高能正电子成像的物理及相关技术问题-中国医学科学院中国协和医科

1、高能正电子成像及医学应用中国医学科学院 中国协和医科大学肿瘤医院陈盛祖 CT与常规与常规X线体层比较线体层比较 CT常规常规 X 线线数字化图像数字化图像模拟图像模拟图像图像重建，三维断层图像重建，三维断层几何聚焦，二维几何聚焦，二维 X光片光片密度分辨好密度分辨好（0.5%）密度分辨差密度分辨差空间分辨一般空间分辨一般空间分辨好空间分辨好（0.25mm）成像剂量较高成像剂量较高成像剂量低成像剂量低CT Scan Patient XReport: NormalMonitoring Therapy with PET Effects of therapy on tumor metabolism s

2、een in hours. Anatomic change (size reduction) will take weeks.Monitoring Therapy with PET Effects of therapy on tumor metabolism seen in hours. Anatomic change (size reduction) will take weeks.高能正电子成像高能正电子成像的定义及分类的定义及分类 高能正电子准直成像高能正电子准直成像 High Energy Positron Collimation Imaging 正电子发射断层正电子发射断层 Posi

3、tron Emission Tomography 符合探测成像符合探测成像 Coincidence Detection Imaging历史历史 正电子扫描机正电子扫描机 1954年年 单光子及符合探测，平面像单光子及符合探测，平面像 正电子伽玛照相机正电子伽玛照相机 1959年年 正电子发射断层（正电子发射断层（PET） 1976年年 分子符合探测（分子符合探测（MCD） 1994年年正电子的物理特性正电子的物理特性 正电子发现于1934年 正电子带一个正电荷 正电子有一定的能量和射程 正电子只能瞬间存在 正电子由+衰变产生 正电子与电子结合产生湮灭辐射正电子的湮灭辐射正电子的湮灭辐射（Ann

4、ihilation） 正电子与组织中电子结合产生湮灭辐射 湮灭辐射产生2个511KeV的光子 能量守恒 2个光子互成180(0.25） 动量守恒 湮灭辐射光子用符合探测法探测Positron Annihilation Positron travels 1-3mm (depending on energy) before annihilation. Annihilation process conserves:- Energy (photons are 511KeV).- Momentum (photons are almost exactly colinear). Simultaneous d

5、etection of two 511KeV photons - event along line between detectors.n nb b+ +b b- -1-3mm511KeV511KeVCoincidence Detection Events occurring anywhere on line between detectors contribute coincidence counts to detector pair. Recorded counts are proportional to line integral of activity between the dete

6、ctors.DET 1DET 2Pulse ProcessingANDPulse ProcessingRPMTPMTCOINCIDENCE PROCESSINGDETECTOR RINGProjection Data Collection ProcessingElectronics ProcessingElectronicsCoincidenceProcessorData Sorting,HistogramImage ReconComputerImagesF-18的物理特性的物理特性 衰变类型：+衰变，电子俘获（EC） 半衰期：109.8分 主要射线：511KeV的光子 正电子能量：Max 6

7、33KeV,平均203KeV 符合时间：10-9秒511KeV 光子的物理特性光子的物理特性 穿透能力强 为99mTc的3.65倍, 131I的1.6倍 衰减系数： =0.096cm-1 (水) 99mTc为0.14cm-1 半吸收厚度： 511KeV：7.14cm (水), 4.1 mm (铅) 140KeV：5.0 cm (水), 0.17mm (铅) 康普顿散射： 511KeV：170341KeV 60% 140KeV：130KeV 80%符合探测事件的类型符合探测事件的类型 单光子(single, singles) 真符合(true coincidence) 随机符合(random c

8、oincidence) 散射符合(scatter coincidence) 散射符合也是真符合，只是改变了方向3-D Detection Provides Highest Geometrical EfficiencyLowest is Collimated(0.3 X)DetectorDetector 2Intermediate is2-Dimensional(1 X)Highest is 3-Dimensional(5 X)Accepts onlyperpendiculareventsAccepts transverseeventsAccepts transverseand caudal/c

9、ephaliceventsDetector 2Detector 1Detector 1高能正电子成像的晶体和材料高能正电子成像的晶体和材料 锗酸铋晶体(bismuth germinate, BGO) 碘化钠晶体(NaI) 硅酸镥(lutetium oxyorthosillicate, LSO) 硅酸钇(yttrium oxyorthosillicate, YSO) 硅酸钆(gadolinium orthosillicate, GSO ) 半导体,锑锌镉(cadmium zinc telluride, CZT) 三明治晶体(sandwich YSO/LSO, 12cm ) 各种晶体性能的比较各种

10、晶体性能的比较性能 BGO LSO YSO GSO NaI密度(g/cm3) 7.13 7.4 4.54 6.71 3.67有效原子序数 74 66 34 60* 51衰减系数(cm-1) 0.96 0.87 0.43* 0.67 0.34衰变常数(ns) 300 40 7065 230光输出量(%) 15 60 120 35 100能量分辨(%) 10 1218 7.5 9 7.8注:晶体主要要求:灵敏度、最大计数率、能量分辨1英寸晶体的优势英寸晶体的优势 1” Starbrite Crystal DesignCrystal Stopping Power3/8”5/8”1” Photofra

11、ction 61%511 keV efficiency 37 % Photofraction 51%511 keV efficiency 17% Photofraction 47%511 keV efficiency 9% Problem:Stopping PowerSolution: Thicker CrystalsPET/CT的发明是医学影像学的发明是医学影像学的又一次革命的又一次革命 CT与PET比较CTPET透射断层透射断层 TCT发射断层发射断层 ECTX 射线射线射线射线空间分辨空间分辨1mm空间分辨空间分辨5mm图像重建图像重建图像重建图像重建解剖解剖功能功能First Inst

12、allation in Zurich March 2001Discovery LSDiscovery LSPET/CT的特点 CT与PET硬件、软件同机融合 解剖图像与功能图像同机融合 同一幅图象既有精细的解剖结构又有丰富生理、生化分子功能信息 可用于肿瘤诊断、治疗及预后随诊全过程 高灵敏度、高特异性、高准确性 PET、CT单独能实现的，PET/CT一定能实现；PET/CT能实现的，PET或CT单独不一定能实现PET/CT的发展历史的发展历史 1953年 正电子探测脑肿瘤 1963年 发射断层 1973年 Hounsfield发明CT 1976年 PET用于临床 1991年 螺旋CT问世 1995年 Townsend研制PET/CT, NCI Grant 2000年 PET/CT在北美放射学会问世 2001年 PET/CT用于临床 2002年 LSO PET/CT UPMCIMAGE FUSION 2000 2001 2002 PE