PET(Positron Emisson Tomography)物理学基础

核医学技术   2009-12-06

1.基本情况介绍 PET是英文Positron Emisson Tomography的缩写。PET在临床的显像过程是从回旋加速器得到要使用的发射正电子的放射性核素(如:F-18)后,将放射性核素标记到能够参与人体组织血流或代谢过程的化合物上,给受检者注射标记发射带有正电子核素的化合物后让受检者在PET的有效视野范围内进行PET显像。带有正电子放射核素放射出的正电子在体内移动大约1mm后和负电子结合发生湮灭现象,正负电子消失并同时产生两个能量相等(511Kev),方向相反的g 光子。在PET探头系统内由数个探测器环构成,由湮灭产生的两个方向相反的光子能够被探头内的两个探测器分别探测到。探测器探测到的两个光子由于在体内经历的路径不同分别到达两个探测器的时间也有一定的差别。我们把探测到这两个光子过程称为探测符合事件过程,这两个光子产生的过程称为符合事件。在两个探测器探测探测到光子后就可以确定体内有放射性核素分布投影,然后进行图象重建确定体内核素的分布。

2.正电子发射和湮灭产生 含有富质子同位素通过正电子衰变,在核内质子通过衰变成为正电子和中子。下表是能够衰变产生正电子的放射性核素。


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符合成像探测和电子准直器 在进行正电子探测过程中,每一个探测器产生了一个时间脉冲。这些脉冲在符合电路系统被进行符合运算。假如脉冲落在规定的时间窗内我们认为有一个符合事件发生。时间窗一般在0-15nSec。



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上图描述符合探测过程。当第一个探测器探测到一个511Kev光子后要同时检测第二探测器上是否在规定时间内(一般0-15nSec)探测到另外一个511Kev的光子。如果探测到我们就能够确定有一个湮灭发生,同时在投影相映位置记录一个计数。在PET探测系统中采用的是电子准直,而常规的SPECT(Single Photon Emission Computer Tomograhy)采用的是含有金属铅准直器。电子准直器和常规的准直器相比具有非常高的灵敏度和分辨率。 A.电子准直器探测

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电子准直器的探测和每个探测器大小以及晶体的厚度有关系。特别是灵敏度和晶体的大小成正相关性。 B.准直器探测

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点源距离准直器的距离不同灵敏度有明显的差别。距离大点源的灵敏度高但是分别率低,距离小点源灵敏度底分别率高。准直器的存在明显降低了系统的灵敏度。相比之下电子准直系统灵敏度高(没有铅屏蔽的影响),但是两个探头测器探测到的信号需要做进一步的符合计算过程,而且需要高速采集系统。 我们能够看出电子准直和常规的准直器方法有着本质的区别。

4.g 射线和体内组织相互作用及衰减校正 由正电子湮灭后产生的g 射线在体内和组织发生的康普顿和光电效应是最重要的两个效应。康普顿效应是光子和物质的电子发生作用后光子的部分能量有丢失。对于511KEV 光子在光子方向偏斜25度时能量将会丢失10%。所以康普顿效应是影响图象质量重要的因素。在光电效应中原子核外的电子吸收光子能量后电子的能量,光电效应发生的概率随着原子序数的增加而增加。在水中, 光电效应使能量降低大约是光子能量的3次方,对于511KEV这是微不足到的。 当光子通过体内组织时光子和组织相互作用而衰减,衰减系数被称为线性衰减系数。 I0是单能量平行光束开始的强度 I(X)是经过X距离衰减后的强度
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上述假定不存在散射影响。假如发生湮灭效应后,两个光子光子中P1发生衰减计算如下:

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光子P2发生衰减计算是:

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两个光子发生衰减情况PC是:

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通过下面的示意图我们更能理解正电子发射断层显像时衰减要比单光子明显。所以正电子(包括符合电路成象系统)必须进行衰减校正,这样才能减少临床诊断的假阳性或假阴性。
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光子在人体内衰减示意图

二.PET的探测系统 探头是整个正电子发射显像系统中最主要的成分。理解他们的特性对于建立操作标准或得到定量信息非常重要。PET的探测系统我们又可以分成闪烁探头以及后续电路系统组成。以下我们分别介绍各个系统: 闪烁探头:闪烁探头最主要的作用是将高能光子通过闪烁物质转换成可见光。这和单光子探测系统一样经历以下过程: 射线和闪烁物质通过光电效应或康普顿效应。 在上述两个效应发生过程中光子丢失部分能量转换成可见光。 理想的闪烁物质应该是: 闪烁物体应该有大的原子系数 射线在闪烁体中能够产生尽可能强的光 闪烁体对由射线产生的光吸收最小 闪烁体具有和玻璃对光相近光的的折射率。

下表是不同闪烁物质对和g 射线相互作用的特性
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从各种性能综合来分析NaI常用于SPECT/PET,而BGO常用于PET。在PET系统中采用块状探测系统,确切的讲就是由许多个块构成一个环,由数十个环构成一个整体探测系统。每个块大约由36个小块晶体组成,在晶体之后又有2对(4个)PMT将光信号转换成电信号。

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假如每一个块内有4个PMT,他们分别是A,B,C和D;那么光子位置(X,Y): X=(A+B)/(A+B+C+D) Y=(A+C)/(A+B+C+D) 36个块壮晶体组成的块壮探测器有利于消除散射,提高计数率。

2.脉冲处理 由闪烁体内产生的光子经过PMT转换成电信号。由PMT产生的电信号被用于产生时间信号。脉冲信号经过数字化通过常分鉴别器后的脉冲被用于符合电路信号处理中。鉴别器被分为低能鉴别器和高能鉴别器。低能鉴别器被用来消除散射射线,但是该方法并不能完全消除散射射线,因为有一些散射射线的能量是接近511Kev。

3.符合电路系统 下图是符合电路处理系统的示意图。通过符合电路系统处理获得响应湮灭发生信号后,就能够确定有正负电子符合发生

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4.死时间校正 符合电路系统中由于计数率是SPECT系统计数率10倍以上,因此死时间对计数率的影响是非常严重的。这要求整个电子系统具有高速处理功能。这样能够减少计数的丢失。在双探头符合电路系统死时间校正显得更为重要。

5.PET系统

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上图是PET外形示意图 前文我们讨论的是一个环符合电路探测系统,但是一个环由于探测的有效视野非常小没有实际意义。临床上常常采用十几个环结合在一起进行形成临床形的PET。下图是5个环每个环13个探测器示意图。在环和环之间是环间隔,它对消除散射具有重要作用。

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三.PET 2D和3D采集方式 PET探头由于采用块状结构基础,所以能够选择2D或3D采集方法。2D采集方法是在环和环之间放置用铅或钨间隔以减少散射对图象质量的影响,符合仅仅使用环内探测器或临近几个环。符合计算是将临近几个环(一般2-3个环)计数进行相加计算或是在轴向通过数据重组建成环数乘2加1个平面的数据以便采用常规方法进行图象重建。下图是2D采集示意图。

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3D数据采集是取消环之间的间隔后在所有的环内进行符合计算的过程。3D采集明显提高计数率,但是数据重组时需要花费非常多的运算。2D采集分辨率高,但是计数率低;3D采集计数率非常高,但是散射非常严重,图象的分辨率较低。2D和3D采集时另一个重要区别是灵敏度不同。3D采集时视野中心的灵敏度最高,这是3D采集的独特点。下图是3D采集示意图。
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无论是2D采集还是3D采集探头的有效视野(FOV)对灵敏度均有影响。FOV大系统的灵敏度就高。对于PET探测系统来讲灵敏度是最重要。目前PET在全球范围内大多数在临床用于肿瘤的探测。

四.PET校正技术 在PET图象处理过程中,为了达到体外定量分析的目的就需对影响图象质量的许多因素进行校正 。

1. 射线衰减校正:PET图象的衰减校正比单光子断层图象衰减校正重要。这主要是因为两个光子同时受到在组织衰减的影响,假如光子1的衰减是P1,光子2的衰减P2 ,两个光子的衰减是P1´ P2。常用衰减校正方法有计算方法衰减校正和测量方法衰减校正两种: 计算方法衰减校正:假设人体组织的衰减是均匀的,不存在差异。选择阈直确定人体轮廓后就能进行衰减校正计算。 测量方法衰减校正:这种方法采用两个Ge-68(一般5-10Mci)放射源穿透人体后得到人体组织衰减系统图,用该衰减系统图进行衰减校正。下图是穿透源图。

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    在进行衰减校正计算过程时为了提高图象质量,采用SAC分段计算衰减系数方法(Segment Attenuation Correction)。

    目前发展的趋势是将诊断X线CT和PET设备做到一起,即我们常讲的PET/CT。采用X线CT图象进行PET图象射线衰减校正,因为X线CT图象分辨率高操作简单;更重要的是能够采用诊断CT图象和PET图象进行同机图象融合。这对于肿瘤病人手术和放射治疗定位具有极其重要的临床意义。

2.散射校正:散射是影响图象质量又一个重要因素。 在常规PET采集数据中有35-40%的计数是散射来的计数。目前仍然采用和单光子相同的方法进行散射校正,即卷积相减方法,直接测量方法和模型基础方法。

3.死时间校正:2D和3D采集方法中,均有大量的计数丢失。为了达到定量目的需要对采集的计数进行死时间校正。

4.探头系统正常校正:在PET探头系统由于每个块以及每个环之间均存在均匀性的差异,直接影响的是系统每个LOR(Lear Of Respone)存在差异,而且这种差异比单光子发射断层仪更严重。采用标准的穿透源进行系统LOR校正。但是这种方法对3D采集均匀性校正的程度是有限的。

五.图象重建方法 PET图象一般均采用迭代图象重建方法,为了加速图象重建过程也采用复氏变换后的图象重建方法。 随着SPECT和符合电路在我们国家的不断普及,我们相信PET将会在我们国家医疗诊断中发挥作用,特别是PET/CT的出现为了肿瘤病人的诊断和治疗起着决定性的作用。

(参考来源:,影像园,作者:admin)
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