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(jì)算機(jī)斷層掃描(PositronEmissionTomography)

PET共七十頁(yè)正電子放射性核素通常為富質(zhì)子的核素,它們衰變時(shí)會(huì)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(hào)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(jiǎn)介(jiǎnjiè)共七十頁(yè)正電子湮滅(yānmiè)正電子湮滅前在人體組織內(nèi)行進(jìn)1-3mm湮滅作用產(chǎn)生:能量（光子(guāngzǐ)是511KeV）動(dòng)量同時(shí)產(chǎn)生互成180度的511keV的伽瑪光子。共七十頁(yè)共七十頁(yè)P(yáng)ET是核醫(yī)學(xué)發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，代表了當(dāng)代最先進(jìn)的無(wú)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(lái)確定癌癥的發(fā)生與嚴(yán)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(hào)，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(yè)P(yáng)ET的發(fā)展(fāzhǎn)20世紀(jì)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(jì)30年代開(kāi)始對(duì)放射性核素的物理、化學(xué)性能進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)了它們?cè)谏飳W(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)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(jìn)行斷層面顯像共七十頁(yè)1976年由Dr.Phelps和Dr.Hoffman設(shè)計(jì)，由ORTEC公司組裝生產(chǎn)了第一臺(tái)用于臨床的商品化的PET20世紀(jì)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(cè)器、引用了數(shù)字化正電子符合技術(shù)、切割晶體的探測(cè)器模塊等，使PET系統(tǒng)的分辨率小于4mm。共七十頁(yè)共七十頁(yè)共七十頁(yè)共七十頁(yè)共七十頁(yè)共七十頁(yè)共七十頁(yè)共七十頁(yè)共七十頁(yè)4.5PET成像原理(yuánlǐ)PET的物理(wùlǐ)基礎(chǔ)：正電子湮滅共七十頁(yè)P(yáng)ET成像的設(shè)備(shèbèi)正電子核素設(shè)備(shèbèi)正電子示蹤計(jì)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(yè)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?xiàng)l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(yè)共七十頁(yè)鎵銣共七十頁(yè)P(yáng)ET影像(yǐnɡxiànɡ)分辨率的極限正電子湮滅作用過(guò)程中粒子的動(dòng)量的變化(biànhuà)會(huì)導(dǎo)致511keV光子在探測(cè)野中產(chǎn)生約4‰弧度的不確定性偏離。對(duì)探測(cè)環(huán)橫斷面視野直徑為70cm的PET，會(huì)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(diǎn)之間存在微小間距，使PET的分辨率有一極限值制約。對(duì)大視野（FOV）PET而言，最高分辨率約為3－4mm。共七十頁(yè)P(yáng)ET（人體）影像(yǐnɡxiànɡ)分辨率的極限約為：~2mm共七十頁(yè)P(yáng)ET的結(jié)構(gòu)(jiégòu)共七十頁(yè)正電子湮滅作用產(chǎn)生的湮滅γ光子同時(shí)擊中探測(cè)器環(huán)上對(duì)稱位置上的兩個(gè)探測(cè)器。每個(gè)探測(cè)器接收到γ光子后產(chǎn)生一個(gè)定時(shí)脈沖，這些定時(shí)脈沖分別輸入符合線路進(jìn)行符合甄別，挑選真符合事件符合線路設(shè)置了一個(gè)時(shí)間常數(shù)很小的時(shí)間窗（通?！?5ns），同時(shí)落入時(shí)間窗的定時(shí)脈沖被認(rèn)為(rènwéi)是同一個(gè)正電子湮滅事件中產(chǎn)生的γ光子對(duì)，從而被符合電路記錄。時(shí)間窗排除了很多散射光子的進(jìn)入。PET的數(shù)據(jù)(shùjù)采集共七十頁(yè)共七十頁(yè)符合探測(cè)技術(shù)能在符合電路的時(shí)間(shíjiān)分辨范圍內(nèi)，檢測(cè)同時(shí)發(fā)生的放射性事件。利用符合探測(cè)技術(shù)可以進(jìn)行正電子放射性核素示蹤成像。使用符合探測(cè)技術(shù)，起到電子準(zhǔn)直作用，大大減少隨機(jī)符合事件，提高了探測(cè)靈敏度。符合探測(cè)(tàncè)原理共七十頁(yè)共七十頁(yè)P(yáng)ET的電子(diànzǐ)準(zhǔn)直共七十頁(yè)P(yáng)ET的電子(diànzǐ)準(zhǔn)直湮滅γ光子(guāngzǐ)對(duì)只有在兩個(gè)互成180o的探測(cè)器的FOV(FieldofView)立體角內(nèi)才能被探測(cè)。利用湮滅輻射的特點(diǎn)和兩個(gè)相對(duì)探測(cè)器的符合來(lái)確定閃爍事件位置和時(shí)間的方法稱電子準(zhǔn)直。共七十頁(yè)電子準(zhǔn)直是PET的一大特點(diǎn)，它省去了沉重的鉛制準(zhǔn)直器，改進(jìn)了點(diǎn)響應(yīng)函數(shù)的靈敏度和均勻性。不再因準(zhǔn)直器的使用損失了很大部分探測(cè)效率。避免了準(zhǔn)直器對(duì)分辨率和均勻性不利(bùlì)的影響。利用了一部分被準(zhǔn)直器擋住的γ光子，極大地提高了探測(cè)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(zhǔn)直器的SPECT系統(tǒng)分辨率為8－16mm，而電子準(zhǔn)直的PET系統(tǒng)分辨率為3－8mm。PET電子(diànzǐ)準(zhǔn)直的特點(diǎn)共七十頁(yè)P(yáng)ET的探測(cè)(tàncè)環(huán)X-Y平面(píngmiàn)為PET的橫斷面，與探測(cè)環(huán)平面平行。Z軸是PET的長(zhǎng)軸，與探測(cè)環(huán)平面垂直。共七十頁(yè)P(yáng)ET的探測(cè)(tàncè)環(huán)共七十頁(yè)P(yáng)ET的探測(cè)(tàncè)環(huán)PET的探頭是由若干探測(cè)器環(huán)排列組成(zǔchénɡ)，探測(cè)器環(huán)的多少?zèng)Q定了PET軸向視野的大小和斷層面的多少。探測(cè)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(cè)器由晶體、光電倍增管和相關(guān)電子線路組成，許多探測(cè)器緊密排列在探測(cè)器環(huán)周上。共七十頁(yè)探測(cè)器必須有高探測(cè)效率。探測(cè)器必須有短符合分辨時(shí)間。探測(cè)器應(yīng)有(yīnɡyǒu)高空間分辨率。探測(cè)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(cè)器應(yīng)有高可靠性和穩(wěn)定性。光電倍增管的性能會(huì)直接影響探測(cè)器的可靠性和穩(wěn)定性，閃爍晶體是探測(cè)器質(zhì)量的關(guān)鍵。探測(cè)器要求(yāoqiú)共七十頁(yè)P(yáng)ET斷層(duàncéng)圖像共七十頁(yè)P(yáng)ET三維重建圖像(túxiànɡ)

共七十頁(yè)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(yè)P(yáng)ET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(gè)投影為正弦圖的一行共七十頁(yè)P(yáng)ET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(yè)P(yáng)ET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(yè)P(yáng)ET影像(yǐnɡxiànɡ)的重建迭代(diédài)重建：EM和OS－EM共七十頁(yè)P(yáng)ET影像(yǐnɡxiànɡ)的重建(1.50+1.25+1.75)*10/3=15.00共七十頁(yè)P(yáng)ET影像(yǐnɡxiànɡ)的重建共七十頁(yè)P(yáng)ET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(yè)P(yáng)ET影像(yǐnɡxiànɡ)的重建共七十頁(yè)時(shí)間分辨：時(shí)間響應(yīng)曲線的半高寬（FWHM）空間分辨：探測(cè)器在X、Y、Z三個(gè)方向能分辨最小物體的能力。噪聲等效計(jì)數(shù)率：對(duì)于各次符合采集數(shù)據(jù)(shùjù)，與無(wú)散射和無(wú)隨機(jī)符合具有相同信噪比時(shí)的真符合計(jì)數(shù)率。系統(tǒng)靈敏度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)、單位輻射劑量條件下獲得的符合計(jì)數(shù)。最大計(jì)數(shù)率：探測(cè)器在單位時(shí)間能計(jì)量的最大計(jì)數(shù)值。PET的性能參數(shù)共七十頁(yè)應(yīng)用光子準(zhǔn)直和符合探測(cè)技術(shù)，提供了很好的空間定位，大大提高了探測(cè)靈敏度。其靈敏度比MRI高，比SPECT高10-100倍；改善了分辨率(可達(dá)4mm)，可檢出1cm大小的病灶，圖象清晰，診斷準(zhǔn)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(duì)腫瘤轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)的診斷尤為有利。PET成像的特點(diǎn)(tèdiǎn)共七十頁(yè)由于它采用兩個(gè)互成180度角的探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)，以及γ子光能量高，不易吸收，故湮沒(méi)輻射的位置深度對(duì)測(cè)量結(jié)果(jiēguǒ)無(wú)明顯影響，并可以得到極正確的衰減校正，它可用實(shí)測(cè)數(shù)和經(jīng)衰減校正后的真實(shí)數(shù)進(jìn)行三維分布的“絕對(duì)”定量分析(精度±10％)，遠(yuǎn)優(yōu)于SPECT。正電子核素為超短半衰期核素，適合于快速動(dòng)態(tài)研究。共七十頁(yè)P(yáng)ET已被公認(rèn)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(kuò)散轉(zhuǎn)移，是否對(duì)治療有所反應(yīng)，及是否病患在治療后已不再有癌細(xì)胞。早期檢測(cè)：因?yàn)镻ET是做生物化學(xué)活動(dòng)的造影，所以，它能正確地?cái)喽ㄒ荒[瘤為惡性或良性。因此，若PET影像顯出無(wú)高FDG吸收，便無(wú)須再以手術(shù)切片來(lái)判斷。此外，對(duì)PET做全身掃瞄可以確認(rèn)是否有遠(yuǎn)距離的癌癥轉(zhuǎn)移。

PET的臨床應(yīng)用(yìngyòng)－癌癥

共七十頁(yè)癌癥定期：因?yàn)镻ET的靈敏度非常高，所以可用來(lái)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(rèn)為是最有效的診斷程序來(lái)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(píng)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(lái)測(cè)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(yè)共七十頁(yè)P(yáng)ET的臨床(línchuánɡ)應(yīng)用－神經(jīng)疾病PET能很生動(dòng)的描繪出腦部不同區(qū)域的活動(dòng)力是否異于正常，因此，對(duì)于診斷愛(ài)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(yè)P(yáng)ET的臨床應(yīng)用(yìngyòng)－神經(jīng)疾病共七十頁(yè)快樂(lè)(kuàilè)共七十頁(yè)共七十頁(yè)共七十頁(yè)借著測(cè)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(lái)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(duì)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(yè)共七十頁(yè)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(yè)因?yàn)镻ET是測(cè)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(lái)“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(guò)“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(jì)成一部機(jī)器。PET與CT,MRI

共七十頁(yè)CT與PET比較(bǐjiào)共七十頁(yè)CT與PET硬件、軟件同機(jī)融合解剖圖像與功能圖像同機(jī)融合同一幅圖象既有精細(xì)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(guò)程高靈敏度、高特異性、高準(zhǔn)確性PET、CT單獨(dú)能實(shí)現(xiàn)的，PET/CT一定能實(shí)現(xiàn)；PET/CT能實(shí)現(xiàn)的，PET或CT單獨(dú)不一定能實(shí)現(xiàn)PET/CT的特點(diǎn)(tèdiǎn)

共七十頁(yè)1953年正電子探測(cè)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(wèn)世1995年Townsend研制(yánzhì)PET/CT,NCIGrant2000年P(guān)ET/CT在北美放射學(xué)會(huì)問(wèn)世2001年P(guān)ET/CT用于臨床2002年LSOPET/CTUPMCPET