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γ照相机存在着两个缺点：微小的病变、深部的病变或放射性浓度改变较小的病变，会被其前后的放射性掩盖而难以清晰地显示；不便于对放射性分布进行定量计算。SPECT是在γ照相机的基础上发展起来的断层成像设备，显示人体内一个或多个组织断层中放射性核素的浓度分布，可以开展全身扫描；生理门控，例如心脏R波出发的心脏扫描；多探头的全身扫描和断层扫描；利用符合电路，测量511keV的湮灭辐射；也可以作为平面γ照相机使用。
SPECT由探头、机架、电子学线路和计算机系统等组成。
探头可分为旋转型和固定型（环型），常见为旋转γ照相机型。γ照相机探头围绕身体旋转360°或180°进行完全角度或有限角度取样，重建出各种方向的符合临床要求的断层影像，同时可以进行平面、断层和全身显像。为了较快速地成像、提高空间分辨率，可以使用多个探头从多角度采集光子信号。探头多为方型，以覆盖人体的宽度方向，一次完成全身扫描。机架用支撑探头，并能够让探头在其上运动。
电子学线路包括光电倍增管的高压电源、线性放大器和脉冲高度分析器等。对从探测器输送来的信号进行分析、处理。从体内射出的γ射线，虽经准直器的初步筛选，仍有一些与组织或环境中的原子碰撞而产生的散射光子，以及两个γ光子同时射入晶体而形成的“叠加”光子，导致坐标信息错误、定向畸变和图像质量恶化。这些光子一般具有能量过低或过高的特点，利用脉冲高度分析器，规定能量限度和允许波动范围，只允许能量范围合适的γ光子脉冲通过，就可以排除掉能量异常的光子。随后将处理后的光子脉冲计数送至成像系统。
计算机统一控制和管理SPECT的工作参数、所有数据，还负责采集数据的修正、图像重建和结果显示的控制，提供PACS系统的相关接口。SPECT所使用的基本应用软件有：数据采集软件，实现校正因子采集、预置时间采集、预置计数采集、门控R波触发采集和双核素采集等；图像处理软件，进行均匀性校正、勾边处理和影像放大；用平滑和滤波函数等方法除掉数据采集时的噪声，增加影像的清晰度和反差；对影像进行叠加、组合和定量分析等；动态影像分析软件，例如局部脑血流的定量测定软件，在采集到的脑动态系列影像上勾画感兴趣区，产生时间-放射性曲线。
SPECT是装备了旋转支架的γ照相机，从不同角度上采集患者体内放射性药物发射的γ光子，可以在三维空间重建放射性药物在人体内的浓集分布。从聚集着放射性核素的脏器发出的γ射线以均匀的角概率分布发射，成像过程就是要测量初始轨迹位于某一特定断层中的γ射线的分布。SPECT大多采用横向断层扫描，即断层面与人体轴垂直，将一个或两个γ照相机探头绕人体轴连续或分度旋转一周，探测器将扫描时每一条线上体内放射性核素发出的射线记录下来，得到一组直线投影的数据，这些投影数据的集合就构成一个投影断层面，探测器旋转一定角度，再重复以上程序，直到绕完人体一周。根据二维投影数据即可重建出横断面图像，也可得到矢状面及冠状面的图像，即放射性密度分布。
对核医学成像来说，计数的统计涨落是数据中的主要噪声形式，作为计数有限的核医学成像，其噪声水平是比较高的。这是由于γ射线在人体内会受到吸收衰减、散射和统计噪声的影响。统计噪声主要取决于每个体素内的总计数值，由于核素成像是量子事件，成像时间不足的话，会因为本底噪声等，使体素的值受到邻近体素的干扰；散射噪声来源于γ光子和人体组织的康普顿散射；衰减噪声来源于γ光子在被测量脏器到探测器的路径上被吸收。在重建SPECT图像过程中除了利用类似于X-CT的滤波反投影算法以外，用最大似然迭代等统计方法重建图像也是常用的手段，同时必须对衰减进行修正。常利用体外的γ源，由射线源绕人体旋转一周，形成人体的轮廓线，同时重建出人体内部的线性衰减分布。现在也有使用X-CT测量受测部位的衰减系数，以加快衰减校正的速度。
SPECT断层均匀性是重要的性能指标，有三方面会影响断层均匀性：构成断层图像的原始信息量低，统计噪声高；探头旋转造成均匀性变化；重建过程对非均匀性要加以放大。保证断层图像的均匀性不仅要把γ照相机探头本身的均匀性调节好，还要加大计数，加准直器和散射媒质。
旋转中心是SPECT重要性能指标。SPECT的旋转中心是一个位于旋转轴上的虚设空间点，必须是空间坐标系统、γ照相机探头电子坐标系统和计算机图像重建坐标系统的重合点。不重合会表现为旋转轴倾斜和旋转中心漂移。有多种方法可以判断旋转中心漂移与否。一种是观察点源的正弦曲线，将一点源置于距离旋转中心10～15cm处，然后沿360°轨道采集32帧图像，用重心法确定图像中点源的 X 、 Y 位置。用直角坐标画点源位置-角度关系曲线应为一正弦曲线。正弦曲线不连续、中线偏移均表示旋转中心有漂移。 Y 坐标与角度的关系曲线应为一直线，距离平均值的差异表示旋转轴倾斜的情况。另一种是测量点源在两个180°位置上的距离差。如果旋转中心无漂移，则对应两点所测的距离应相等；漂移越大，两者相差就越大。
SPECT的性能指标还包括的空间分辨率、轴向空间分辨率、断层灵敏度和总灵敏度等。同时，空间线性、空间分辨率和均匀性、平面源灵敏度、最大计数率、多窗空间位置重合性和固有能量分辨率等γ照相机指标也被用于衡量SPECT的性能。