[转帖]PET设备原理、特点及技术进展

PET 设备原理、特点及技术进展
容丹辉
(深圳市龙岗区人民医院 设备科，广东深圳518172)
[中图分类号]TH774 [文献标识码]A [文章编号]1002—2376(Z0OT)08—0023—02
[摘要]正电子发射计算机断层扫描是核医学发展的一项新技术。本文对PEr设备的工作原理、特点及技术进展作了详细的介绍。
[关键词]PET；图像融合；探测晶体
近年来，核医学领域的设备发展迅速，而PET是当前核医学领域中最高水平的标志，它是目前唯一的用解剖形态方式进行功能、代谢和受体显像的设备，它是目前用以诊断和指导治疗肿瘤、心脏病和神经系统疾病之最优手段。它集核物理、放射化学、医学影像新技术、分子生物学技术之大成，是当代医学高科技之冠。
1 PET设备原理
PET的全称为正电子发射型计算机断层显像技术(positron emission computed tomography)。其原理是通过标记参与人体代谢的某些化合物的元素，如碳、氟、氧和氮的同位素， (11C、13N、150、18F)1种或2种，注入人体后成为稳定的化合物，在活体内参与细胞代谢。用这种正电子发射体取代正常和稳定元素，即形成了此类元素的化合物，此类化合物也是半衰期适合的天然化合物，当此类化合物的正电子与人体内的电子结合时，发生湮灭效应，产生两个能量为0．511 MeV彼此运动相反的7光子。根据人体不同部位吸收标记化合物能力的不同，同位素在人体内各部位的浓聚程度不同，湮灭反应产生光子的强度也不同。用环绕人体的7光子检测器环列，用符合探测的方法能探测到随位置变化的符合计数，再经过符合计数技术，即可判定这一对 光子辐射的轨迹线，该线经过湮灭源或称确定了这种多次蜕变作用的路径，按照一定规律被计算机采集下来，采集信息经储存、影像重建从而获得人体各部位横断、冠状断面和矢状断面图像。凡代谢率高的组织或病变，在PET上呈明确的高代谢亮信号，凡代谢率低的组织或病变在唧上呈低代谢暗信号。
PET系统的主要部件包括机架、环形探测器、符合电路、检查床及工作站等。探测系统是整个正电子发射显像系统中的主要部分，它采用的块状探测结构有利于消除散射、提高计数率。许多块结构组成一个环，再由数十个环构成整个探测器。每个块结构由大约36个锗酸铋(BGO)小晶体组成，晶体之后又带有2对光电倍增管(PMT)。BGO晶体将高能光子转换为可见光，PMT将光信号转换成电信号，电信号再被转换成时间脉冲信号，探头层间符合线路对每个探头信号的时间耦合性进行检验判定，排除其他来源射线的干扰，经运算给出正电子的位置，计算机采用散射、偶然符合信号校正及光子飞行时间计算等技术，完成图像重建。重建后的图像将PET的整体分辨率提高到2mm左右。
2 PET特点
2．1 应用光子准直和符合探测技术，提供了很好的空间定位，大大提高了探测灵敏度。其灵敏度比MRI高，比SPECT高10—100倍；改善了分辨率(可达4mm)，可检出1cm大小的病灶，图像清晰，诊断准确率高。
2．2 能从一定体积的组织快速获得35(或更多)层面的断层图像(CT、MRI均无法办到)，且可获得全身各方向的断层图像，使临床医生能一目了然地看到疾病全身状况，它对肿瘤转移和复发的诊断尤为有利。
2．3 由于它采用两个互成180。的探测器进行探测，以及7光子能量高，不易吸收，故湮没辐射的位置深度对测量结果无明显影响，并可以得到极正确的衰减校正，它可用实测数和经衰减校正后的真实数进行三维分布的“绝对”定量分析(精度4-10％)，远优于SPECT。
2．4 正电子核素为超短半衰期核素，适合于快速动态研究。
3 PET技术进展
3．1 PET—CT图像融合技术进展
PET与CT两种不同成像原理的设备同机组合，不是其功能的简单相加。而是在此基础上进行图像融合，融合后的图像既有精细的解剖结构又有丰富的生理。生化功能信息能为确定和查找肿瘤及其他病灶的精确位置定量、定性诊断提供依据。并可用x线对核医学图像进行衰减校正。
PET—CT的核心是融合，图像融合是指将相同或不同成像方式的图像经过一定的变换处理，使它们的空间位置和空间坐标达到匹配，图像融合处理系统利用各自成像方式的特点对两种图像进行空间配准与结合，将影像数据注册后合成为一个单一的影像。PET—CT同机融合(又叫硬件融合、非影像对位)具有相同的定位坐标系统，病人扫描时不必改变位置，即可进行PET —CT同机采集，避免了由于病人移位所造成的误差。采集后两种图像不必进行对位、转换及配准，计算机图像融合软件便可方便地进行2D、3D的精确融合，融合后的图像同时显示出人体解剖结构和器官的代谢活动，大大简
化了整个图像融合过程中的技术难度、避免了复杂的标记方法和采集后的大量运算，并在一定程度上解决了时间、空间的配准问题，图像可靠性大大提高。
PET在成像过程中由于受康普顿效应、散射、偶然符合事件、死时间等衰减因素的影响，采集的数据与实际情况并不一致，图像质量失真，必须采用有效措施进行校正，才能得到更真实的医学影像。同位素校正得到的穿透图像系统分辨率一般为12cm、而x线方法的穿透图像系统分辨率为1mm左右，图像信息量远大于同位素方法。用CT图像对PET 进行衰减校正，使PET 图像的清晰度大为提高，图像质量明显优于同位素穿透源校正的效果，分辨率提高了25％以上，校正效率提高了30％，且易于操作。校正后的PET 图像与CT图像进行融合，经信息互补后得到更多的解剖结构和生理功能关系的信息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。
3．2 探测器晶体材料的进展
晶体的材料、体积、形状等对探测器的性能影响很大，选择怎样的晶体决定了PET 的性能。早期使用的是碘化钠(NaI)晶体探测器，八十年代初期，EC,&G Ortec与Scanditronix公司将BGO (锗酸铋)与GSO (硅酸钆)两种晶体用作PET探测晶
体。从1980年一2000年，BGO是主要的PET晶体材料之一，而NaI与GSO在商品化PET 中应用相对较少。1990年LSO(硅酸镥)晶体的研究引起人们的很大关注，这种新型探测器材料对PET的发展具有重要贡献。[SO晶体对提高PET的成像速度和图像质量有巨大的影响。LSO晶体短的余辉时间允许窄的符合时间窗，因而随机计数显著减少，同时其高能量分辨，可降低图像的散射，这对3D采集尤为重要。LSO晶体的优势之一是非常适合于3D采集，虽然2D采集时，[SO与BGO差不多，其主要原因是因[SO具有最高的截止能力，尽管BGO晶体低的光输出量导致能量分辨差，但这对2D采集而言相对不重要，因为隔栅限制了散射和随机。LSO是PET未来一种重要的晶体，但并不是唯一的晶体。2001年Philips公司推出GSO晶体的Allegro PET。除此之外，还有多种新的晶体，如加拿大UTAR的MLS(混合性硅酸镥)、日本Hitachi公司的LGSO (9o％镥，10％钆)、LuAP(钙钛镥铝)、LPS(焦硅酸镥)，LuAP截止能力比[SO高，具有短的余辉时间，但光输出量低，能量分辨率低；LPS截止能力同GSO，具有短的余辉时间、高的光输出量，但能量分辨率低，这两种晶体都有潜在的发展前景，但目前尚未大量生产。另一类晶体为镧系晶体，如LaC1、LaBr，余辉时间短、能量分辨率好(可达3％)，不足之处是截止能力比GSO低。
PET的发展是令人鼓舞的，它极大地推动了影像医学和临床医学的整体发展，PET成为生物学、生理学和认知科学不可缺少的设备，并且成为分子生命科学的新武器。可以预见，未来医学及生命科学的重大突破将在一定程度上依赖于PET 技术及其发展。
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