醫(yī)學(xué)影設(shè)備 PET成像

1、高能正電子成像高能正電子成像 主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容正電子正電子正電子放射性核素的生產(chǎn)正電子放射性核素的生產(chǎn)發(fā)射正電子的放射性核素發(fā)射正電子的放射性核素高能正電子成像方式高能正電子成像方式pet/ctpet/ct一、正電子一、正電子1 1、正電子正電子（e e+ +；稱；稱+ + 粒子）：粒子）： 是與電子（負電子）相似的一種帶是與電子（負電子）相似的一種帶電粒子。正電子帶一個正電荷，有電粒子。正電子帶一個正電荷，有一定質(zhì)量和能量。正電子所帶能量一定質(zhì)量和能量。正電子所帶能量的大小決定了正電子在組織中的消的大小決定了正電子在組織中的消失射程。失射程。 2 2、正電子發(fā)射、正電子發(fā)射原子核中的一

2、個質(zhì)子釋放正電子和原子核中的一個質(zhì)子釋放正電子和中微子并衰變?yōu)橹凶?。中微子并衰變?yōu)橹凶印?p p n+n+ + + 1818f f原子結(jié)構(gòu)：原子結(jié)構(gòu)： 9 9個質(zhì)子、個質(zhì)子、9 9個中子、個中子、 9 9 個核外電子；個核外電子； 注：氟穩(wěn)定結(jié)構(gòu)是注：氟穩(wěn)定結(jié)構(gòu)是1010個中子個中子carl andersoncarl anderson3 3、湮沒輻射、湮沒輻射（annihilationannihilation）湮沒輻射：湮沒輻射：是指是指+ + 粒子與物質(zhì)作用能量耗粒子與物質(zhì)作用能量耗盡時，和物質(zhì)中的自由電子（盡時，和物質(zhì)中的自由電子（e- e-）結(jié)合，）結(jié)合，正負電荷抵消，兩個電子的靜止質(zhì)量

3、轉(zhuǎn)化正負電荷抵消，兩個電子的靜止質(zhì)量轉(zhuǎn)化為為2 2個能量相等個能量相等 （511kev511kev）、方）、方 向相反的向相反的光光 子而自身消失子而自身消失。二、發(fā)射正電子的放射性核素二、發(fā)射正電子的放射性核素發(fā)射正電子的放射性核素發(fā)射正電子的放射性核素 1818f f 、1111c c、 1313n n 、1515oo 半衰期：半衰期： 1818f 1.87hrf 1.87hr、 1111c 20.4minc 20.4min、 1313n 10minn 10min、 1515o 122.5so 122.5s。 正電子的放射性核素正電子的放射性核素特點特點1 1、人體組織的基本元素人體組織的

4、基本元素。 易于標記各種生命所必需的化合物及其易于標記各種生命所必需的化合物及其代謝產(chǎn)物而不改變它們的生物活性，且可代謝產(chǎn)物而不改變它們的生物活性，且可以參與人體的生理、生化代謝過程；以參與人體的生理、生化代謝過程； 2 2、半衰期比較短。半衰期比較短。 檢查時可給予較大劑量，提高了影像的檢查時可給予較大劑量，提高了影像的對比度和空間分辨率，更真實地反映人體對比度和空間分辨率，更真實地反映人體生理、生化、病理和功能等方面的改變。生理、生化、病理和功能等方面的改變。三、正電子放射性核素的生產(chǎn)三、正電子放射性核素的生產(chǎn)醫(yī)用回旋加速器 正電子放射性核素通常是用穩(wěn)定的正電子放射性核素通常是用穩(wěn)定的核素

5、經(jīng)處理變成放射性核素。放射性核核素經(jīng)處理變成放射性核素。放射性核素素1818f f是用穩(wěn)定核素是用穩(wěn)定核素1818oo經(jīng)質(zhì)子轟擊而產(chǎn)生經(jīng)質(zhì)子轟擊而產(chǎn)生的。質(zhì)子帶正電，產(chǎn)生的的。質(zhì)子帶正電，產(chǎn)生的1818f f缺中子，其缺中子，其在衰變過程中放出一個正電子或俘獲一在衰變過程中放出一個正電子或俘獲一軌道上的電子行成穩(wěn)定核素。軌道上的電子行成穩(wěn)定核素。正電子發(fā)生器四、高能正電子成像方式四、高能正電子成像方式1 1、高能準直成像（、高能準直成像（heciheci） high energy positron collimation imaginghigh energy positron collimat

6、ion imaging 2 2、正電子符合探測成像、正電子符合探測成像(mcd) (mcd) molecular coincidence detection imaging molecular coincidence detection imaging petpet：positron emission tomographypositron emission tomography cpetcpet：circle petcircle pet hpethpet：hybrid pethybrid pet（一）正電子符合（一）正電子符合 探測成像探測成像1 1、符合探測成像原理、符合探測成像原理 符合探

7、測利用了湮沒輻射產(chǎn)生的符合探測利用了湮沒輻射產(chǎn)生的2 2個個光子的光子的直線性直線性、同時性同時性這兩個特點，這兩個特點，進行成像。進行成像。 (1)(1)直線性：直線性：即湮沒輻射產(chǎn)生的即湮沒輻射產(chǎn)生的2 2個個光子互成光子互成180180。 探測基本要求是探測基本要求是2 2個互成個互成180180的探頭的探頭 - 雙探頭雙探頭spectspect機。機。(2)(2)同時性同時性同時性即湮沒輻射產(chǎn)生同時性即湮沒輻射產(chǎn)生2 2個個光子，光子，同時被兩個相對探頭探測。同時被兩個相對探頭探測。l同時性要求采用一種特殊的線路同時性要求采用一種特殊的線路 符合線路符合線路符合線路符合線路符合線路（符

8、合線路（coincidence circuitcoincidence circuit）：只有進入）：只有進入兩個探頭的兩個兩個探頭的兩個光子是同時到達的閃爍事光子是同時到達的閃爍事件才能被記錄，否則不予接受，這種線路稱件才能被記錄，否則不予接受，這種線路稱符合線路符合線路。湮滅作用產(chǎn)生的兩個湮滅作用產(chǎn)生的兩個光子光子 幾乎同時擊中探測器環(huán)上對幾乎同時擊中探測器環(huán)上對 稱位置的兩個探測器，每個稱位置的兩個探測器，每個 探測器接收到探測器接收到光子后產(chǎn)生光子后產(chǎn)生 一個定時脈沖，這些定時脈一個定時脈沖，這些定時脈 沖分別輸入符合線路進行符沖分別輸入符合線路進行符 合甄別，挑選符合事件合甄別，挑選符

9、合事件。(3)(3)飛行時間技術(shù)（飛行時間技術(shù)（toftof）飛行時間：飛行時間：假設(shè)湮沒輻射產(chǎn)生在兩個探測器的假設(shè)湮沒輻射產(chǎn)生在兩個探測器的正中間，發(fā)生的正中間，發(fā)生的2 2個湮沒輻射光子可同時到達個湮沒輻射光子可同時到達兩探測器，產(chǎn)生的脈沖時間差為零，除此之外，兩探測器，產(chǎn)生的脈沖時間差為零，除此之外，其他位置發(fā)生的湮沒輻射光子，在探測中總有其他位置發(fā)生的湮沒輻射光子，在探測中總有一定時間差，這個時間差稱為飛行時間。一定時間差，這個時間差稱為飛行時間。符合時間窗符合時間窗：是為時間差所設(shè)的限，即兩個光：是為時間差所設(shè)的限，即兩個光子被記錄的時間差小于子被記錄的時間差小于符合時間窗時，就被作

10、符合時間窗時，就被作為一次符合探測。為一次符合探測。它決定著符合探測效率、穩(wěn)它決定著符合探測效率、穩(wěn)定性和精確度。定性和精確度。 符合窗時間一般定為符合窗時間一般定為12-12-15ns15ns，現(xiàn)在，現(xiàn)在5ns5ns。rpmtpmtcoincidenceprocessingdetectorringprojectiondatacollectionprocessingelectronicsprocessingelectronicscoincidenceprocessordatasorting,histogramimagereconcomputerimages19傳統(tǒng)傳統(tǒng)pet無飛行時間無飛行時間

11、飛行時間飛行時間“飛行時間”基本概念定位三維空間的一條線定位三維空間的一個點20飛行時間原理t1=1.3nst2=1.7nsr+xr-x2x=(t2-t1)*cx=t*c/2notoftof定位精度和時間分辨率的關(guān)系x=t*c/2x是位置誤差，即定位精度是位置誤差，即定位精度t是時間誤差，即時間分辨率是時間誤差，即時間分辨率所以定位精度與時間分辨率成正比例關(guān)系所以定位精度與時間分辨率成正比例關(guān)系650ps的時間分辨率對應(yīng)有9.75cm的定位精度580ps的時間分辨率對應(yīng)有8.7cm的定位精度20ps的時間分辨率對應(yīng)有3mm的定位精度降噪機制a是傳統(tǒng)pet，一個體素的lor穿過所有其他同一條線上

12、的體素b是tofpet，定位精度以外的體素的影響將不再考慮23無飛行時間無飛行時間有飛行時間有飛行時間24無飛行時間無飛行時間morepreciselocalizationofannihilationeventimprovesimagequality靈敏度和信躁比靈敏度和信躁比更少的外部計數(shù)飛行時間更高的有效靈敏度+更高信躁比有效的范圍內(nèi)有更高的計數(shù)有飛行時間有飛行時間 （1 1）真符合：）真符合：是構(gòu)成是構(gòu)成petpet斷層影像所需的斷層影像所需的湮沒輻射湮沒輻射光子。真符合數(shù)越多，影像光子。真符合數(shù)越多，影像質(zhì)量越好。質(zhì)量越好。v真符合真符合光子必須具備光子必須具備3 3個條件：個條件：

13、2 2個個光子同時同地發(fā)生；光子同時同地發(fā)生； 2 2個個光子互成光子互成180180角度角度 2 2個個光子能量為光子能量為511kev511kev。2 2、真符合、隨機符合與散射符合、真符合、隨機符合與散射符合 （2 2）隨機符合）隨機符合隨機符合：隨機符合：是一種假符合，其兩個是一種假符合，其兩個光子光子毫無時間與空間的相互關(guān)系，但在符合時毫無時間與空間的相互關(guān)系，但在符合時間窗內(nèi)被誤認為間窗內(nèi)被誤認為“同時同時”發(fā)生的發(fā)生的2 2個個光子光子而探測下來。而探測下來。隨機符合與真符合區(qū)別：隨機符合與真符合區(qū)別：符合探測的符合探測的2 2個個光子來自不同的湮沒輻射事件。光子來自不同的湮沒輻

14、射事件。隨機符合是符合探測成像中的噪聲，增加隨機符合是符合探測成像中的噪聲，增加圖像本底，降低圖像的對比度和分辨率。圖像本底，降低圖像的對比度和分辨率。隨機符合的效率高于真符合隨機符合的效率高于真符合散射符合散射符合是湮沒輻射產(chǎn)生的是湮沒輻射產(chǎn)生的2 2個個光子，如光子，如果一個到達探頭之前與組織發(fā)生散射，但仍果一個到達探頭之前與組織發(fā)生散射，但仍在符合時間窗內(nèi)被探頭探測，稱在符合時間窗內(nèi)被探頭探測，稱散射符合散射符合. .散射符合散射符合的符合線與原始湮沒輻射事件的的符合線與原始湮沒輻射事件的位置完全不一致位置完全不一致, ,導(dǎo)致錯誤的位置信息導(dǎo)致錯誤的位置信息, ,影響影響成像的空間分辨率

15、成像的空間分辨率. .特點：特點：散射散射光子能量小于光子能量小于511kev,511kev, 方向不成方向不成180180。（3 3）散射符合）散射符合減小假符合方法減小假符合方法(1)(1)降低單探頭的計數(shù)率降低單探頭的計數(shù)率 控制注入劑量，不是劑量越高，影像質(zhì)量越控制注入劑量，不是劑量越高，影像質(zhì)量越好。假符合數(shù)與單個探頭計數(shù)率平方成正比，而好。假符合數(shù)與單個探頭計數(shù)率平方成正比，而真符合只與探頭計數(shù)率一次方成正比。在低計數(shù)真符合只與探頭計數(shù)率一次方成正比。在低計數(shù)率時，增加計數(shù)，真符合增加明顯。在高計數(shù)率率時，增加計數(shù)，真符合增加明顯。在高計數(shù)率時，增加計數(shù)，假符合增加明顯。時，增加計

16、數(shù)，假符合增加明顯。(2)(2)減小符合分辨時間減小符合分辨時間（由（由15ns15ns降至降至2ns2ns）；）；(3)(3)用硬件加以校正，如軸向屏蔽用硬件加以校正，如軸向屏蔽。（二（二） hpet hpet成像成像1 1、 hpethpet成像基礎(chǔ)成像基礎(chǔ) （1 1）1818f-fdgf-fdg應(yīng)用；應(yīng)用； 被評為被評為19971997年最受歡迎的放射性藥物。年最受歡迎的放射性藥物。 （2 2）雙頭、三頭雙頭、三頭spectspect機機開發(fā)與研究成功。開發(fā)與研究成功。 雙頭雙頭spectspect機機+ +符合線路在正電子符合符合線路在正電子符合探測成像，獲得了美國探測成像，獲得了美國

17、fdafda的批準的批準。2 2、 hpet hpet符合成像的特殊要求符合成像的特殊要求（1 1）單道分析器能譜擴寬）單道分析器能譜擴寬（2 2）重建）重建511kev511kev校正表校正表 均勻性校正表、線性校正表、能量校均勻性校正表、線性校正表、能量校正表等。正表等。（3 3）探頭屏蔽加厚）探頭屏蔽加厚（4 4）晶體厚度）晶體厚度（5 5）最大計數(shù)率）最大計數(shù)率 每個光電倍增管的輸出跟一個模數(shù)轉(zhuǎn)每個光電倍增管的輸出跟一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器換器, ,降低死時間降低死時間, ,提高計數(shù)率。提高計數(shù)率。3 3、 hpet hpet成像特點成像特點（1）使用符合電子準直，大大提高了探測效率及系統(tǒng)分辨率

18、。電子準直：湮滅光子對，只有在兩個互成180的探測器的視野立體角內(nèi)才能被探測，這種利用湮滅輻射的特點和兩個相對探測器輸出脈沖的符合來確定閃爍事件位置的方法稱電子準直。電子準直是和hpet的一大特點，它省去了沉重的鉛制準直器，大大提高了探測效率，hpet的靈敏度比spect高10倍以上；電子準直的hpet系統(tǒng)分辨率為612mm，鉛制準直器的spect系統(tǒng)分辨率為816mm。hpethpet成像特點成像特點（2 2） hpet hpet比比petpet機價格便宜，可一機兩用。機價格便宜，可一機兩用。（3 3）可進行身體任何部位的正電子成像。）可進行身體任何部位的正電子成像。（4 4）符合探測成像僅

19、適合）符合探測成像僅適合1818f-fdgf-fdg的正電的正電 子成像。子成像。（5 5） hpet hpet功能及影像質(zhì)量與功能及影像質(zhì)量與petpet相比仍有相比仍有 待提高待提高。（三）（三）p e tp e t顯像顯像 positron emission tomographypositron emission tomography 1 1、petpet機構(gòu)成機構(gòu)成 petpet機構(gòu)成機構(gòu)成由探頭、斷層床、計由探頭、斷層床、計算機及其他輔助部分組成。算機及其他輔助部分組成。 探頭由晶體、光電倍增管、前端探頭由晶體、光電倍增管、前端電子學(xué)線路及射線屏蔽裝置組成。電子學(xué)線路及射線屏蔽裝置組

20、成。 探測器閃爍晶體是探測器質(zhì)量的關(guān)鍵；光電倍增管的性能直接影響探測器的可靠性和穩(wěn)定性。 各種晶體性能比較各種晶體性能比較petpet基本單位基本單位vpetpet基本單位基本單位單個晶體與光電倍增管構(gòu)成單個晶體與光電倍增管構(gòu)成分離分離的探測器的探測器。 分離探測元件占用的光電倍增管多、造價分離探測元件占用的光電倍增管多、造價高、靈敏度低、機械穩(wěn)定性差。高、靈敏度低、機械穩(wěn)定性差。塊狀結(jié)構(gòu)探測器塊狀結(jié)構(gòu)探測器在在8080年代中期西門子公司發(fā)明。年代中期西門子公司發(fā)明。 這種結(jié)構(gòu)是在一塊大晶體上刻許多槽，把這種結(jié)構(gòu)是在一塊大晶體上刻許多槽，把晶體分成晶體分成8 88 8的小矩陣，后面聯(lián)接的小矩陣

21、，后面聯(lián)接4 4個光電倍個光電倍增管。這種結(jié)構(gòu)大量節(jié)省了光電倍增管，改善增管。這種結(jié)構(gòu)大量節(jié)省了光電倍增管，改善了光的收集效率，提高了靈敏度、空間分辨率、了光的收集效率，提高了靈敏度、空間分辨率、機械穩(wěn)定性，維修探頭也很方便。機械穩(wěn)定性，維修探頭也很方便。2 2、petpet數(shù)據(jù)采集方式數(shù)據(jù)采集方式petpet數(shù)據(jù)采集方式：數(shù)據(jù)采集方式： 2d2d方式與方式與3d3d方式方式2d2d方式是在有電子準直狀態(tài)下采集方式是在有電子準直狀態(tài)下采集3d3d方式是在撤除準直的狀態(tài)下采集方式是在撤除準直的狀態(tài)下采集3d3d方式信息量較方式信息量較2d2d方式高方式高90%90%，信息量大信息量大, ,分辨率

22、高分辨率高, ,噪聲多噪聲多. .2d2d和和3d3d采集方式原理采集方式原理消除來自消除來自視野內(nèi)、外的散射視野內(nèi)、外的散射以獲得高質(zhì)量圖像以獲得高質(zhì)量圖像總計數(shù)高，但由于總計數(shù)高，但由于散射和隨機計數(shù)也散射和隨機計數(shù)也明顯增加，影響圖明顯增加，影響圖像質(zhì)量像質(zhì)量snrin3dand2dfor251lbpatientpatientgeometrycrystaldepthtimingwindow&electronicsfinalimagefdg15mciinjected,scanned2hour2minpostinjection6.87mciatacq.254milliondisint

23、egrations/sec375kcounts/sec313kcounts/sectrues=43.6krandom=210kscatter=59.4k3dtrues%=14%r+s=86%necr=10kcps15mciinjected,scanned1hour38minpostinjection8mciatacq.22kcounts/sec21.4kcounts/sectrues=11.3krandom=7.3kscatter=4k2dtrues=53%r+s=47%necr=7.5kcps3d 3d 散射計數(shù)和隨機計數(shù)明顯增加，影響圖像質(zhì)量散射計數(shù)和隨機計數(shù)明顯增加，影響圖像質(zhì)量dept

24、h=30mmdepth=30mm296milliondisintegrations/sec3d采集采集2d采集采集 5mm5mm病灶檢測病灶檢測3d3d采集采集2d2d采集采集3d3d采集圖象采集圖象2d2d采集圖象采集圖象前列腺腫瘤前列腺腫瘤5mm病灶檢測2d和和3d采集方式臨床應(yīng)用采集方式臨床應(yīng)用3d采集方式采集方式2d采集方式采集方式常規(guī)注射計量常規(guī)注射計量90kg病人成像病人成像由于散射和隨機計由于散射和隨機計數(shù)率高，數(shù)率高，圖像較模圖像較模糊糊圖像質(zhì)量佳圖像質(zhì)量佳體重體重80kg病人成像病人成像necr值值低于低于2d高高5mm病灶檢出率病灶檢出率差差高高 2d、3d采集方式靈活應(yīng)用采集方式靈活應(yīng)用門控放射治療門控放射治療無門控時，呼吸運動.傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的ctct不能準確定位不能準確定位ct放療靶區(qū)定位放療靶區(qū)定位無法預(yù)測真實的運動情況無法預(yù)測真實的運動情況腫瘤由于呼吸運動的影響，偏離放射治療靶區(qū)腫瘤由于呼吸運動的影響，偏離放射治療靶區(qū)放射治療野明顯增大，損傷正常的組織放射治療野明顯增大，損傷正常的組織無門控時.唯一的辦法，增大放射治療野