发射计算机断层仪

发射计算机断层(ECT)亦称放射性核素计算机断层(RCT)，是一种比γ照相更先进的核素显象技术。用于这种显象的仪器称为发射计算机断层仪。它从不同方向摄取体内放射性核素的分布图，经计算机综合加工，给出核素在体内各截面（断层）的分布及立体分布重建图，基本排除了邻近截面中核素的干扰，因而定位更精确，分辨率更高。
目前这种断层仪可分为两大类。一类以普通γ发射体为探测对象，称为单光子发射计算机断层仪，简称SPECT机。另一类以正电子发射体的湮没辐射为探测对象，称为正电子发射计算机断层仪，简称PECT机。相应的技术分别称为单光子发射和正电子发射计算机断层，分别简称为SPECT或PECT。最近还出现了可以兼作以上两种断层的仪器，有人称之为混合型发射计算机断层仪。
工作原理 早期的断层仪属纵向断层，摄象时所取的断层面与身体的纵轴平行，主要利用聚焦准直器进行线扫描或利用斜孔准直器进行扫描，以获得纵向的断层图。这种技术所得断层图由于还残存断层外来的干扰，影象比较模糊，分辨率较差，故使用受到限制。目前多数断层仪采用横向断层的工作方式，其所取的断层面与身体的纵轴垂直(图1a)。
工作时，探头沿断层的侧边从不同方向摄象，每次得到一个核素分布的平面图，可以看作是体内核素在该平面上的“投影”(图1b)。单独一幅平面“投影”图不能判断核素所在部位的深浅，也不能排除病灶上下非特异性核素分布的干扰。

图1 躯体的横向断层(a)及其
“投影”(b)示意
1. 断层中的放射性核素 2. 横
向断层 3. 核素的“投影” 4.
断层的投影5. γ照相机

但是，如果从不同方向对同一断层摄象，则核素在每一摄象上的“投影”部位不同。把这些投影综合起来分析，就可判断出核素在该断层中的确切部位(图2)。图中重建的核素分布图虽与核素的真实分布部位相符，但影象形状有差异。这是因为只用了三个方位的“投影”。实际工作常需摄取数十甚至上百个“投影”，才能得到良好的重建图。
图3 进一步从数学角度分析断层核素分布图的重建原

图2 重建断层核素分布图的原理示意
Ⅰ. “投影”的形成Ⅱ. “投影”的综合

图3 重建断层核素分布图的数学分析

理。首先把断层面分为若干单元，称为象素单元，它们所含放射性活度分别用N₁、N₂、N₃……代表。于是每次“投影”所得各点的cpm实际上是相应的若干个N在“投影”上形成的cpm之和。假如每个象素单元在各“投影”面上的计数效率全都相等(以E代表)，则每次“投影”可得一组方程。以图3为例应为：

对16个象素单元，需要16个方程才能解出每个单元的放射性活度，而图象重建就是求出活度分布图。实际工作中，16个单元是不够的。又由于距离、吸收、散射等的不同，每个单元在各“投影”面上的探测效率也不相等，各自需要一个修正系数。所以计数过程复杂而冗长，只有用计算机才能完成良好的重建工作。
以上是一个断层中核素分布图的重建原理。计算机还能根据预先编制的程序将许多连续的断层分布重建图综合成一幅立体分布图。根据需要，随时可从计算机的内存中抽取任一断层重建图，供诊断、研究用。
仪器的基本结构 发射计算机断层仪正处在发展过程，现有的仪器有多种不同的结构。
SPECT机中，最简单的一种实际上就是可旋转360°的γ照相机。探头每旋转一定角度就同时对几个断层面进行“投影”摄象，旋转一周完成整个断层过程。仪器通常可兼作普通γ照相机用。缺点是完成一次断层的时间较长(15～30分)，不适宜作快速动态检查；而且每一方位仅作一次“投影”，要求受检区有较高的放射性活度才能满足统计学上的要求，故灵敏度较低。
对上述仪器的一种改进是采用两个相对的大视野γ照相机，围绕受检者作同步旋转。整个探头只需转180°即可完成断层过程，时间有一定缩短，灵敏度也有适当提高。
另一类改进的SPECT机是采用一圈或数圈多晶体探测器，受检者处于圈的中央，以代替单探头γ照相机，每圈探测器可排列成圆环状，也可排列成正方形或三角形的环。进行断层摄影时，位于不同方位的探测器同时摄取“投影”，亦即每一方位都有多次“投影”。所以灵敏度较高，所需时间也进一步缩短。为了避免固定的多孔准直器造成“投影”死角，整个探头仍需有一定的旋转运动。有的仪器以小角度的来回摆动式旋转代替大角度的旋转，还有的仪器采用特制的铅屏蔽环，环上有几条随机排列的狭缝，以使屏蔽环旋转来达到消除死角的目的。
图4是几种类型的SPECT机示意图。

图4 几种不同类型的SPECT机结构示意
1.可旋转的γ照相机 2.一对可旋转的大视野γ照相机
3.可摆动的圈式多晶体探头（探头摆动或铅屏蔽摆动）
4.可旋转的排成四方形圈的多晶体探头

PECT机不需利用铅准直器对射线的来源作定位，而是利用两个相对应的探测器对湮没辐射的一对γ光子作符合测量。最常用的是排成一圈或多圈的多晶体探头。每个晶体的视角包括环对面的多个晶体，根据哪一个晶体与该晶体产生符合计

图5 PECT机形成“投影”的原理
I. 通过符合器定出相对于第5晶体的“投影” II.通过符合器定
出相对于第7晶体的“投影”数就可确定核素的“投影”部位(图5)。这种探测器由于免除了铅准直器的吸收和散射而具有较高的灵敏度和分辨率。此外，非符合的射线不被记录，从而本底较低； 许多晶体同时进行探测，亦即整个断层过程中每一晶体都多次收集射线。这些因素也使PECT机的灵敏度提高，每次断层的时间缩短(1～2分钟甚至更快)。
PECT机中最常用的探测器是锗酸铋晶体(BGO)探头。与NaI(Tl)相比，它不易潮解，对0.511MeV的γ光子探测效率较高。氟化铯晶体有相似的探测效率，而符合时间更快，可测量一对γ光子到达相对探测器的时间差，有可能配合特殊电路作更精确的定位。另有一些PECT机采用一对γ照相机或多丝正比室作符合测量。为了消除由晶体间的铅屏蔽造成一定死角，PECT机的探头在工作时大多也作旋转运动，有的多晶体探头仅作直线性或旋转性摆动。
影象重建技术 ECT的影象重建要求计算机有相当大的内存量及较快的运算速度，一般均用小型机。所用的重建技术主要有迭代重建法、滤波反向投影法及傅里叶变换法。
迭代法是数学上解多元联立方程的一种方法。计算机的程序由操作者预先设置。第一步将断层面分为若干象素单元，第二步将每次“投影”所得各Y值(图3)记入内存。然后给每个象素单元(N)一个假设值，代入各方程，将计算所得的各Y值与内存中的实测Y值作比较。如不符，则计算机自动对各假设值作一定修正，再代入方程。如此反复地代入、计算、比较、修正，直至计算所得各Y值与实测值基本相符（允许的误差范围也预先设置）。最后将各个修正好的N值通过数字-模拟转换重新变为图象。实际计算程序比图3所示更复杂，必须考虑到本底噪声、吸收、散射、统计涨落等因素，加入一系列修正因子，编制程序时常需先进行人体模型或动物实验，求出尽可能符合实际情况的修正因子。
反向投影法是将每一方位的“投影”各自从原来的方位重新投射到同一断层面，这些投射线互相交叉重叠，得到合成的“反向投影”(图2)。由于本底噪声、吸收、散射及统计涨落等因素的干扰，简单的反向投影所得影象常模糊不清。实际工作中需要对每一“投影”用一特定的函数进行修正，称为滤过函数。滤过后的“投影”再进行反向投影，得到的图象比较清晰和逼真。这就是滤波反向投影。其中的滤过函数主要通过模型实验用数学分析法求出。
傅里叶变换法是近年来在计算机技术中常用的一种图象-数学模型互变方法，它假设任何空间分布都可分解为具有不同频率的正弦和余弦函数。在ECT的图象重建中，先将每次投影进行傅里叶变换，再综合成完整的两维影象变换。然后进行反变换，得到所需的重建图象。这种重建技术速度较快，可用于快速摄象系统。
影象的进一步处理和分析 重组后的各个断层面的图象以数学形式贮存在计算机的内存或磁盘中，需要时可随时取出作进一步处理和分析。例如：
❶用显示器以不同灰度或彩色显示选定的观察区中核素的分布情况；
❷以数字表示出核素的分布情况；
❸同时显示多幅影象，进行比较或影象相减；
❹给出纵向断层图或其他剖面的断层图；
❺重组立体分布图象。此外，为了提高对病变的识别力，还可将部分影象区域扩大或旋转，或对影象数据提高对比度、作平滑处理等。
发射计算机断层仪目前虽已推广应用于临床，但不论探测器本身、计算机软件或应用技术，都尚在不断发展中，预期今后将不断提高。目前这种仪器的造价还较高，有待努力降低成本，以利推广。