核医学影像设备的进展

　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
　　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。
　　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。
　　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。