醫(yī)學(xué)成像技術(shù)(第四章-放射性核素成像系統(tǒng)PET)

第四章放射性核素成像系統(tǒng)(xìtǒng)正電子發(fā)射計算機斷層掃描(PositronEmissionTomography)

PET共七十頁正電子放射性核素通常為富質(zhì)子的核素,它們衰變時會發(fā)射正電子。原子核中的質(zhì)子釋放正電子和中微子并衰變?yōu)橹凶樱赫娮拥馁|(zhì)量與電子相等，電量與電子的電量相同，只是(zhǐshì)符號相反。通常正電子（β＋）衰變都發(fā)生于人工放射性核素。反物質(zhì)基本原理4.4PET簡介(jiǎnjiè)共七十頁正電子湮滅(yānmiè)正電子湮滅前在人體組織內(nèi)行進1-3mm湮滅作用產(chǎn)生:能量（光子(guāngzǐ)是511KeV）動量同時產(chǎn)生互成180度的511keV的伽瑪光子。共七十頁共七十頁PET是核醫(yī)學(xué)發(fā)展的一項新技術(shù)，代表了當(dāng)代最先進的無創(chuàng)傷性高品質(zhì)影像診斷的新技術(shù)，是高水平核醫(yī)學(xué)診斷的標(biāo)志。主要(zhǔyào)被用來確定癌癥的發(fā)生與嚴重性、神經(jīng)系統(tǒng)的狀況，及心血管方面的疾病。使用PET造影，需在病人身上注射放射性藥物，放射性藥物在病人體內(nèi)釋出訊號，而被體外的PET掃瞄儀所接收，繼而形成影像，可顯現(xiàn)出器官或組織（如腫瘤）的化學(xué)變化，指出某部位的新陳代謝異于常態(tài)的程度。共七十頁PET的發(fā)展(fāzhǎn)20世紀20年代物理學(xué)家就從理論上推斷(tuīduàn)有帶正電荷的正電子存在。20世紀30年代開始對放射性核素的物理、化學(xué)性能進行了深入研究，發(fā)現(xiàn)了它們在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用價值。1953年Dr.Brownell和Dr.Sweet研制了用于腦正電子顯像的PET顯像儀60年代末出現(xiàn)了第一代商品化PET掃描儀，可進行斷層面顯像共七十頁1976年由Dr.Phelps和Dr.Hoffman設(shè)計，由ORTEC公司組裝生產(chǎn)了第一臺用于臨床的商品化的PET20世紀80年代更多公司投入了PET研制，島津（Shimadzu,1980）、CTI公司（1983）、西門子公司（Siemens，1986）、通用電氣公司（GE，1989）、日立公司（Hitachi，1989）和ADAC公司(1989)PET系統(tǒng)(xìtǒng)已日趨成熟，許多新技術(shù)用于PET產(chǎn)品，如：采用了BGO和LSO晶體的探測器、引用了數(shù)字化正電子符合技術(shù)、切割晶體的探測器模塊等，使PET系統(tǒng)的分辨率小于4mm。共七十頁共七十頁共七十頁共七十頁共七十頁共七十頁共七十頁共七十頁共七十頁4.5PET成像原理(yuánlǐ)PET的物理(wùlǐ)基礎(chǔ)：正電子湮滅共七十頁PET成像的設(shè)備(shèbèi)正電子核素設(shè)備(shèbèi)正電子示蹤計設(shè)備PET影像獲取回旋加速器放化標(biāo)記設(shè)備PET影像系統(tǒng)共七十頁正電子藥物(yàowù)由于C、N、O是人體組成的基本元素，而F的生理行為類似于H，故應(yīng)用11C、13N、15O、18F等正電子核素標(biāo)記人體的生理物質(zhì)如糖、氨基酸和脂肪，可在不影響內(nèi)環(huán)境平衡的生理條件下，獲得某一正常組織或病灶的放射性分布(形態(tài)顯示)、放射性標(biāo)記藥物濃集速率(sùlǜ)、局部葡萄糖氨基酸和脂肪代謝、血流灌注、受體的親和常數(shù)、氧利用率以及其他許多活體生理參數(shù)等，藉此顯示的形態(tài)和功能參數(shù)，以研究和診斷人體內(nèi)的病理生理異常與疾病，它較之傳統(tǒng)的解剖結(jié)構(gòu)現(xiàn)象更深入更全面，可更早期地發(fā)現(xiàn)病變。共七十頁共七十頁鎵銣共七十頁PET影像(yǐnɡxiànɡ)分辨率的極限正電子湮滅作用過程中粒子的動量的變化(biànhuà)會導(dǎo)致511keV光子在探測野中產(chǎn)生約4‰弧度的不確定性偏離。對探測環(huán)橫斷面視野直徑為70cm的PET，會導(dǎo)致2－3mm的位置不確定性。這一微小偏差，以及正電子發(fā)射位置與湮滅輻射的發(fā)生點之間存在微小間距，使PET的分辨率有一極限值制約。對大視野（FOV）PET而言，最高分辨率約為3－4mm。共七十頁PET（人體）影像(yǐnɡxiànɡ)分辨率的極限約為：~2mm共七十頁PET的結(jié)構(gòu)(jiégòu)共七十頁正電子湮滅作用產(chǎn)生的湮滅γ光子同時擊中探測器環(huán)上對稱位置上的兩個探測器。每個探測器接收到γ光子后產(chǎn)生一個定時脈沖，這些定時脈沖分別輸入符合線路進行符合甄別，挑選真符合事件符合線路設(shè)置了一個時間常數(shù)很小的時間窗（通?！?5ns），同時落入時間窗的定時脈沖被認為(rènwéi)是同一個正電子湮滅事件中產(chǎn)生的γ光子對，從而被符合電路記錄。時間窗排除了很多散射光子的進入。PET的數(shù)據(jù)(shùjù)采集共七十頁共七十頁符合探測技術(shù)能在符合電路的時間(shíjiān)分辨范圍內(nèi)，檢測同時發(fā)生的放射性事件。利用符合探測技術(shù)可以進行正電子放射性核素示蹤成像。使用符合探測技術(shù)，起到電子準直作用，大大減少隨機符合事件，提高了探測靈敏度。符合探測(tàncè)原理共七十頁共七十頁PET的電子(diànzǐ)準直共七十頁PET的電子(diànzǐ)準直湮滅γ光子(guāngzǐ)對只有在兩個互成180o的探測器的FOV(FieldofView)立體角內(nèi)才能被探測。利用湮滅輻射的特點和兩個相對探測器的符合來確定閃爍事件位置和時間的方法稱電子準直。共七十頁電子準直是PET的一大特點，它省去了沉重的鉛制準直器，改進了點響應(yīng)函數(shù)的靈敏度和均勻性。不再因準直器的使用損失了很大部分探測效率。避免了準直器對分辨率和均勻性不利(bùlì)的影響。利用了一部分被準直器擋住的γ光子，極大地提高了探測靈敏度。就2D采集模式而言，PET的靈敏度比SPECT高10倍以上。使用鉛準直器的SPECT系統(tǒng)分辨率為8－16mm，而電子準直的PET系統(tǒng)分辨率為3－8mm。PET電子(diànzǐ)準直的特點共七十頁PET的探測(tàncè)環(huán)X-Y平面(píngmiàn)為PET的橫斷面，與探測環(huán)平面平行。Z軸是PET的長軸，與探測環(huán)平面垂直。共七十頁PET的探測(tàncè)環(huán)共七十頁PET的探測(tàncè)環(huán)PET的探頭是由若干探測器環(huán)排列組成(zǔchénɡ)，探測器環(huán)的多少決定了PET軸向視野的大小和斷層面的多少。探測器環(huán)越多的探頭，軸向視野越大，一次掃描可獲得的斷層面也越多。探測器由晶體、光電倍增管和相關(guān)電子線路組成，許多探測器緊密排列在探測器環(huán)周上。共七十頁探測器必須有高探測效率。探測器必須有短符合分辨時間。探測器應(yīng)有(yīnɡyǒu)高空間分辨率。探測器空間分辨率主要取決晶體材料及尺寸大小，光電倍增管的多少。探測器應(yīng)有高可靠性和穩(wěn)定性。光電倍增管的性能會直接影響探測器的可靠性和穩(wěn)定性，閃爍晶體是探測器質(zhì)量的關(guān)鍵。探測器要求(yāoqiú)共七十頁PET斷層(duàncéng)圖像共七十頁PET三維重建圖像(túxiànɡ)

共七十頁反向投影(tóuyǐng)法(FBP)迭代重建法(EM，OS－EM)PET影像(yǐnɡxiànɡ)的重建

共七十頁PET影像(yǐnɡxiànɡ)的重建2D影像(yǐnɡxiànɡ)重建2D影像重建是PET影像重建的基礎(chǔ)把各方向投影數(shù)據(jù)組成正弦圖，每個投影為正弦圖的一行共七十頁PET影像(yǐnɡxiànɡ)的重建反向投影(tóuyǐng)重建其結(jié)果得到帶有星狀偽跡的圖像共七十頁PET影像(yǐnɡxiànɡ)的重建濾波(lǜbō)反投影重建用濾波函數(shù)把反向投影重建圖像的星狀偽跡去除其結(jié)果得到較精確的重建共七十頁PET影像(yǐnɡxiànɡ)的重建迭代(diédài)重建：EM和OS－EM共七十頁PET影像(yǐnɡxiànɡ)的重建(1.50+1.25+1.75)*10/3=15.00共七十頁PET影像(yǐnɡxiànɡ)的重建共七十頁PET影像(yǐnɡxiànɡ)的重建1.00*10=10.001.50*10=15.000.60*10=6.000.60*15=9.00共七十頁PET影像(yǐnɡxiànɡ)的重建共七十頁時間分辨：時間響應(yīng)曲線的半高寬（FWHM）空間分辨：探測器在X、Y、Z三個方向能分辨最小物體的能力。噪聲等效計數(shù)率：對于各次符合采集數(shù)據(jù)(shùjù)，與無散射和無隨機符合具有相同信噪比時的真符合計數(shù)率。系統(tǒng)靈敏度：單位時間內(nèi)、單位輻射劑量條件下獲得的符合計數(shù)。最大計數(shù)率：探測器在單位時間能計量的最大計數(shù)值。PET的性能參數(shù)共七十頁應(yīng)用光子準直和符合探測技術(shù)，提供了很好的空間定位，大大提高了探測靈敏度。其靈敏度比MRI高，比SPECT高10-100倍；改善了分辨率(可達4mm)，可檢出1cm大小的病灶，圖象清晰，診斷準確率高。能從一定體積的組織快速獲得多層面的斷層圖象,且可獲得全身各方向的斷層圖象，使臨床醫(yī)生(yīshēng)能一目了然地看到疾病全身狀況，它對腫瘤轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)的診斷尤為有利。PET成像的特點(tèdiǎn)共七十頁由于它采用兩個互成180度角的探測器進行探測，以及γ子光能量高，不易吸收，故湮沒輻射的位置深度對測量結(jié)果(jiēguǒ)無明顯影響，并可以得到極正確的衰減校正，它可用實測數(shù)和經(jīng)衰減校正后的真實數(shù)進行三維分布的“絕對”定量分析(精度±10％)，遠優(yōu)于SPECT。正電子核素為超短半衰期核素，適合于快速動態(tài)研究。共七十頁PET已被公認在某些疾病判定(pàndìng)方面特別有效，包括斷定癌癥是否存在，是否已擴散轉(zhuǎn)移，是否對治療有所反應(yīng)，及是否病患在治療后已不再有癌細胞。早期檢測：因為PET是做生物化學(xué)活動的造影，所以，它能正確地斷定一腫瘤為惡性或良性。因此，若PET影像顯出無高FDG吸收，便無須再以手術(shù)切片來判斷。此外，對PET做全身掃瞄可以確認是否有遠距離的癌癥轉(zhuǎn)移。

PET的臨床應(yīng)用(yìngyòng)－癌癥

共七十頁癌癥定期：因為PET的靈敏度非常高，所以可用來決定疾病的程度，正確的斷定癌癥轉(zhuǎn)移。檢查癌癥復(fù)發(fā)：PET被公認為是最有效的診斷程序來區(qū)分是否為癌癥復(fù)發(fā)或只是手術(shù)后或放射治療后的正常變化。評估化學(xué)治療的有效程度：在每一巡回的化療前后，可以用PET來測量(cèliáng)癌組織的代謝狀況，而加以比較，判斷是否為有效的化學(xué)治療。通常，以PET所看到的成功化療都比從生理結(jié)構(gòu)上所看到的治療反應(yīng)早。共七十頁共七十頁PET的臨床(línchuánɡ)應(yīng)用－神經(jīng)疾病PET能很生動的描繪出腦部不同區(qū)域的活動力是否異于正常，因此，對于診斷愛滋海默氏癥、巴金森氏癥、癲癇(diānxián)，及其它神經(jīng)疾病有非常大的影響。共七十頁PET的臨床應(yīng)用(yìngyòng)－神經(jīng)疾病共七十頁快樂(kuàilè)共七十頁共七十頁共七十頁借著測量心內(nèi)血流情況及心肌代謝能力，醫(yī)生可使用PET造影來精確指出心內(nèi)血流減少或阻塞的位置。也可以區(qū)分壞死的心肌或是活心肌而有不足血流的心肌存活檢查。對以前曾罹患心肌梗塞的病人，及正考慮接受血管(xuèguǎn)重建術(shù)的病人特別需要。PET的臨床(línchuánɡ)應(yīng)用－心血管疾病

共七十頁共七十頁功能影像:–反映患者體內(nèi)的功能代謝(dàixiè)–與CT、MRI相比分辨率較差(~4-5mm或更壞)–核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域:NM/SPECT,PET–其他領(lǐng)域：(MRS,fMRI),MEG(MSI),...解剖影像–反映患者解剖結(jié)構(gòu)–通?？色@得高分辨率影響(1mm或更高）–X線/CT,MRI,超聲4.5功能影像(yǐnɡxiànɡ)與解剖影像(yǐnɡxiànɡ)共七十頁因為PET是測量體內(nèi)化學(xué)變化及新陳代謝，而CT或MRI大部分則是用來“看”結(jié)構(gòu)，因此，在一些情況下，PET比CT或MRI都好，特別是在區(qū)分癌癥與良性組織，以及區(qū)分惡性或非惡性組織（如放射治療后的疤痕）。PET也經(jīng)常和CT及MRI透過“影像融合”的方式用以更清楚的看到在三維空間(sānwéikōngjiān)里正確的癌組織位置。較新的掃瞄儀，則是將PET及CT設(shè)計成一部機器。PET與CT,MRI

共七十頁CT與PET比較(bǐjiào)共七十頁CT與PET硬件、軟件同機融合解剖圖像與功能圖像同機融合同一幅圖象既有精細的解剖結(jié)構(gòu)(jiégòu)又有豐富生理、生化分子功能信息可用于腫瘤診斷、治療及預(yù)后隨診全過程高靈敏度、高特異性、高準確性PET、CT單獨能實現(xiàn)的，PET/CT一定能實現(xiàn)；PET/CT能實現(xiàn)的，PET或CT單獨不一定能實現(xiàn)PET/CT的特點(tèdiǎn)

共七十頁1953年正電子探測腦腫瘤1963年發(fā)射斷層1973年Hounsfield發(fā)明CT1976年P(guān)ET用于臨床1991年螺旋CT問世1995年Townsend研制(yánzhì)PET/CT,NCIGrant2000年P(guān)ET/CT在北美放射學(xué)會問世2001年P(guān)ET/CT用于臨床2002年LSOPET/CTUPMCPET