个划时代的里程碑”虽然PET机和SPECT机的基本结构相似，都是由数据采集、数据处理、影像显示以及机械旋转架构等部分所组成，但由于采用的是发射正电子的放射性核素，PET机所能探测到的并不是正电子，而是正电子被体内组织所吸收时湮没辐射所产生的能量各为511keV、方向相反的一对γ光子，因此PET机至少需要2个（双探头）或更多的相对排列的（多探头、多环探头）γ探测器。

湮没辐射所产生的双光子与单光子有不同的特点，因而PET机和SPECT机的探头结构也不尽相同PET机对射线的限束采用的是电子准直，即利用湮没辐射和2个相对探头来确定闪烁点的位置，而不象SPECT机在探头前加铅准直器来限制γ射线的方向和范围     三、ECT与X-CT的异同  A.水平切面 B.垂直切面 C.短轴面 图6-1 心脏模型三维切面示意图    SPECT机是在γ照相机基础上发展起来的更先进的现代核医学影像设备，γ照相机只能显示二维影像，而SPECT机不仅可显示二维平面影像，更主要的是其还能给出脏器的三维断层影像对临床有价值的是横断面、冠状面和矢状面断层影像，在心脏和脑断层中还可以给出斜面断层影像（图6-1）    SPECT机与X-CT机是什么关系呢？它们之间究竟有什么不同？从以下几个方面可以说明这个问题    1.SPECT机与X-CT(TCT)机是一对孪生体    它们在探测技术和影像重建等方面基本类同X-CT发明者��英国EMI公司的工程师借助于核医学闪烁探测技术发明了X-CTSPECT在X-CT问世之后之所以有了迅速发展，主要原因是借助于X-CT的影像重建技术。

SPECT与X-CT都采用了闪烁探测技术和反向滤波法的影像重建技术    2.采用的射线源不同    ECT借助于注入体内的放射性核素发射(emission)的γ光子构成断层影像由于正常组织和病变组织浓聚放射性核素的能力及浓聚量不一样，从而射出的光子密度不一样，这样就构成了一幅反映人体功能差异的解剖影像X-CT是借助于X线球管发射的X线穿透(transmission)人体而构成断层影像由于正常组织和病变组织的物理密度不一样，这样就构成了一幅反映人体密度差异的解剖影像    3.影像的重建参数和诊断依据不同    X-CT以衰变系数作为重建影像的参数，以组织的物理密度变化作为诊断依据而ECT以放射性浓度变化作为重建影像的参数，以组织的代谢功能差异作为诊断依据若病变组织密度变化不大（等密度病变），而功能变化很大时，ECT明显优于X-CT    4.影像构成成分不同    ECT影像仅显示浓聚放射性的靶器官或组织的三维断层影像，而毗邻组织脏器则不显像这就要求诊断医师对每个层面的各个脏器之间的毗邻关系及其正常变异有较全面了解X-CT影像则显示某一层面内所有组织器官的二维影像ECT依临床医师诊断目的不同，即便是同一脏器，所采用的放射性核素或其标记物也不同，其所得ECT影像的临床意义也不一样。

X-CT则以被检部位脏器为单位获得断层影像    5.SPECT机在取断层面的厚度上较X-CT机优越    X-CT机采用几何准直的方法来限制束流的宽度改变断层厚度需要设定准直器，而且准直器的选择必须在数据采集前进行，数据采集一旦结束，断层厚度也就随之而固定而SPECT机选择断层的厚度是依据于γ相机探头的定位线路，可以在数据采集结束后根据需要选择这对临床分析是有利的    6.X-CT机的分辨率优于ECT机    ECT受光子通量的限制和衰减校正困难的制约，使ECT影像粗糙、空间分辨率差体内发射的γ光子受注入人体的放射性活度的限制，只有极少数被用于构成影像，构成影像后体内还存留有一定的放射性活度而X-CT机由X线球管产生X线，成像结束时X线球管亦停止发射X射线，因而可加大入射的束流强度X-CT断层光子总数为ECT断层图的103～104倍另外，由于穿透衰减使相同的放射性浓度因部位的深度不同，而产生不同的光子射出率，浅表部位光子射出多，深部光子射出少模型实验证明，5cm厚的软组织可以使99Tcm能量为140keV的γ射线衰减50%，所以在影像重建中要求用平均衰减法进行校正    四、ECT设备的发展现状与展望    ECT是近年来核医学界发展最迅速、应用最广泛的新技术，尤其是显像技术(包括仪器)与显像剂的发展更使其突飞猛进，成为核医学界的重要支柱。

目前国内许多大医院都装备了γ照相机和SPECT机商品化的PET机在我国也已步入临床使用一些应用在心、脑、骨骼、肿瘤等方面的新的放射性药物的使用，以及计算机新的应用软件的开发，使ECT机在诊断冠心病、脑缺血、肿瘤骨骼转移等许多疾病中显示了独特的优越性，在对组织器官或病变部位的局部血流量、功能、治疗前后的疗效进行定量检测等方面，已成为其他影像诊断技术不可替代的诊断工具    ECT设备在发展过程中遇到了两大障碍：光子通量的限制和衰减校正这两大困难目前仍是ECT设备改进和发展的主要难关ECT设备的光子通量受到注入体内放射性药物剂量的限制ECT影像由体内发射出的γ光子构成，通常情况下只有注入量的万分之几的光子被用来检测脏器成像，其他大部分信息浪费了ECT设备成像的另一困难是有2个变量：局部组织器官的放射性聚集量和衰减系数对于放射性核素显像只有放射性浓度有意义，衰减因素必须加以清除或校正衰减校正涉及组织的成分，成像物体和脏器的大小、形状以及放射性核素的能量等许多因素因此真正完善的衰减校正是极其困难的目前商业产品中较多采用平均衰减校正，实验研究采用模型校正    ECT设备的发展体现在许多方面：新型放射性药物的研制、仪器自身探测性能的提高、计算机硬件的改进和应用软件的升级等。

主要有以下几点：    1.新型放射性药物的研制成功，推动了SPECT发展至新纪元    如：新型心肌显像剂99Tcm－MIBI、99Tcm－Tlboroxime，可以用于心肌灌注断层显像，从而为心肌缺血、心肌梗死的早期诊断提供了新手段；新型脑显像剂99Tcm－ECD、99Tcm－HM(d,1)-PAO的研制成功，131I-IMP和131I标记的D1多巴胺脑受体显像剂的临床应用，使SPECT技术在研究脑局部血流灌注和受体功能等方面取得了令人鼓舞的进展而PET所用的发射正电子的放射性核素如：11C、13N、15O等都是人体组织的基本元素，易于标记各种生命所必需的化合物及其代谢产物或类似物而不改变它们的生物活性，且可以参与人体的生理、生化代谢过程；加之这些核素的半衰期比较短，检查时可以给予较大剂量，从而提高了影像的对比度和空间分辨率，因此PET所获得的影像比SPECT更清晰、更真实地反映人体生理、生化、病理和功能等方面的改变；迄今为止，尚没有其他显像技术可以进行活体心、脑等组织脂肪酸、葡萄糖有氧或无氧代谢、受体功能以及大脑功能区域（如视、听、记忆、思维）定位等方面的研究　　2.在新技术上，最引人注目的是新型的双探头和三探头SPECT机    该系统具有采集时间短、分辨率高、计算机系统先进等优点，与单探头SPECT机相比，三探头SPECT机整体效率提高了3～5倍。

该机采用了高性能、高光子通量的光电倍增管，使用了特殊的准直器如扇型准直器、超高分辨率准直器等3个探头沿病人的长轴旋转，增加了获得的信息量，改善了影像质量，节省了检测时间，提高了系统分辨率，而且灵敏度也大大提高双探头SPECT机最新技术是在180°相对排列的双探头SPECT机的探头中加入符合探测线路或使用超高能准直器采用这项技术的ECT设备不仅可以完成普通SPECT机的全部工作，而且可以完成一些本来在PET机上才能做的工作因此被称为混合型ECT设备（参见第十节）    3.从ECT设备的发展趋势看，单探头的SPECT机是不是要被淘汰呢？并非如。