PET CT工作原理及应用

1、 学术论著 张秀文 张永寿 刘乃智 文章编号 1672-8270(201211-0022-04 中图分类号 TH774 文献标识码 A Principle and application of PET-CT/ZHANG Xiu-wen, ZHANG Y ong-shou, LIU Nai-zhi/ China Medical Equipment,2012,9(11:22-25. Abstract Objective: PET-CT is to use to achieve image fusion of PET and CT in the same machine, is functional

2、 imaging equipment. With the rapid spread of its application, it goes beyond the existing areas of PET alone and separate CT for medical research and clinical diagnostics, it provides a great convenience. Methods: PET is deferent with CT in the imaging principle, the combination of these two equipme

3、nt can get the image of anatomical structure, abundant physiological and biochemical functions. It can provide the quantitative, qualitative diagnostic basis for the identify and locate the precise location of tumors. Results: PET -CT fusion images can be used to describe the role of disease on the

4、biochemical processes, identify physiological and pathological uptake. It can detect the early onset of signs of disease anatomical evidence and even very small subclinical tumor correctly. It has an important value in determining the clinical radiotherapy planning target volume, the detection proce

5、ss of treatment drugs and radiation effects to provide the best treatment options to improve the clinical cure rate. Conclusion: The work is in good condition or not determines by the maintenance. Firstly we should clear the equipment requirements of the environment in the process of routine mainten

6、ance carefully. Maintain equipment environment requires qualified engineering and technical personnel familiar with every aspect of the usually diligent maintenance, did not miss any possible hazards to more good to ensure that the operation of the equipment.Key words PET -CT; Image fusion; Correcti

7、on; Maintenance First-authors address Department of Medical Engineering, General Hospital of Jinan Command, Jinan 250031, China. 摘要 目的:PET-CT 实现了同机图像融合,是一种功能性医学影像学设备,通过了解其工作原理,掌握设备的日常维护方法,为医学研究和临床诊断提供便利。方法:分别介绍 PET 与 CT 两种设备同机组合的不同成像原理以及设备应用时对环境的要求。结果:了解 PET-CT 的工作原理,掌握一般维护保养项目和方法,使 PET-CT 融合影像为临床正确

8、确定放疗的计划靶区、检测治疗过程中的疗效提供最佳方案。结论:PET-CT 设备的工作状态是否良好与设备的维护保养密不可分。在设备的日常维护过程中要保持设备符合环境要求,工程技术人员必须熟悉设备的各个运行环节,保证设备的正常运转。 关键词 PET-CT;图像融合;校正;维护保养 济南军区总医院医学工程科 山东 济南 250031山东省立医院医学工程部 山东 济南 250014 PET-CT 工作原理及应用 作者简介 张秀文,男,(1958- ,大专,副主任技师。济南军区总医院医学工程科,从事医疗设备检修及医疗设备管理工作。正电子发射体层显像(positron emission tomograph

9、y, PET 与 X 线计算机体层摄影(X-ray computed tomography, CT 有机结合后形成一种先进的核医学影像设备,CT 扫描器提供高质量的解剖图像,PET 扫描器提供高质量的功能图像。PET 能够识别病变组织的生理、生化变化,具有很强的功能显像优点。但 PET 图像存在核医学影像固有的不清晰缺点,空间分辨率低。将 PET 和螺旋 CT 在一台设备上进行功能组合,利用螺旋 CT 的 X 射线对 PET 进行衰减校正和解剖定位,同时采用融合图像制定放射治疗计划。将 PET 与 CT 融合在一起,赋予功能影像精细的解剖结构在一幅 PET-CT图像上,获得丰富的分子代谢功能信

10、息的同时,又可了解肿瘤与脏器及其他组织的解剖关系1-2。1 PET-CT 的基本原理及临床意义 1.1 PET的基本原理 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,其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 1 个环,再由数十个环构成整个探测器。每个块结构由约为 36 个锗酸铋(BGO 晶体组成,晶体之后又带有 4 个光电倍增管(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

11、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 的整体分辨率提高至 2 mm 左右。 PET 的显像过程为:将发射正电子的放射性核 中国医学装备 2012 年 11 月第 9 卷第 11 期 China Medical Equipment 2012 November Vol.9 NO.11 学术论著 素(如碳、氟、氧和氮的同位素:11C、18F、15O、13N 等标记到能够参与人体组织血流或代谢过程的化合物上,将标有带正电子化合物的放射性核素注射到受检者体内,让受检者在 PET 的有效视野范围内进行 PET。放

12、射核素发射出的正电子在体内移动大约 1mm 后与组织中的负电子结合发生湮灭辐射。产生 2 个能量相等(511keV、方向相反的 光子。由于2 个光子在体内的路径不同,到达 2 个探测器的时间有一定差别,如果在规定时间窗内(015s 探头系统探测到 2 个互成 180o(士 0.25o 的光子时即为一个符合事件,探测器便分别送出 1 个时间脉冲,脉冲处理器将脉冲变为方波,符合电路对其进行数据分类后送入工作站进行图像重建,随即得到人体各部位横断面、冠状断面和矢状断面的影像3-4。 PET 采用符合探测技术进行电子准直校正,极大减少了随机符合事件和本底,电子准直器具有非常高的灵敏度和分辨率。BGO

13、晶体的大小与灵敏度成正相关性。块状结构的 PET 探头。能进行二维或三维采集。二维采集是在环与环之间隔置铅板或钨板,以减少散射对图像质量的影响,二维图像重建时只对临近数个环(23 个环内的计数进行符合计算,其分辨率高,计数率低;三维数据采集则不同。取消了环与环之间的间隔,在所有环内进行符合计算,明显地提高了计数率,但散射严重,图像分辨率也较低,且数据重组时要进行大量的数据运算。2 种采集方法的另一个重要区别是灵敏度不同,三维采集的灵敏度在视野中心为最高。 1.2 CT 的工作原理 CT 的基本原理是图像重建,根据人体各种组织对 X 射线吸收不等这一特性,将人体某一选定层面分成许多立方体小块(也

14、称体素 X 射线穿过体素后,测得的密度或灰度值称为像素。X 射线束穿过选定层面,探测器接收到沿 X 射线束方向排列的各体素吸收 X 射线后衰减值的总和为已知值,形成该总量的各体素 X 射线衰减值为未知值,当 X 射线发生源和探测器围绕人体做圆弧或圆周相对运动时,用迭代方法求出 每一体素的 X 射线衰减值并进行图像重建,得到该层面不同密度组织的黑白影像5。 螺旋 CT 突破了传统 CT 的设计,采用滑环技术,将电源电缆和一些信号线与固定机架内不同金属环相连运动的 X 射线管和探测器滑动电刷与金属环导联。球管和探测器不受电缆长度限制,沿人体长轴连续匀速旋转,扫描床同步匀速递进,扫描轨迹呈螺旋状前进

15、,可快速、不间断地完成容积扫描。多层螺旋 CT 的特点是探测器多层排列,是高速度、高空间分辨率的最佳结合。多层螺旋 CT 能高速完成较大范围的容积扫描,图像质量好,成像速度快,具有很高的纵向分辨率和很好的时间分辨率,拓宽了 CT 的应用范围,患者接受的射线剂量明显减少,X 线球管的使用寿命明显延长,提高了低对比分辨率和空间分辨率,明显减少了噪声、伪影及硬化效应。同时,可根据不同层厚自动调节 X 射线锥形线束的宽度,经过准直的 X 射线束聚焦在相应数目的探测器上,探测器通过电子开关与 4 个数据采集系统(data acquisition system, DAS 相连。每个 DAS 能独立采集完成

16、 1 套图像,按照 DAS 与探测器匹配方式不同,通过电子切换可以选择性地获得 1 层、2 层或 4 层图像,每层厚度可自由选择0.5mm、1.0mm、1.25mm 或 5mm、10mm。采集的数据既可做常规图像显示,也可在工作站进行后处理完成三维立体重建、多层面重建、器官表面重建等,并能实时显示。 1.3 PET-CT 的临床意义 PET-CT 集高敏感性、高特异性的先进核医学技术与高清晰度、高组织分辨率于一身,其融合图像对疾病的早期诊断、病灶定性、手术和放射计划治疗定位、小病变的诊断与鉴别以及一些目前尚不清楚的代谢疾病研究和受体疾病研究具有重要价值,是目前核医学影像学的最新发展方向4。 P

17、ET-CT 提供的预测和治疗处理信息比单独 PET 和 CT 多得多,它超越了单独 PET 和 CT 的现有领域,既能完成 CT 的功能,又能完成 PET 的功能。PET-CT 融合图像能够很好地描述疾病对生物化学过程的作用,鉴别生理和病理性摄取,能在疾病得到解剖证据前检测出早期发病征兆,甚至能探测到极小的亚临床型肿瘤,为临床确定放疗的计划靶区、检测治疗过程中药物和放疗效果提供最佳的治疗方案和筛选最有 效治疗药物。解剖定位与功能显像对于病变部位的定性诊断能力、肿瘤的诊断和分期、指导治疗、评价疗效、提高临床治愈率有着重要价值5。PET-CT 适用于精细放疗,能极大提高放疗计划的准确性,并能为 刀

18、、X 刀、机器人手术及冷冻手术等定位。 PET-CT 的真正价值不仅仅在于疾病诊断,作为更深层次的临床检查手段,PET-CT 采用放射性药物 中国医学装备 2012 年 11 月第 9 卷第 11 期 PET-CT 工作原理及应用-张秀文 等 学术论著 标记的基因能够达到基因成像的目的,可在分子水平上研究组织细胞代谢、蛋白质合成和基因变化的情况提供生物化学活动、分子新陈代谢以及不同器官和组织的生理学及病理学信息,从生命活动的本质上诊断疾病,及早发现组织代谢功能异常,对目前仍不清楚的代谢疾病研究和受体疾病研究同样有着非常重要的意义。 2 PET-CT 的图像融合 PET 与 CT2 种不同成像原

19、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 射线对核医学图像进行衰减校正6。 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,使其空间位置和空间坐标达到匹配。图像融台处理系统利用各自成像方式的特点对 2 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7。PET-CT 同机融合(硬件融合、非影像对位具有相同的定位坐标系统,对患者扫描时不必改变位置,即可进行PET-CT 同机采集,避免了由于

20、患者移位所造成的误差。采集后 2 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二维、三维的精确融合,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,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,图像可靠性极大提高。PET 在成像过程中由于受康普顿效应、散射、偶然符合事件及死时间等衰减因素的影响,采集的数据与实际情况不一致,出现图像质量失真,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通常为 12mm,而 X 射线方法的穿透图像系统分辨率为 1mm 左右,图像

21、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,提高分辨率 25%以上,提高校正效率 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,对于肿瘤患者手术和放射治疗定位具有极其重要的临床意义。三维采集的灵敏度在视野中心为最高,PET-CT 拥有 3 个图像处理工作站,其中 2 个超高速图像处理工作站分别对 PET 和 CT 采集的大量数据进行处理和图像重建,另外 1 个工作站进行 PET-CT 的图像融合。PET-CT 采用迭代图像重建方法进

22、行三维立体、多层面、器官表面等多种重建,迭代方法计算复杂,但精确度高,重建的图像可同时显示横断、冠状、矢状及任意斜面的层面,并可任意改变重建的位置和层厚,为临床诊治提供更多的信息。 3 PET-CT 的维护保养项目和方法 PET-CT 仪器的维护和保养是核医学科及医学工程科常规工作中的重要组成部分,是保证检查能够顺利进行和准确可靠的基本方法。通过对西门子biograph16PET-CT 仪器的日常维护和保养经验,总结和分析 PET-CT的一般维护保养项目和方法。 3.1 PET-CT 的维护和保养 做好 PET-CT 的维护保养能确保设备安全、稳定运行,提高完好率,降低故障率,延长设备的使用寿

23、命,获得良好的同机融合图像,取得满意的诊治效果8。设备的维护保养主要包括工作环境的维护、机器的保养和仪器的检测校正 3 方面3-4。 3.1.1 工作环境的维护 PET-CT 机房应配备足够功率的空调,温度维持在 2022。PET 水冷机 24h 工作,温度设定在(19.01,压力为 31psi;CT 水冷机压力在0.2 MPa 左右,0.1MPa 时要及时加水。节假日或晚间要安排人员值班或巡视,发现机房温度超出规定范围,要及时调整或报告。机房的湿度保持在 40%60%为宜,若湿度过大易导致硅酸镥(LSO 晶体潮解或电路短路;若机房内太干燥则使灰尘增多,仪器表面易产生静电而损坏机器。因此,机房

24、内要配置去湿机和加湿器。 3.1.2 PET-CT 的保养 预防性的机器保养可将故障的发生率降低,保证系统性能稳定。结合类似设备的日常维修经验以及 PET-CT 特有的注意事项做以下工作:及时给机架或检查床的运动部件和轴承添加合格的润滑油;定期检测、更换或清洁 CT 滑环上的碳刷;清洁或更换设备上的空气过滤器;检测水冷机水压是否在正常范围内;检查各部位的螺丝是否拧紧;限位开关是否有效;各接插件连接是否牢靠。 中国医学装备 2012 年 11 月第 9 卷第 11 期 PET-CT 工作原理及应用-张秀文 等 学术论著 3.1.3 PET-CT 的检测校正 PET-CT 使用一段时间需定期对设备

25、进行性能测试和校正以确定设备的工作状态,通过校正使偏移的参数重新回到标准要求的范围之内。检测校正也称为设备的质量控制,质量控制可按照时间间隔划分为日、周、月、季和年质量控制方式,每种质量控制方式的检测内容有所不同9-10。 (1CT 的检测校正 CT 的性能检测主要是稳定性测试、CT 剂量指数(CTDI 测试和低对比度测试5。稳定性测试的附件为水模、层厚体模和金属丝模。检查项目为:定位灯精度、实际断层厚度、均匀性、躁声、调制传递函数(MTF、检查床运动精度。其中调制传递函数(MTF 表征空间分辨率描述了针对理想传递情况下图像中所示的具有不同 局部频率的条状图形的对比度幅度。床位测试在没有曝光情

26、况下进行,测试时检查床上需放置 70kg 重量,要求移动距离 300mm,误差1.0mm。CT 剂量指数测试一般在机器安装调试后检测验收时由技术监督部门执行。CT 剂量指数可采用美国 Radical 公司生产的 2026 多用剂量仪和体模检测。低对比度测试必须设置足够的专用扫描和重建参数,使用低对比度模体,将模体组件按正常体部检查高度安装在检查床上送至扫描中心。低对比度测量直接受到 CT 系统中躁声的影响,评估常采用目测检验方法,因此需选择合适的窗宽和窗位以提高图像的显示,测试结果应符合目前国内试行的标准。 (2PET 的检测校正 目前,国家对 P E T 设备尚无严格的检测规程和标准,可参照

27、现有验证方法(符合 IEC60601-4、ISO9001,并经过 TUV 和 CSA 认证,对 PET 探头或探测组件进行检测,确定无晶体损坏或电子设备故障后再作 PET 的三维校正、归一化和 FOV 偏移校正7。PET 探头及探测组件的检测和机架偏移校正用棒源来执行,发现损坏的晶体或探测组件要及时更换,PET 与CT 扫描中心的 X、Y、Z 轴偏差一般2mm。归一化用于对 PET 探头响应情况的各种变化进行归一化,包括计算校准因子(ECF,其中需要执行PET-CT 检查以便包括衰减校正,获得标准质量控制扫描,以便与平时质量控制扫描比较。归一化和日常质量控制都使用 68Ge 均匀性模体,实施校正时应输入该模体体积、启用时间和放射能活度 49.95MBq,否则会影响标准化摄取值(standardized uptake value,SUV 的准确性。目前,Siemens Biograph 16 PET-CT 系统校正的结果要求灵敏度5%,均匀度10%。 4 结语 PET-CT 不是简单的 PET 与 CT 的机械合并,而是二者的有机结合。只有认真做好仪器设备各项指标的质量控制和风险控制才能使设备始终保持