2026, Vol. 46
2. 广东省职业病防治院，广州 510300
2. Guangdong Province Hospital for Occupational Disease Prevention and Treatment, Guangzhou 510300, China
1958年，伽马相机的问世标志着核医学诊断进入新的发展阶段。该设备采用光电倍增管(photomultiplier tube，PMT)阵列，将伽马射线与闪烁晶体作用产生的光信号转化为可检测信号，实现了由静态显像向动态显像的转变。然而，受限于重叠显像等因素，伽马相机在深部或微小病灶显示方面存在不足，增加了假阴性诊断的风险。为克服这一缺陷，20世纪60年代，单光子发射计算机断层成像(single photon emission computed tomography，SPECT)技术应运而生。SPECT融合了伽马相机探测原理与计算机断层重建技术，通过多角度数据采集与三维重建，实现了病灶的精确定位。尽管SPECT显著提高了诊断准确性，但其解剖信息不足仍限制了临床应用。2000年前后，SPECT与CT技术实现融合，形成SPECT/CT同机系统，可同步获取功能与解剖信息，并通过精确配准显著提升病灶定位与疾病评估能力，推动了核医学影像技术的发展。本文将从SPECT设备组成、准直器与探测器的发展、重建算法演变及多模态融合等方面系统回顾其技术进展，并对未来发展趋势进行展望。
一、SPECT系统的工作原理SPECT系统主要由探测器、准直器、数据处理系统与计算机重建算法等关键部件构成。其工作原理为：通过注射、口服或吸入等方式将放射性示踪剂引入患者体内，示踪剂依据生物分布特性聚集于特定组织或器官，并发射γ射线，由外部探测器进行采集。SPECT扫描仪通常配备一个或多个探测器，围绕目标区域旋转，从多角度获取γ射线信号并转换为电信号。在此过程中，准直器发挥关键作用，它位于探测器前方，用于限制γ射线的入射方向，有效抑制散射及背景噪声，从而提升图像的空间分辨率、对比度与定量准确性。探测器通过光电倍增管(PMT)阵列将经准直的γ射线转换为电信号，再经电子系统进行信号放大与噪声抑制，最终转为数字信号。计算机随后采用滤波反投影或迭代重建等算法对数字信号进行处理，生成高质量的三维断层图像[l]。这些图像能够清晰的展示出放射性示踪剂在患者体内的分布情况，反映出目标器官的功能性信息，进而广泛应用于心脏病学、神经学和肿瘤学等领域。
二、SPECT设备准直器技术的发展SPECT成像技术始终面临着一个核心问题，即在不降低空间分辨率的前提下提高系统灵敏度，以实现快速、低剂量的高质量成像。这一临床需求直接推动了准直器技术的持续发展[2]。因此，准直器可根据不同标准进行分类，以满足多样化的成像需求。按几何结构可分为平行孔、会聚型、发散型、针孔及多针孔准直器，适用于不同视野或分辨率要求的成像场景；按适用能量范围可分为低能、中能和高能准直器，用于匹配不同放射性核素的γ射线能量，保证探测效率和成像准确性。此外，还包括用于SPECT心脏成像的多孔心脏准直器，以及满足高分辨率成像需求的锥形准直器等特殊类型。
平行孔准直器，顾名思义，只有在垂直于准直器入射表面的方向上，光子才能通过准直器的孔并到达探测器[3]。适合全身扫描，能够提供广泛的有效视野，并且灵敏度不随距离变化而变化。它一般适用于对灵敏度要求较高但对分辨率要求较低的成像任务。会聚型准直器则通过调整孔的几何形状，集中射线，适合需要高分辨率的小区域成像，如脑成像。常见的会聚型准直器包括扇形光束，以及锥形光束设计，它们通过放大感兴趣区域来提高分辨率。与此相对，发散型准直器适用于全身扫描，提供较低的分辨率和较广的视野，非常适合大范围的成像任务[4]。针孔准直器包括单针孔和多针孔准直器，单针孔准直器是典型的高分辨率成像，但只能获取较低的灵敏度，它由一个小孔和高密度材料(如钨或铅)组成，非常适合小视野(如脑部或小动物)成像[5]；多针孔准直器则广泛应用于心脏、脑部等中等大小器官的成像，并且在动态成像或多核素成像中具有独特优势。多针孔准直器通过多个针孔增加了成像灵敏度，但可能会引起一定的重叠伪影，因此通常会进行几何优化以减少伪影[6-7]。另外的几种准直器类型也逐渐应用于临床医学，其中，编码孔径准直器就是一种较新的技术，它能够在提高空间分辨率的同时，显著增加系统的灵敏度，特别适用于稀疏分布点源的成像[8]。缝隙-平行板准直器则是结合了针孔和平行孔准直器的优点，适合中等大小物体的成像，能够实现较高的横向分辨率和足够的轴向采样，非常适合全静态系统，多个缝隙可以围绕视野提供充足的角度采样[9]。旋转板准直器则以其高灵敏度适用于稀疏物体的成像，但所采集的数据可能较为模糊，通常用于热点成像。
近年来，研究者开发了适用于心脏成像的专用准直器。其中，心焦点准直器被视为一种在灵敏度与适用性之间取得平衡的创新方案。该准直器最早由Hawman和Haines[10]于1994年提出，其几何设计融合了平行孔与扇形准直器的特性——隔膜角度在空间上连续变化，使得视野中央区域的准直孔在心脏位置趋于会聚，而外围区域则逐渐趋于平行取向。德国西门子公司所推出的SmartZoom准直器即为该设计的商业化应用实例。相关研究显示，使用心焦点准直器相比传统低能高分辨率准直器，可在不降低图像质量的前提下，大幅降低注射的放射性剂量[11]。除传统机械准直方式外，自准直成像理念的提出，代表了SPECT准直技术的一种突破性变革[12]。该方法通过构建三维稀疏排布的探测器单元阵列，使部分单元能够自然对其他单元产生空间方向上的限制，从而实现无须额外机械吸收结构的准直效应。在此架构下，所有探测到的光子均被有效利用，避免了传统准直器中大量光子因机械吸收而损失的问题[13]。因此，自准直技术从原理上打破了SPECT系统中分辨率与探测效率之间的物理权衡限制，为系统性能的同步提升提供了可能。有研究结果表明，在以99Tcm点源为成像对象，并基于碲化锌镉(CZT)探测器心脏专用SPECT系统(D-SPECT，以色列Spectrum Dynamics公司)按照NEMA-NU 2018测试条件进行测量时，自准直技术可实现约4 mm的空间分辨率和0.68%的系统探测效率，显示出了在数秒内完成心肌灌注显像的潜在可行性[14]。
三、SPECT探测器技术的发展1. 闪烁体探测器：传统临床SPECT系统的探测器，以往多采用大面积连续掺铊碘化钠Nal(TI)闪烁晶体与光电倍增管阵列耦合的形式，这种方式性价比颇高。其中，在传统SPECT系统中，NaI(Tl)晶体厚度一般为6~10 mm，平面尺寸可达约60 cm × 40 cm(圆形版本直径25~50 cm)[15]。该设计兼顾了对γ射线的检测效率与空间分辨率，是临床SPECT成像的主流配置。闪烁体探测器采用间接转换机制，因此，闪烁体探测器的能量分辨率、空间分辨率和探测效率受到其间接转换机制的限制，这在一定程度上影响了其在SPECT系统中的性能表现[16]。
另外，值得注意的是，铊激活的碘化铯[CsI(Tl)]在探测效率方面与碘化钠[NaI(Tl)]相当，且不像碘化钠那样容易吸湿。尽管CsI(Tl)的闪烁时间较长，这会导致探测器出现较长的“探测器死时间”(即探测器在此期间无法正常工作)，但对于SPECT来说，这一问题通常不会影响成像性能。需要注意的是，CsI(Tl)发出的闪烁光波长较长，这使得它与光电倍增管(PMT)之间的匹配效果不如NaI(Tl)[17]。然而，CsI(Tl)能够发出更多的光子(包括红外光)，其总光子数约比NaI(Tl)高出18%[18]。这些额外的光子可以被光电二极管有效检测，从而使光电二极管成为替代光电倍增管的可行选择。此外，钠激活的碘化铯[CsI(Na)]与CsI(Tl)相似，但其发出的光与光电倍增管的匹配性更佳[19]。另外，溴化镧(LaBr3)也是一种闪烁材料，近年来因其在正电子发射断层成像(PET)探测器中的潜力而受到关注，但其性能同样适用于SPECT[20]。目前，LaBr3也作为探测器被应用于小动物SPECT系统。
2.半导体探测器：核医学的一个重大进展是将CZT探测器技术引入SPECT。尽管CZT的密度(5.8 g/cm3)高于NaI(3.7 g/cm3)，但CZT探测器相比传统NaI晶体更薄(5.0 mm vs. 9.5 mm)，且采用的是像素化阵列设计。另外，CZT探测器可以将光子直接转换为电信号的这一特性，使得CZT探测器不仅具有卓越的能量和空间分辨率，而且由于采集过程中使用较窄的能量窗宽，使得散射光子显著减少，从而进一步降低了其本底噪声[21]。
目前，国际上基于CZT探测器的SPECT系统已经逐渐商品化，主要包括心脏专用的Spectrum Dynamics 003(简称D-SPECT)和Discovery NM 530c/570c，以及双探头通用型半导体探测器，Discovery NM/CT 670。另外，还有新近发展的3D环形CZT-SPECT/CT系统。与传统SPECT相比，基于心脏专用的CZT-SPECT系统在空间分辨率、计数灵敏度和能量分辨率方面均表现更优。Discovery NM 530c的空间分辨率(6.7 mm)略高于D-SPECT(8.6 mm)，但D-SPECT的计数灵敏度(850 s-1·MBq)远超Discovery NM 530c(460 s-1·MBq)，二者均显著优于传统SPECT(分辨率15.3 mm，灵敏度130 s-1·MBq)[22]。而Discovery NM/CT 670机型是将双头CZT板阵与CT模块进行了整合，适用于心脏以外的全身多部位成像，在与Discovery NM 530c的比较中，双探头在参数性能方面的检测结果与Discovery NM 530c的数据结果基本相近[23]。CZT探测器的高灵敏度、优化的准直方法及迭代重建算法共同提升了成像质量，而其直接探测γ光子的能力更是显著减少了信号损失，提高了能量分辨率。
相比之下，环形CZT-SPECT系统在各项性能上更具优势。其视场中心空间分辨率可达3.55 mm，并在不同位置保持稳定，而传统SPECT的分辨率随位置变化明显下降[24]。灵敏度方面，环形CZT系统的点源灵敏度比传统SPECT高1.6倍，激活对焦模式后可提升至8倍[25]。能量分辨率方面，CZT探测器在99Tcm、123I等同位素的测试中表现更佳，如140 keV能量下，CZT的半峰全宽(full width at half maximum，FWHM)仅5.46%，而传统SPECT为9.21%[26]。总体而言，环形CZT-SPECT凭借较高的空间分辨率和系统灵敏度，可提供高质量成像，适用于对成像精度要求较高的临床应用。然而，尽管其在能量分辨率和空间分辨率方面具有显著优势，CZT-SPECT在临床广泛应用中仍面临一定限制。首先，大面积CZT晶体在制备过程中易产生材料非均匀性缺陷，影响成像一致性与可靠性；其次，晶体加工及读出电子学集成工艺复杂，导致设备制造成本较高；此外，CZT探测器对环境温度较为敏感，需依赖冷却系统维持性能稳定，增加了系统运行复杂性。受上述技术与成本因素制约，目前CZT-SPECT设备的装机规模仍较有限，其临床推广与普及程度有待进一步提升。
四、SPECT重建算法的发展1. 传统图像重建算法：目前关于SPECT显像图像重建方法主要有两种：一种是解析法，其中以滤波反投影法(flitered-back projection，FBP)为主要算法；另一种是迭代法，主流的算法是有序子集期望最大化法(ordered subsets expectation maximization，OSEM)。首先，FBP分为滤波和反投影2个步骤，所谓“反投影”是把每个投影值均匀分配给投影线上的各个像素，将不同角度的分配结果叠加起来, 得到新的投影数据，再对投影数据进行空间滤波卷积计算，然后作反投影，这是FBP的基本原理[27]。虽然滤波反投影是一种高效的重建方法，但它在处理噪声较大的投影数据时并不总是表现得很好，而且当投影数据不完全是内部活动的线积分时，可能会产生伪影。
迭代法目前已经成为SPECT图像重建的首选方法，过去的十几年里，大多数SPECT仪器都已从传统的滤波反投影方法转向了迭代重建[28-29]。迭代重建的基本思想是为目标断层图像设定初始估计值，根据该估值计算理论投影数据，并与实际测量的投影数据进行比较，得到各像素的修正量以更新图像。随后，利用更新后的图像重新计算理论投影，并再次与实测数据比较并修正。通过多次重复上述过程，图像估计值逐步逼近真实的断层图像[30]。于是，在此基础上，Hudson和Larkin[31] 提出了OSEM算法，其核心思想是将全部投影数据划分为多个子集，每次使用1个子集的数据完成一次更新，称为1次子迭代，依次轮流使用所有子集完成1次完整的迭代。OSEM算法中的子集划分策略通过分块数据更新机制显著提升了重建效率。该技术将投影数据按角度划分为若干子集(如8、16、32个)，每次迭代依次使用单个子集进行图像更新[32]。实际应用中需根据探测器特性及噪声水平进行优化，临床SPECT系统多采用中等规模子集配置以平衡速度与质量[30]。
两种图像重建方法(FBP和OSEM)在基本原理上的差异是导致它们得到不同重建参数的主要原因。OSEM重建过程中，低放射性区域的噪声较低，而FBP在无衰减校正的情况下，噪声分布较为均匀，因此，OSEM在低计数情况下相较于FBP具有更大优势[33]。此外，OSEM重建时，像素值不会出现负值，更符合实际情况，而FBP重建时则可能出现物理上无意义的负值。OSEM的图像较少出现伪影，相比之下，FBP常产生伪影，且研究表明，OSEM的环形伪影面积约为FBP的1/3[34]。OSEM的主要优势在于其基于更符合实际的模型：首先，它使用了精确的随机变量概率统计模型，适合用于核医学图像重建[35]；其次，OSEM考虑了包括衰变、空间分辨率不均、衰减和散射等多种物理因素，这些因素在FBP中并未得到充分校正，这也导致了两者在其生成参数上的不同[27]。
2. DL图像重建算法：随着人工智能技术的快速发展，深度学习(deep learning, DL)算法正成为SPECT图像重建的研究热点。与传统的解析重建或迭代算法相比，DL算法通过构建端到端的映射模型，无需显式建模系统物理过程即可完成图像的反演任务[36]。DL方法在SPECT中的应用可分为三类：图像域增强、投影域增强及端到端重建[13]。其在图像域中的应用最为广泛，常采用U-Net或生成对抗网络结构，显著改善了图像的信噪比与结构清晰度，尤其适用于低剂量或小角度采样条件下的图像质量恢复，这在临床研究中已验证了其有效性，Yang等[37] 的研究显示，在心肌灌注显像中，DL算法相比有序子集期望最大化(OSEM)算法，在诊断一致性方面具有更高Kappa值(如>0.85)，并在低剂量条件下更好地保持了图像信噪比与诊断可信度。此外，将DL作为正则项嵌入传统迭代流程中，可进一步改善图像细节保留[36]。
五、SPECT图像定量技术除了算法层面的优化，现代SPECT/CT系统已经迈向了“定量化成像”，并能够实现核素在体内的活度估算[以Bq/ml或标准化摄取值(SUV)为单位]。这主要得益于CT的衰减校正、散射校正、部分体积效应校正与OSEM重建(含空间分辨率建模)的集成，使SPECT具备类PET的定量能力，尽管设备复杂度和校准流程仍较高。所谓图像定量技术，即在三维重建图像中直接测量每个体素内的放射性浓度，而非仅展示相对分布[38]。
核医学定量技术已在临床决策中发挥明确价值。心肌血流量、肿瘤标准摄取值和骨代谢率等定量指标正逐步整合进诊疗流程，在多种疾病管理中具有重要意义。以心脏疾病为例，基于CZT-SPECT获得的心肌血流量与冠状动脉血流储备定量结果，可准确反映冠心病患者的微循环功能状态，相比传统半定量方法，能更敏感地识别多支血管病变或微血管功能障碍，从而直接影响介入治疗或药物策略的选择[39]。在肿瘤影像评估中，SUV定量为病灶分期、疗效监测及预后判断提供了很好的客观依据，例如其动态变化可作为化疗或靶向放射配体治疗响应情况的早期评价指标[40]。在骨骼疾病方面，骨代谢率的精准计算有助于评估如前列腺癌骨转移等疾病的全身体骨负荷与病变活性，为制定系统的治疗策略和实现个体化管理提供了支持[41]。尤其值得强调的是，这些定量参数的临床价值已得到了严格验证。例如，在评估前列腺癌骨转移的全身肿瘤负荷时，基于SPECT/CT计算的骨代谢率已成为调整治疗策略的关键指标，其组内相关系数(ICC)普遍高于0.75，为跨中心、跨设备的临床研究和应用提供了坚实的数据可比性基础[42]。
六、SPECT设备的多模态技术发展SPECT/CT作为目前应用最为广泛的多模态成像系统之一，通过将SPECT的功能显像与CT的高分辨率解剖图像深度融合，为临床诊断、病灶定位以及放射性药物研究提供了较为全面的信息支持[43]。另外，SPECT/MRI系统，则通过融合磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)的卓越软组织成像能力与SPECT的高功能灵敏度，在降低电离辐射的同时，提升了对中枢神经系统、心脏等敏感区域的成像表现[44]。Hamamura等[45]构建的4.0 T磁场下集成CZT探测器的紧凑型SPECT/MRI系统，实现了同步采集双模图像的能力，但磁兼容性问题仍是制约其广泛临床应用的关键技术瓶颈。在此基础上，Hutton等[46]开发了全球首个MRI兼容临床SPECT原型系统，采用20个CsI(Tl)探测器构成静态环，配备多缝准直器，在保证磁兼容性的同时，达到了8 mm的空间分辨率和0.036%的系统灵敏度。
除“功能+解剖”的经典模式外，符合线路SPECT系统也可被视为一种多模态成像方式。该系统整合了多探头SPECT硬件与符合探测技术，利用正电子湮灭产生的成对511 keV光子实现电子准直，从而完成正电子成像。在结合衰减校正技术后，可通过同时探测γ光子对的时间与空间信息提高灵敏度与分辨率，并保留传统SPECT显像功能，实现“一机两用”。该系统的核心优势在于成本低于专用PET设备，且兼容常规SPECT检查[47]。临床应用主要集中于肿瘤代谢显像(如18F-FDG检测恶性肿瘤糖代谢)、心肌存活评估(通过血流代谢“不匹配”判断缺血心肌活性)及脑功能研究(如癫痫定位、痴呆鉴别)。尽管空间分辨率和动态定量能力稍逊于PET，但通过晶体材料优化与CT融合技术，其诊断准确性已能够满足临床需求，尤其在资源有限地区，成为了推动分子影像普及的重要工具[48]。
此外，光学分子影像技术的发展也为多模态融合提供了新的方向。荧光分子断层成像(fluorescence molecular tomography, FMT)作为一种新型的光学成像方法，通过注入荧光探针并通过外部激发产生荧光信号，结合探测器采集和图像重建，可获取体内靶点的三维荧光分布图像[49]。在此基础上，Hussain等[50]研发了一种创新的四模态小动物成像平台，将CT、PET、SPECT与FMT集成于同一系统中，能够在单次实验中同步获取多种成像信息，为小动物模型下的多维生理、代谢及分子过程的研究提供了更完整的解决方案。
七、展望目前，高性能临床SPECT机型的总体发展趋势将聚焦于高灵敏度、高分辨率及精准定量性能的提升，以满足现代医学对疾病早期诊断和精准治疗的需求。从技术层面来看，一些关键手段包括：高效率探测器的应用(如CZT探测器)、创新型准直器设计(如多孔径准直器与智能动态准直器)、先进重建算法(如基于人工智能的深度学习算法)，以及软硬件一体化的系统优化。同时，多模态成像技术的融合，如SPECT/CT和SPECT/MRI，也将进一步提高诊断准确性和病理解读能力。纵观核医学发展的整体趋势，未来会呈现出更明显的个性化和精准化特征，这将体现在医院和患者需求的不断变化中。从公共卫生的角度出发，核医学将更多地参与到疾病的早期筛查、疗效评估和疗法优化中，从而更好地实现对患者的三级预防。另外，核医学数据的标准化和大规模数据的交互共享，将极大地推动人工智能与影像分析的深度结合，从而实现医护人员的智能化诊断与决策支持。
在政策层面，全球医学影像需求的增长与技术迭代为核医学带来广阔前景。中国等新兴市场正加大对高性能设备研发与标准制定的投入，有望在全球核医学领域发挥更重要作用。此外，国内在CZT心脏专用SPECT规范化与多中心评估方面已取得示范进展，为政策支持与临床推广奠定基础。建议政府与行业进一步加强对核医学研发的支持，加速质量控制标准化，并制定促进高性能设备临床推广的政策框架，推动核医学可持续发展。
利益冲突 无
作者贡献声明 胡欣宇负责文献调研和论文撰写；宋颖、谭展、陈佳和参与论文修改；刘辉指导论文撰写与修改
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