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1 von 85
核醫游離輻射偵測與成像原理
Rad iatio n D etectio n an d I n str u men tation o f N M
Camus C.Y. Wu  吳志毅
Medical radiation technologist  醫事放射師
Department of Nuclear Medicine and Molecular Imaging C.G.M.H. 長庚醫院核子醫學科
基 礎 原 理
B a s i c o f p r i n c i p l e s
核子 醫學
Nuclear Medicine
將「核子」領域的特性運用於醫學檢
查或治療。主要使用不穩定原子核所產
生的 γ-ray與 β particle。α particle早年多
摒棄不用,近年才使用於核醫治療,但
是要留意血液系統毒性.
1.核子醫學的影像檢查
→ 利用 γ-r ay( 較 多 ) 與 X -ra y
2.核子醫學的治療
→利用 β¯ p art icl e (較多)與γra y, αpa rti cle
3.核子醫學的體外放射免疫分析測定
→ 利用 γ-r ay
一般核醫藥物 的常見形式如下:
① 放射性同位素(RI)本身即有特定性質:
Tl-201 chloride, 201Tl chloride, [201Tl] TlCl
② RI-ligand 構成的複合物(complex):
Tc-99m MAA, 99mTc-MAA, 99mTc MAA
■ Tc-99m ECD Brain perfusion SPECT
■ Tl-201 Chloride Myocardium perfusion SPECT
■ Tc-99m MDP Bone scan & SPECT
■ Tc-99m –PYP- RBC GI bleeding
「核醫藥物」可以靜脈注射、
吸入、滴劑、食入、穿刺…
等途徑完成診療。
■ Tc-99m DTPA w diuretics  cptopril
■ Lung Ventilation & Perfusion scan
■ Gastric Emptying Time & Esophageal Transit Time & Salivary function
■ Lacrimal & SLN & chylothrox lymphoscintigraphy
正子造影(PETscan)藥物
不同於一般核醫藥物的形式,大多數正
電子核種本身即為基本有機元素,如:C-
11、O-15、N-13、與F-18取代的(OH-)
基,可直接置換於特定分子結構中、參與
新陳代謝或生理反應路徑,使正子藥物具
有高生理參與性.
F-18 FDG
F-18 AV45(amyloid)
F-18 THK53551(tau)
F-18 NaF
F-18 FLT
C-11 ACT
F-18 AV133(VAT2)
C-11 Choline
C-11 MET
Ga-68 PSMA
Ga-68 DOTATOC
20210930 radiation detection and instrumentation
外照射(External irradiation) 內照射(Internal irradiation)
•具照野性質.
•適於大面積或聚集性病灶.
•必須考量深部病灶表層劑量問題.
•對於周邊正常組織傷害較大.
•使用方便設備簡單.
•具專一性質.
•適於擴散性、特殊功能性病灶.
•必須考量內照射劑量規範問題.
•對於周邊正常組織傷害較小.
•使用不便對於輻射安全環境要求較高.
核子醫學治療
以利用核種或其複合物特性,以針劑注射、口服、插種等方式進行。一
般認為核醫治療具有以下特性:
1. 放射性同位素的持久性、低吸收劑量率 2. 個體差異顯著
■ 核醫治療常用核種
核種 治療射源 用途
32P β- 血液疾病治療、皮膚疾病治療
89Sr β- 骨轉移癌治療(特別是前列腺癌)
90Y β- 肝腫瘤治療
125I γ 甲狀腺疾病
131I β- 甲狀腺疾病
153Sm β- 骨轉移癌治療(特別是前列腺癌)
177Lu β- 神經內分泌腫瘤(NET)治療
188Re β- 骨轉移癌治療、肝腫瘤治療
211At Auger e- 單克隆標靶治療
223Ra α 骨轉移癌治療(特別是前列腺癌)
插種或照射用 169 Yb, 198Au
放射免疫分析
利用微量放射碘-125(I-125)與抗原-抗體結合或競爭的體外檢驗分析
(competitive binding assay) ,可以測得極微量(10-12 mole)的改變.
*Ag
*Ag
*Ag Ab
Ab
+
Ab *Ag Ab
→ *Ag Ab
*Ag Ab
1/2
*Ag
*Ag
*Ag
Ag
Ag
Ag
Ag
Ag
Ag
Ag
Ag
Ag
Ag
Ag
Ag
*AgAb
Ag
Ab
Ag
Ab
1/3
■ RIA(radioimmunoassay)原理
50%
Ag
Ag
Ag
Ag
Ag
Ag +
Ag*Ab
→
Ag
Ag
Ag
*Ab
*Ab
*Ab
*Ab
*Ab
*Ab
Ag*Ab
Ag*Ab
Ag*Ab
100%
Ag*Ab
Ag*Ab
Ag*Ab
Ag*Ab
Ag*Ab
■ IRMA(immunoradiometric assay)原理
影像處理與分析
* 充器式偵檢器:多用在活度測量儀(dose calibrator)
■ 閃爍偵檢器(scintillation detector):計數(counting)與造影(imaging)
20210930 radiation detection and instrumentation
20210930 radiation detection and instrumentation
光電倍增管(PMT, photomultiplier tube)
需要高壓電源供應給銃極(dynodes)
電子傳遞對磁場敏感
需抽真空
結構與性能相關,有最小體積限制
Essential Nuclear Medicine Physics, Rachel A. Powsner and Edward R. Powsner, Blackwell Publishing Ltd
PHA進行能峰校準時,可由能峰
中心位置之一半高度的位置求得
最低(LLD)與最高(ULD)處能量差
(△E),將兩者於橫軸上之keV值
如左式相除後,即可求得「能量
解析力百分比」。
*良好的PHA其「能量解析力百分比」值應
在8% ~ 12%之間.
*「對稱」的能窗設定是較常見的模式,臨
床上偶爾會使用「非對稱」的設定來避免散
射光子的干擾.
能量解析力% =
能峰中心位置(keV)
FWHM (即△E, keV)
X 100
△E
LLD ULD
能峰中心位置
keV
Essential Nuclear Medicine Physics, Rachel A. Powsner and Edward R. Powsner, Blackwell Publishing Ltd
■ 核醫常用的偵檢器:半導體偵檢器
E:價電常數
V:外加之逆向電壓
q:電子電荷量
N :雜質濃度
Essential Nuclear Medicine Physics, Rachel A. Powsner and Edward R. Powsner, Blackwell Publishing Ltd
★V=Q/C ;V_氣體放大因子, Q_收集到的電荷數, C_原始電荷數
∴因輻射而增加的電荷(Q)將正比於所產生的波高(V)
*時間常數τ=R.C **經常充填乾燥空氣或Ar gas
■ 核醫常用的偵檢器:充氣式偵檢器-游離腔(gasfilled–ionchamber)
Essential Nuclear Medicine Physics, Rachel A. Powsner and Edward R. Powsner, Blackwell Publishing Ltd
臨 床 核 醫 設 備
Clinical Nuclear Medicine Modalities
臨床核醫設備可粗分為兩類:
單純計數(counting)設備,如:scintillationprobe.
影像檢查設備,如:γ-camera、PETscanner.
▲▲ Scintillation probe.
▲ gamma camera、PET(PET-CT) scanner.
影像檢查用設備多半裝有閃爍晶體
(少數為半導體)搭配成像電路、訊號處
理/分析電腦…等,並可再細分為兩
大類:
一般核醫造影 with scintillation (γ) camera .
正子造影 with PET/PETCT/PETMR scanner.
▲▲ 單探頭之γ-camera與具X-ray tube
之integrate SPET-CT scanner.
▲ PET與PET-CT scanner(早期形式).
γ-camera探頭數可由單探頭到多探頭
(雙或三探頭)、是否有衰減校正(attenuation
correction),再分為單純的SPECT或具衰
減校正功能的SPECT設備(γ-camera with
attenuation source or with CT)
*不考慮能窗設定時,γ-camera亦可測得X光光子.
< 單、雙、參探頭之γ-camera.
> 外部射源裝置:Gd-153線性射源
、簡易X-ray tube、real CT scanner.
半導體造影設備,如:CZT(cadmium
zinc telluride)的優點在於:
更短的dead time
直接轉換輻射光子與電子訊號(沒有
閃爍光損失的類似問題)
高有效原子序材質
產出更好的靈敏度、能量解析力。
正子斷層造影(Positron Emission Tomography
, PET)從早期單純的正子造影系統衍
生出「複合系統」(dual modality)的
PET/CT與PET/MR系統。
▲▲▲ 單純的PET scanner
▲▲ dual modality:PET-CT scanner
▲ dual modality:早期實驗中的PET-MR scanner
現今的正子掃瞄儀多半使用區
塊偵測器(block detector)設計,
以不同切割方式將晶體切割成
多個小區塊。
早期「區塊式偵檢器」多半使用
圓形PMT,然而因為幾何形狀的
限制,容易造成訊號的損失。因
此後來改為矩形,以期盡可能密
合於晶體。
「區塊偵檢器」中「總訊號量(E)」和
「訊號分布加權(X,Z)」分別等於:
E = A+B+C+D
X = (B+D)/E
Z = (C+D)/E
▲矽光電倍增器 (SiPM, Silicon photomultipliers )
▲雪崩式的光電二極體 (APDs, Avalanche Photo Diodes )
矽光電倍增器 (SiPM) 與雪崩式的光電二
極體 (APDs)具有以下特性:
不需高壓電源供應
不受磁場影響(接點處亦採非磁材質)
半導體的一種,體積較小並可隨需要調整
光產率約20%類似傳統PMT
增益(gain)約為106與傳統PMT類似
Z. Sadygov et al., Nucl. Instrum. Methods A504, 301 (2003)
PET影像構成必須包括三組資訊:
① Emission data
② Attenuation correction factor (ACF)
μ Transmission scan
μ blank scan
③ Normalization data
average count rate for entire scanner
measured count rate for this LOR
=
=
20210930 radiation detection and instrumentation
20210930 radiation detection and instrumentation
20210930 radiation detection and instrumentation
2~3 nS
1. True events
2. Random B
~ CTW max
1. Scatter
2. Randoms :
2-1. Rand. A + Rand. B
2-2. ∵ Rand. B >>> Rand. A, ∴Randoms≒Rand.B
2-3. RAB = 2τNANB
Essential Nuclear Medicine Physics, Rachel A. Powsner and Edward R. Powsner, Blackwell Publishing Ltd
20210930 radiation detection and instrumentation
由PEC(PET electronics cabinet;
bucket controllerGIM)送出的訊
號頻率約160MHz,這些訊號
(包含經放大的衰減校正訊號)必須
透過CDA(clock distribution
assembly)平均分配並且透過光
纖以固定週期(一般約100nS)
傳送給各個bucket或DEA.
SIEMENSCTI ECAT ACCEL training course
GE DLSDST training course
常見的核醫單純用於計數(counting)
的計數裝置,如:scintillation probe.
此類計數裝置還可依照用途再細分
為:具有方向依持性的「手術中用
探頭」與體外用之「計數探頭」或
血品用之「樣品井」。
▲▲ 甲狀腺-放射性碘攝取率使用的scintillation probe.
▲ 手術中使用的scintillation probe
劑量測定儀(dose calibrator)是核醫少
見的充氣式(gas filled)設備類型。多
半以游離腔(ion chamber)為其樣品井的偵
測單元。一般有兩大部分:做為樣品
井之「井形偵測器(well counter)」與
「運算單元」(calibrator).
▲「劑量測定儀」多半包含well counter
(圖左)與 calibrator(圖右)兩部分
成像與臨床應用
Clinical Imaging and application
核醫影像的收集方式:
靜態影像(STATic)
*不可分割為動態模式
動態影像(DYNamic)
*可疊加為靜態模式
全身平面掃描(Whole Body Scan)
發射式電腦斷層(Emission CT)
-Single Photon Emission CT
-Positron Emission Tomography
STATic
DYNamic
WholeBodyScan
EmissionCT
Acq. Mode: continue  step&shut
composite to matrix size: 256x1024
SinglePhotonEmissionCT:
Acq. Mode: continue  step&shut
Matrix size: 64x64, 128x128
stop conditions: Preset Time or Preset Counts
Matrix size: 128x128, 256x256, 512x512
Stop conditions: Preset Time  Preset Counts
Routine matrix size: 64x64, 128x128
Stop conditions: Preset Time
PositronEmissionTomograpgy
Acq. Mode: Frame  List
Matrix size: 128x128, 256x256, 344x344
stop conditions: Preset Time
20210930 radiation detection and instrumentation
t
……
t1 t2 t3 t4 t5
20210930 radiation detection and instrumentation
Image of t2
EmissionCT
t
Image of t1
Raw
sinogram
LOR(x,y,z,t)
PositronEmissionTomograpgy
Acq. Mode: Frame  List
Matrix size: 128x128, 256x256, 344x344
stop conditions: Preset Time
PET的影像收集方式分為:
Frame mode
*不可分割為List mode
List mode
*可疊加為Frame mode
為什麼斷層設備總是圓形孔徑?
在ECT中我們使用極座標而非迪
卡爾座標,因此一般藉由觀察
SINOGRAM的完整性(邊緣平滑、
無間斷或錯位),來判斷影像品質
好壞。
如何把計數量化?
核醫是一個功能性影像,許多影像結
果都要藉由下列方式量化:
動態收集→時間活性曲線(TimeActivityCurve)
活度-計數轉換→定量
*醫學影像判讀方法有:目視/半定量/絕對定量
Cross Calibration factor (CCF) :
StandardUptakeValue =
ROI(cts)
CCF
Emission conversion factor
StandardUptakeValue =
ROI(cts)
CCF
X ECF
Quantitative comparison of PET performance, Karlberg et al. EJNMMI Physics (2016) 3:5
除了TOF技術,亦可由
PSF(Pointspreadfunction)得
到更好的影像品質。
20210930 radiation detection and instrumentation
Simple is not Easy
Simple is not Easy
Easy is a minimum amount of effort to produce a result.
Simple is very hard. Simple is the removal of everything except what matters.
感謝您的聆聽
還請不吝指教
❤ 核醫夢工廠 ❤
https://funnm.wordpress.com/
補充資料:
MLEM/OSEM algorism
Iterative Reconstruction
• Treat imaging as just another statistical estimation problem:
– I is the image vector (one point per pixel, or N2 elements).
– P is the data vector (one point per sinogram element, ~N2 long).
– H is a matrix:
• H represents a probability transition matrix (“from a pixel in the I matrix, what is
the probability I will put a count into bin m of the P matrix?”).
• Projection geometry embedded in H.
• A large matrix (~N4 elements), but relatively sparse (kN3 elements populated).
– n is the noise vector.
.
n
HI
P 

ML-EM Algorithm
• Algorithm Task: Given P, find I that gives the “best fit” to the
available data.
• If we consider “best fit” to mean “statistical likelihood”, and we
assume all elements of P to be independent Poisson variables, then
an iterative procedure described by:
will converge to the maximum likelihood image.
.
n
HI
P 





m
n
n
m
i
n
n
m
m
i
n
i
n
H
I
H
P
I
I
'
'
,
'
,
1
1. Forward project image to estimate what data should be.
2. Compare data estimate to actual data by taking ratio.
3. Backproject ratio to compute updates to image space.
☆ Each iteration represents one forward projection and one backprojection.
4. Update image by multiplication.




m
n
n
m
i
n
n
m
m
i
n
i
n
H
I
H
P
I
I
'
'
,
'
,
1
25
25
1.00 1.167
1.333 1.5
Backprojected ratios
1.25
0.75
1.75
1.00 1.50 1.25
5 10
15 20
“True Image”
15
35 Data (noiseless)
10 10
10 10
First Image
20
20
20 20
20 20
Forward-Projected Data
0.75
1.75
1.00 1.50
1.25 1.25
Ratio of Data to Estimate
10.00 11.67
13.33 15.00
Updated Image
20 30
MLEM convergence
☆ How can convergence be accelerated?
♥讓我們試試 OSEM♥
Ordered Subsets EM (OSEM) Algorithm
• Concept: Do forward and backprojection over a subset of
the projections at once.
• One pass through all subsets is equivalent to one iteration of
MLEM.
• Using updated image on subsequent subsets improves
convergence





j
S
m
n
n
m
i
n
n
m
m
j
i
n
j
i
n
H
I
H
P
I
I
'
'
,
'
,
,
1
,
OSEM convergence
☆ OSEM convergence is typically accelerated by the
number of subsets per iteration. (A little faster in this idealized case)
MLEM convergence
補充資料:
Time of Fight (T.O.F.)
Point spread function (P.S.F.)
Essential Nuclear Medicine Physics, Rachel A. Powsner and Edward R. Powsner, Blackwell Publishing Ltd
Essential Nuclear Medicine Physics, Rachel A. Powsner and Edward R. Powsner, Blackwell Publishing Ltd
Essential Nuclear Medicine Physics, Rachel A. Powsner and Edward R. Powsner, Blackwell Publishing Ltd
20210930 radiation detection and instrumentation
補充資料:
邁向全數位時代的正子造影

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