PET的基本原理

PositronEmissionTomography 正电子发射断层成像 3 上世纪20年代物理学家就从理论上推断有带正电荷的正电子存在 20世纪30年代开始对放射性核素的物理 化学性能进行了深入研究 发现了它们在生物学和医学领域的应用价值 1953年Dr Brownell和Dr Sweet就已研制了用于脑正电子显像的PET显像仪 60年代末出现了第一代商品化PET扫描仪 可进行断层面显像1976年由Dr Phelps和Dr Hoffman设计 由ORTEC公司组装生产了第一台用于临床的商品化的PET 20世纪80年代更多公司投入了PET研制 岛津 Shimadzu 1980 CTI公司 1983 西门子公司 Siemens 1986 通用电气公司 GE 1989 日立公司 Hitachi 1989 和ADAC公司 1989 POSITRONPET系统已日趋成熟 许多新技术用于PET产品 如 采用了BGO和LSO晶体的探测器 引用了数字化正电子符合技术 切割晶体的探测器模块等 使PET系统的分辨率小于4mm 90年代中期 在发达国家PET已成为重要的影像学诊断工具 PET的历史 国内PET研发现状 1983年中国科学院高能物理所开始研制PET 1986年高能所研制出国内第一台PET样机 1990年6月高能所与广州威达公司合作研制第一台PET 两环 1992年9月该机交付中日友好医院临床使用 1997年7月高能所与威达公司研制成第二台PET 并交付北京阜外医院使用 目前国内已经有多家单位在研制基于模块化BGO晶体加光电倍增管方式的医用PET 国内研制生产PET 可打破国外厂家在该领域内的垄断 带动国内相关学科如核探测 核电子 数据处理技术向产业化和实用化发展 带动国内核医学设备自主开发的水平 是件利国利民的好事 数据重组 21 PET的结构 光电探测器 符合处理 探测器环 处理电路 光电探测器 处理电路 符合处理器 图像 图像重建 探测器工作原理 14 符合探测原理 符合符合探测技术能在符合电路的时间分辨范围内 检测同时发生的放射性事件 利用符合探测技术可以进行正电子放射性核素示踪成像 使用符合探测技术 起到电子准直作用 大大减少随机符合事件和本底的同时提高了探测灵敏度 探测器1 探测器2 脉冲处理器 脉冲处理器 PET成像基本原理 标记有能够产生 放射性核素 18F等 的示踪药物进入人体后 会随血流分布全身 通过自身的生物学性质 靶向 定位于特定细胞或者组织 参与特定的生物过程 这些放射性核素在衰变时会产生的正电子 当这些正电子与组织中的电子相遇时就会发生正负电子对湮灭反应 从而产生在同一直线上两个能量为511keV飞行方向相反的 光子 这两个 光子可以确定一条反应线 如果在LOR的两端正好有一对探测器 通过获得的相关信息 就可以来确定湮灭事件点在LOR线上的位置 然后通过后端的图像重建程序 可以在线重建辐照离子空间分布的 影像 PET就是通过符合测量正负电子对湮灭反应产生的两个飞行方向相反的 光子实现图像重建的 TOF PET和PET成像的基本原理是一样的 TOF PET引入了飞行时间TOF信息后 可以明显的缩短图像重建的时间 有效降低本底噪声 提高成像的质量 12 正电子湮灭前在人体组织内行进1 3mm 湮灭作用产生 能量 光子是511KeV 动量 同时产生互成180度的511keV的伽玛光子 正电子湮灭 1 3mm 511KeV 511KeV 10 正电子核素半衰期 产 物 Carbon 11Nitrogen 13Oxygen 15 20 5min10 0min2 1min 14N p 11C16O p 13N14N d n 15O Fluorine 18 110min 18O p n 18F F 20Ne d 18F F2 Gallium 68 68min Ge 68的子体 271天 Rubidium 821 27min Sr 82的子体 25天 C N O F等成分直接参与人体生化代谢 正电子药物 13 常用正电子放射性核素的物理特性 放射性核素11C13N15O18F68Ga82Rb 半衰期 min 20 310 02 0109 867 81 3 最大正电子能量 MeV 0 961 191 700 641 893 35 最大射程 mm 5 05 48 22 49 115 6 平均射程 mm 0 280 601 100 221 352 60 11 正电子成像的物理基础正电子放射性核素通常为富质子的核素 它们衰变时会发射正电子 原子核中的质子释放正电子和中微子并衰变为中子 P n 其中P为质子 n为中子 为正电子 为中微子 正电子的质量与电子相等 电量与电子的电量相同 只是符号相反 通常正电子 衰变都发生于人工放射性核素 9 PET影像的设备 回旋加速器放化标记设备PET影像系统 正电子核素制备正电子示踪剂制备PET影像获取 探测器必须具备以下基本性能 1 高阻止能力 2 高空间分辨率 3 高能量分辨率 4 高时间分辨率 5 造价便宜 当前面临的主要挑战是研发适用于多模态成像设备 具有DOI DepthOfInteraction 和TOF TimeOfFlight 性能的探测器器件和设计结构 1 2现代PET对探测器性能的要求 2 PET探测器器件技术的进展2 1闪烁晶体的发展闪烁体材料大致可分为以下三类 用于 射线探测的CsI Tl 晶体无机闪烁体 包括碱金属卤化物晶体 如NaI Tl CsI Tl 等 其他无机晶体 如CdWO4 BGO等 玻璃体有机闪烁体 有机晶体 如蒽 芪等 有机液体 塑料闪烁体气体闪烁体 如氩 氙等 NaI晶体 LaBr晶体 NaI Tl 晶体是较早应用于PET的闪烁晶体 其光产量很高 因此能量和空间分辨率令人满意 但衰减时间长 增加了系统死时间和随机符合率 而且密度低 阻止能力较差BGO晶体的衰变常数大 光产量低 能量分辨率差 但密度大 阻止本领强 灵敏度高新型晶体LSO和LYSO是响应速度快 光产额高及高密度的闪烁晶体 它们能够满足TOF PET的性能要求 GSO晶体的阻止本领和光产额较低 但其能量分辨率和光产量的均匀性 要优于LSO 基于GSO晶体的PET 设备的整体系统能量分辨率甚至超过基于LSO晶体的PET设备 光电探测器的选择光电倍增管主要由入射窗 光阴极 倍增系统 栅极 打拿极 阳极等构成由晶体产生的荧光经光电倍增管的入射窗打在光阴极上 发生光电效应 打出电子 电子在光电倍增管的打拿极上逐级倍增 最后被阳极收集 形成电信号 2 2光电探测器的进展光电倍增管 photomultipliertube 简称PMT 是PET中应用最为广泛的光电探测器 是闪烁晶体探测器的驱动器 它具有高增益 典型值是106量级 低噪声和低成本的特性 通常要求的偏置工作电压为800 1200V 传统PMT体积大 无法实现晶体和PMT的一对一耦合 限制了利用它制造高分辨率PET探测器的能力 硅光电倍增器件 SiPM 是近年来逐渐兴起的一种用于PET的光电探测器件与传统的光电倍增管 PMT 相比 它有着尺寸小工作电压低对磁场不敏感等优点 PMT APD 3PET探测器设计技术的发展必须认识到PET探测器的性能不仅取决于件本身的特性 还有赖于探测器的设计结构 近几年 各种各样创新的探测器设计和解决方案不断涌现 总的目的是获得更高的空间分辨率 快速响应时间 高灵敏度和合理的性价比 3 1DOI技术目前DOI探测器主要由不同种类闪烁晶体层叠而成 其工作模式是利用不同闪烁晶体衰减时间的不同而产生的脉冲形状差别 进行脉冲形状分析 简称PSD 判定光源产生于哪一层晶体中 进而确定光子所在LOR线的精确位置 目前已经设计生产出多种闪烁晶体的组合模式 也尝试在LSO LYSO或GSO中进行各种掺杂 进一步改变它们的衰减时间以便进行脉冲形状鉴别 其它DOI解决方案包括晶体偏移 双端光比率定位 光耦合率变化定位等方式 3 2TOF PET技术TOF技术的主要优势是减小统计噪声 TOF PET与非TOF PET相比 统计噪声可以减小一个数量级 LSO MLS LGSO LYSO和LPS等晶体的出现 使TOF技术快速发展并投入临床应用 例如 Philips公司开发的基于LYSO的商品化TOF PET 具有600ps的符合探测分辨率 光电探测器 PSPMT APD SiPM ASICs电路 新型探测器模块结构以及图像重建算法的发展 共同促进了TOF技术的发展与应用 TOF PET优势 TOF PET可有效提高图像质量 降低放射性药物剂量 缩短扫描时间 提高检查效率 同时在某些无法保证角度采样的条件下 TOF也表现出明显的优势 为临床诊断和临床前研究带来新的变革 34 将来的探测器技术固体探测器 闪射体 光敏二极管 光电倍增管光敏二极管进行射线定位每个组块一个光电倍增管测定能量和定时可以使用价格较便宜的针状二极管闪射体 光敏二极管 无光电倍增管 光敏二极管完成全部定位 能量和定时功能要求使用昂贵的雪崩光敏二极管 成本较高直接转换型探测器要求研究一种高密度 高阻断能力的材料 22 PET的数据采集正电子湮灭作用产生的湮灭 光子同时击中探测器环上对称位置上的两个探测器 每个探测器接收到 光子后产生一个定时脉冲 这些定时脉冲分别输入符合线路进行符合甄别 挑选真符合事件 符合线路设置了一个时间常数很小的时间窗 通常 15ns 同时落入时间窗的定时脉冲被认为是同一个正电子湮灭事件中产生的 光子对 从而被符合电路记录 时间窗排除了很多散射光子的进入 PET影像的重建 传统的PET重建将LOR探测到的计数等权重地分配到LOR的全部路径上 TOF则将探测到的计数按照不同的权重分配到与时间分辨率相对应的LOR路径上 有效地降低了噪声的传播 采用TOF技术后 信噪比的提高与时间分辨率所对应的路径长度成反比 获得同样的图像质量 TOF PET所需要的事例数要远远小于非TOF PET的 总结与展望 在PET应用中 无论何种探测器 其未来的发展方向都要提高空间 时间分辨率和灵敏度 并且满足多模式成像设备 PET CT和PET MRI 的设计需求 研究高性能闪烁晶体和光电探测器 实现TOF和DOI技术成为关键 在当前及未来相当长的时期内 最有前途且占统治地位的探测器仍将是基于闪烁晶体的探测器 半导体探测器虽然能量分辨率很高 但阻止能力差 费用也较高 与闪烁晶体相比 整体上并无显著优势 SiPM是具有最佳成本效益和高性能的光电探测器 闪烁晶体与SiPM结合 可实现多种DOI设计模式 厚晶体板耦合S