行研 | 一叶知秋、见微知著的核医学设备-历史、技术和先状

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前言

《淮南·说山训》有言：“见一叶落而至岁之将暮”：从一片树叶的凋落，可以知道秋天的到来。比喻通过个别的细微的迹象，可以看到整个形势的发展趋向与结果。而核医学成像就是这么一种超高灵敏度的成像技术。相比传统X光机和CT等解剖成像设备，核医学成像可以提早半年到一年发现病变。

一、什么是核医学？

核医学（nuclear medicine），也称原子核医学，是一门利用开放型放射性核素来诊断和治疗疾病的学科。

核医学的分类

核医学成像广义上又称为分子成像，是利用进入人体内的放射性药物来显示器官和病变组织的解剖结构和代谢、功能相结合的成像。

核医学成像设备可以大致分为：伽马相机、单光子发射型计算机断层装置（SPECT）、正电子发射型计算机断层装置（PET）和核医学融合成像装置（如：PET-MRI、PET-CT、SPECT-CT等）

核医学成像设备分类及其临床应用

核医学成像设备的基本部件主要有准直器、闪烁晶体、光电倍增管、前置放大器、定位电路、显示记录装置、机械支架和扫描床等。其中将准直器、闪烁晶体、光电倍增管、前置放大器和电子矩阵电路等固定在一个支架上，组成伽马射线探测器（探头）。根据结构和工作原理的不同，放射性探测器可以分为闪烁探测器、气体电离探测器、半导体探测器和感光材料探测器等。

二、核医学的历史与先状

（一）核医学发展史

核医学成像始于20世纪50年代初期。1951年，美国加州大学的Benedict Cassen用闪烁晶体加准直器研制成功第一台闪烁扫描仪，获得了第一张人体甲状腺扫描图。但由于探头是5机械装置驱动的逐行扫描，因此扫描速度慢，图像分辨率很差，无法实现快速动态成像。

1957年，Hal O.Anger成功研制出了世界上第一台伽马相机，其探头采用碘化钠晶体加针孔准直器，从而实现了快速一次成像和快速动态成像。

1964年，全世界开始量产并销售商品化伽马相机，并可配置多种类型的准直器，使得伽马相机成为当时最基本也是最主要的核医学成像设备。伽马相机获得的平面图像是多层组织的重叠图像，存在固有缺陷：微小、深在的病变或放射性浓度改变较小的病变，常被其前后层面组织的放射性掩盖而难以清晰显示；不便对放射性分布进行精确定量计算。

而体层成像克服了上述不足。1963年，Kuhl和Edwards利用成角扫描获得体内放射性的不同投影后，再用简单的反投影第一次重建了体内放射性核素的体层图像。

1967年，Hal O.Anger利用伽马相机也获得了同样的成果，但因采集和重建方法不完善，所得图像模糊。直到1972年，随着计算机的快速发展，Hounsfield根据同样的原理，利用计算机迭代法重建，成功研制出了第一台实用的CT。与此同时，核医学体层设备也研制成功。1967年，第一台商业化PET扫描仪（ECAT）面世。

1978年，第一台以锗酸铋（BGO）为探测器的PET-HEADTOME-II问世。1979年，Kuhl等制成了世界上第一台实用的SPECT设备，核医学从此进入了体层时代。20世纪90年代中期，随着符合成像的SPECT设备进入临床，正电子成像更是进入一个空前发展的临床应用时代。特别是解剖与功能、代谢图像的融合技术，如SPECT-CT、PET-CT、PET-MRI等融合技术的开发和应用。

第一台PET-CT，首先通过使床连续移动通过扫描仪来获取CT图像，而通过床的不连续步骤获取PET图像

在SPECT和PET上配置CT或MRI，实现衰减校正（attenuation correction,AC）与同机图像融合，可同时获得病变部位的功能代谢状况和精确解剖结构的定位信息，使核医学成像发展到功能+解剖成像的新时代。

日前，有日本研究人员开发了一种基于半导体的硅/碲化镉（Si / CdTe）康普顿相机，可以同时检测氟-18（释放正电子的示踪剂）和锝-99m（释放单光子的示踪剂），也就是说未来可能会有PET-SPECT扫描仪的出现。

（二）重要技术简介

1. 数字碲化锌镉（CZT）探测器技术

将数字碲化锌镉（CZT）探测器技术引入SPECT是近些年核医学最大的进步之一。自从1958 年第一台Anger伽玛相机的诞生以来，传统的SPECT核医学设备探测器一直采用的是碘化钠晶体（NaI）+ 光电倍增管（PMT）设计，注射到人体内的放射性示踪剂发射出γ光子，通过准直器定位投射到NaI晶体上，转换成可见光，再通过PMT光电倍增管进行光电转换成电信号并放大，传输到电子线路和工作站进行重建成像。这种多次转换的间接成像技术会导致大量的光子丢失，而PMT将可见光转化为电信号的效率也只有20%~25%左右。而CZT探测器的最大优点是通过将光子直接数字传输到电信号中来创建图像，从而提高了图像质量。这些探测器对基于PMT的摄像机更敏感，因此它相比传统摄像机只使用一半的放射性示踪剂。或者，可以使用通常剂量，成像时间可以减少50％，称为半时成像。从供应的角度来看，使用较少的放射性示踪剂也具有很大的吸引力。因为过去几年中一些SPECT放射性同位素已经短缺。CZT探测器较小，能减小SPECT系统的尺寸。

2. TOF（Time of Flight）技术

在传统的PET成像中，沿180度响应线识别正电子湮灭。PET扫描仪通过基于180度入射角的点测量角度来计算正电子湮灭的位置。当正电子通过人体时，这种衰减自然发生。最高衰减发生在解剖学的最厚部分。使用大量计算机和软件来分析衰减（或衰减），放射科医师和肿瘤学家能够很好地了解正电子湮灭事件的位置。飞行时间（TOF）技术使测量更进了一步。使用皮秒的测量，TOF不仅测量光子的距离和衰减，而且还在算法中增加了在重合事件期间释放的光子的检测之间的实际时间差，以更准确地识别从湮灭事件到探测器的距离。TOF技术能通过减噪和提高灵敏度，来提升图像质量。

3. 数字光子计数（DPC）技术

传统的PET使用光电倍增管来计算闪烁体输出的光子。闪烁晶体发射出来的光被分散到多个光电倍增管检测器。这种信息共享限制了PET检测器精确处理计数率信息和光子原点定位的能力。而数字光子计数器可以直接将闪烁光转换为数字信号。

DPC检测器块由64个像素的阵列组成。每个像素直接耦合到单个闪烁晶体。

每个像素包含数千个能够检测单个光子的微蜂窝。每个光子直接转换为纯二进制输出信号。

（三）PET和SPECT的区别

PET被认为是核医学史上划时代的里程碑。其基本结构和SPECT相似，但PET的成像原理、探测器的结构及性能指标要求等，与SPECT有很大的区别。PET所有的示踪剂，如C11、N13、O15等都是人体组织的基本元素，易于标记各种生命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；加上这些核素的半衰期都比较短，检查时可以给予较大剂量，从而提高图像的对比度和空间分辨率。此外，PET对射线的限束是电子准直（electroinc collimator），故其灵敏度比SPECT高出10至100倍。

（四）我国核医学成像设备装机量

中华医学会核医学分会发布的最新全国核医学现状普查简报显示，我国正电子显像设备全国共有307台（国产设备32台，占10%），其中PET/MR 9台，PET/CT298台。单光子显像设备全国共有856台，包括SPECT 341台、SPETCT/CT 390台、复合线路96台、γ相机29台。

三、 代表性公司&产品

（一）国外

1. GE医疗

GE医疗目前主打的产品有SIGNA™PET-MR和Discovery MI 数字PET-CT。

GE医疗的Discovery MI 数字PET-CT采用了LightBurst数字探测器它结合了基于l的小型闪烁体晶体阵列和硅光电倍增管（SiPM）块设计，可实现14 cps / kBq的高NEMA灵敏度和20 cm扩展轴向FOV。这种先进的PET检测技术在扫描时间，所需剂量水平和小病灶检测能力方面比TOF模拟技术有显着改进。Discovery MI是唯一将数字检测的灵敏度与最先进的重建技术，即飞行时间和Q.Clear相结合的PET / CT系统。除了重建和检测技术的进步，Discovery MI还包括Revolution ™  EVO的CT诊断创新。它将Clarity成像系统与Performix ™ 40 Plus试管的速度与GE医疗专有的HiLight CT探测器相结合，可将空间分辨率提高2倍。据了解，ASiR-V ™迭代重建方法是标准配置，可在不同应用的常规成像中以相同的图像质量将CT剂量降低多达82％。

2. 飞利浦医疗

飞利浦医疗先进分子成像技术通过提供低剂量分子和混合成像解决方案来改变患者护理，这些解决方案可增强病变检测能力，并允许用户随时随地共享诊断信息。其主打产品有引入TOF技术的PET、SPECT-CT和数字PET-CT。

Vereos数字PET / CT采用飞利浦医疗特有的数字光子计数技术。它通过将收集的闪烁光直接转换为数字信号来检测示踪剂发射的光子。这种1:1晶体与光传感器的耦合提供了比传统PET更快的飞行时间，灵敏度、提及分辨率和定量精度大大提升。

3. 西门子医疗

西门子医疗在核医学成像领域拥有PET-CT、PET-MR、SPECT和SPECT-CT等产品。

Biograph Vision PET -CT，于2018年6月获得美国食品和药物管理局（FDA）批准 。采用了该公司新的Optiso Ultra动态范围（UDR）探测器技术。它基于硅光电倍增管（SiPM）而不是PMT。探测器使用原硅酸（LSO）晶体元素，与常用的锗酸铋（BGO）晶体相比，可以实现更快的成像和更高的光输出。LSO技术还提供更高的图像分辨率，更好的图像质量和启用飞行时间（TOF）采集。LSO晶体元件的尺寸从4 x 4 mm到3.2 x 3.2 mm，可以实现更高的空间分辨率，并使系统占用更小的空间。凭借较小的晶体并覆盖了带有SiPM的闪烁体阵列100％的面积，西门子称该系统可提供业界最快的TOF，时间分辨率为249皮秒。

4. 佳能医疗

佳能医疗在核医学领域主推的产品是PET-CT。Celesteion PureVision版PET / CT系统可提供最大的PET / CT孔和视野，有助于提高患者的舒适度。该系统具有70 cm PET和CT视野（FOV），而某些系统的FOV较小。CT系统提供90厘米宽的孔。PET系统的孔径为88厘米。PET系统还提供394 ps TOF，19.6 cm轴向FOV，并使用4 x 4 mm探测器晶体。  

5. spectrum Dynamics medical

Spectrum Dynamics Medical在2018RSNA上展出了一种创新的SPECT-CT：Veriton SPECT-CT 。Veriton SPECT-CT的CT系统有16层、64层、128层三种。这款新型的SPETCT-CT配置了12个探测器机械臂，通过传感器控制探测器向患者移动，使其在距离患者皮肤几毫米处自动停止，可以优化光子计数和SPECT图像质量。它还使用更灵敏的CZT数字探测器，可以实现更快的扫描时间，或者只需传统SPECT一半的示踪剂量。

6. Molecular Dynamics

Molecular Dynamics的Valiance X12把Spectrum Dynamics 首创的用在心脏扫描上的技术用于全身成像。Valiance X12也有12个探测器机械臂。Valiance X12的技术可提供高达10倍的灵敏度和2倍于标准SPECT系统的空间分辨率。该系统具有专有的自适应图像采集机制，可控制每个探测器的移动，确保高效的数据采集，并采用专有算法实现最佳图像重建和量化。Valiance X12可以同时对多个示踪剂成像，并且可以用于筛选，因为其探测器能够为患者提供低辐射照射。

（二）国内

1. 东软医疗

东软医疗是一家老牌的国产影像设备制造商，从2005年开始从事核医学领域的探索。2009年，它的第一款PET-CT就获得了FDA的认证。东软医疗目前主打的核医学设备为NeuSight PET/CT ，已在2016年获得了CE、CFDA和FDA的认证。NeuSight PET-CT用户已遍布全球，国内包括辽宁、安徽、河南、河北、贵州等在内的多个省市，并远销国际。

2. 联影

目前联影医疗在核医学领域主推的产品有uExplorer探索者和“时空一体”超清TOF PET-MR 。其中，uExplorer探索者是由联影与美国分子影像科研联盟探索者共同研发的。uExplorer探索者是世界首台全景扫描PET-CT，长达2米，继承了联影PET家族的优秀基因——具备业界最高2.8mm空间分辨率与先进的飞行时间（Time of Flight，TOF）技术。

“时空一体”超清TOF PET-MR 具有全视野快速扫描、高分辨率融合成像和双模态跨界融合。联影“时空一体”超清TOF PET/MR搭载的压缩感知技术，能够同时实现16期成像，精准捕获肝脏动态影像的每一瞬间，同时兼顾早期与晚期等全部期相的完整病灶信息，实时、全方位锁定病灶。同时，基于其2.8mm超高分辨率，能够精细呈现肿瘤边界信息，捕捉局部微小病灶与远端转移灶，助力医生精准诊断。

结语

目前看来，核医学成像设备未来的发展依然是探测器和照相机的改进。如新型的闪烁晶体、CTZ技术、还有上文提到的康普顿相机等。从临床装机量可以看出目前国内核医学成像设备较少。近年来国家卫健委和工信部也在努力促进医疗设备国产化的发展，一批优秀的民族医疗设备生产企业，都在积极自主研发核医学成像设备，并有不错的产品进入临床，比如明峰、大基康明和湖北锐视等。核医学目前在国内的渗透率还有很大提升空间，临床应用也有更多值得探索的地方，随着PET-CT大型医用设备配置证的放开，我们有理由相信核医学行业将迎来一段快速发展时期。

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作者 杨柳荣  |  编辑 王卓逸  |  排版 墨非

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