pet成像2012

1、徐州醫(yī)學(xué)院附院核醫(yī)學(xué)科 侯先存,高能正電子成像,主 要 內(nèi) 容,正電子正電子放射性核素的生產(chǎn)發(fā)射正電子的放射性核素高能正電子成像方式PET/CT,歡 迎 隨 時(shí) 提 問,一、正電子,1、正電子（e+；稱β+ 粒子）： 是與電子（負(fù)電子）相似的一種帶電粒子。正電子帶一個(gè)正電荷，有一定質(zhì)量和能量。正電子所帶能量的大小決定了正電子在組織中的消失射程。,2、正電子發(fā)射,原子核中的一個(gè)質(zhì)子釋放正電子和中

2、微子并衰變?yōu)橹凶印?P ——〉n+β++ ν 18F原子結(jié)構(gòu)： 9個(gè)質(zhì)子、9個(gè)中子、 9 個(gè)核外電子； 注：氟穩(wěn)定結(jié)構(gòu)是10個(gè)中子,,Carl Anderson,3、湮沒輻射（annihilation）,湮沒輻射：是指β+ 粒子與物質(zhì)作用能量耗盡時(shí)，和物質(zhì)中的自由電子（e-）結(jié)合，正負(fù)電荷抵消，兩個(gè)電子的靜止質(zhì)量轉(zhuǎn)化為2個(gè)能量相等 （511keV）、方 向相反的γ光

3、子而自身消失。,二、發(fā)射正電子的放射性核素,發(fā)射正電子的放射性核素 18F 、11C、 13N 、15O 半衰期： 18F 1.87hr、 11C 20.4min、 13N 10min、 15O 122.5s。,正電子的放射性核素特點(diǎn),1、人體組織的基本元素。 易于標(biāo)記各種生命所必需的化合物及其代謝產(chǎn)物而不改變它們

4、的生物活性，且可以參與人體的生理、生化代謝過程； 2、半衰期比較短。 檢查時(shí)可給予較大劑量，提高了影像的對比度和空間分辨率，更真實(shí)地反映人體生理、生化、病理和功能等方面的改變。,三、正電子放射性核素的生產(chǎn),醫(yī)用回旋加速器 正電子放射性核素通常是用穩(wěn)定的核素經(jīng)處理變成放射性核素。放射性核素18F是用穩(wěn)定核素18O經(jīng)質(zhì)子轟擊而產(chǎn)生的。質(zhì)子帶正電，產(chǎn)生的18F缺中子，其在衰變過程中放出一

5、個(gè)正電子或俘獲一軌道上的電子行成穩(wěn)定核素。正電子發(fā)生器,四、高能正電子成像方式,1、高能準(zhǔn)直成像（HECI） High Energy Positron Collimation Imaging 2、正電子符合探測成像(MCD) Molecular Coincidence Detection Imaging

6、 PET：Positron Emission Tomography CPET：Circle PET hPET：hybrid PET,（一）正電子符合 探測成像,,1、符合探測成像原理,符合探測利用了湮沒輻射產(chǎn)生的2個(gè)γ光子的直線性、同時(shí)性這兩個(gè)特點(diǎn)，進(jìn)行成像。 (1)直線性：即湮沒輻射產(chǎn)生的2個(gè)γ光子互成180°。 探測基本要

7、求是2個(gè)互成180°的探頭 ----- 雙探頭SPECT機(jī)。,(2)同時(shí)性,同時(shí)性即湮沒輻射產(chǎn)生2個(gè)γ光子，同時(shí)被兩個(gè)相對探頭探測。同時(shí)性要求采用一種特殊的線路— 符合線路,符合線路,符合線路（coincidence circuit）：只有進(jìn)入兩個(gè)探頭的兩個(gè)γ光子是同時(shí)到達(dá)的閃爍事件才能被記錄，否則不予接受，這種線路稱符合線路。湮滅作用產(chǎn)生的兩個(gè)γ光子 幾乎同時(shí)擊中探測器環(huán)上對 稱位置的兩個(gè)探

8、測器，每個(gè) 探測器接收到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，挑選符合事件。,(3)飛行時(shí)間技術(shù)（TOF）,飛行時(shí)間：假設(shè)湮沒輻射產(chǎn)生在兩個(gè)探測器的正中間，發(fā)生的2個(gè)湮沒輻射光子可同時(shí)到達(dá)兩探測器，產(chǎn)生的脈沖時(shí)間差為零，除此之外，其他位置發(fā)生的湮沒輻射光子，在探測中總有一定時(shí)間差，這個(gè)時(shí)間差稱為飛行時(shí)間。符合時(shí)間窗：是為時(shí)間差所設(shè)的限，即兩個(gè)光子被記錄的時(shí)間差小于符合時(shí)間窗時(shí)，就被作

9、為一次符合探測。它決定著符合探測效率、穩(wěn)定性和精確度。 符合窗時(shí)間一般定為12-15ns，現(xiàn)在5ns。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,R,,,PMT,PMT,COINCIDENCE,PROCESSING,DETECTOR,RING,,,,Projection Data Collection,CoincidenceProcessor,,Data Sorting,Histogr

10、am,,Image ReconComputer,Images,,,,19,傳統(tǒng)PET無飛行時(shí)間,飛行時(shí)間,“飛行時(shí)間”基本概念,定位三維空間的一條線,定位三維空間的一個(gè)點(diǎn),20,飛行時(shí)間原理,no TOF,TOF,定位精度和時(shí)間分辨率的關(guān)系,? x= ? t*C/2,? x是位置誤差，即定位精度,? t是時(shí)間誤差，即時(shí)間分辨率,所以定位精度與時(shí)間分辨率成正比例關(guān)系,650ps的時(shí)間分辨率對應(yīng)有9.75cm的定位精度580ps的時(shí)間分

11、辨率對應(yīng)有8.7cm的定位精度20ps的時(shí)間分辨率對應(yīng)有3mm的定位精度,降噪機(jī)制,A是傳統(tǒng)PET，一個(gè)體素的LOR穿過所有其他同一條線上的體素B是TOF PET，定位精度以外的體素的影響將不再考慮,23,,,,無飛行時(shí)間,有飛行時(shí)間,24,無飛行時(shí)間,More precise localization of annihilation event improves image quality,靈敏度和信躁比,,,,更少的外部計(jì)數(shù),飛

12、行時(shí)間 更高的有效靈敏度 + 更高信躁比,,,有效的范圍內(nèi)有更高的計(jì)數(shù),有飛行時(shí)間,,,,（1）真符合：是構(gòu)成PET斷層影像所需的湮沒輻射γ光子。真符合數(shù)越多，影像質(zhì)量越好。真符合γ光子必須具備3個(gè)條件： ①2個(gè)γ光子同時(shí)同地發(fā)生； ②2個(gè)γ光子互成180°角度 ③2個(gè)γ光子能量為511keV。,2、真符合、隨機(jī)符合與散射符合,（2）隨機(jī)符合,隨機(jī)符合：是一種假符合，其兩個(gè)

13、γ光子毫無時(shí)間與空間的相互關(guān)系，但在符合時(shí)間窗內(nèi)被誤認(rèn)為“同時(shí)”發(fā)生的2個(gè)γ光子而探測下來。隨機(jī)符合與真符合區(qū)別：符合探測的2個(gè)γ光子來自不同的湮沒輻射事件。隨機(jī)符合是符合探測成像中的噪聲，增加圖像本底，降低圖像的對比度和分辨率。隨機(jī)符合的效率高于真符合．,散射符合是湮沒輻射產(chǎn)生的2個(gè)γ光子，如果一個(gè)到達(dá)探頭之前與組織發(fā)生散射，但仍在符合時(shí)間窗內(nèi)被探頭探測，稱散射符合.散射符合的符合線與原始湮沒輻射事件的位置完全不一致,導(dǎo)致錯(cuò)誤

14、的位置信息,影響成像的空間分辨率.特點(diǎn)：散射光子能量小于511kev, 方向不成180°。,（3）散射符合,,減小假符合方法,(1)降低單探頭的計(jì)數(shù)率   控制注入劑量，不是劑量越高，影像質(zhì)量越好。假符合數(shù)與單個(gè)探頭計(jì)數(shù)率平方成正比，而真符合只與探頭計(jì)數(shù)率一次方成正比。在低計(jì)數(shù)率時(shí)，增加計(jì)數(shù)，真符合增加明顯。在高計(jì)數(shù)率時(shí)，增加計(jì)數(shù)，假符合增加明顯。

15、(2)減小符合分辨時(shí)間 （由15ns降至2ns）；(3)用硬件加以校正，如軸向屏蔽。,（二） hPET成像,1、 hPET成像基礎(chǔ) （1）18F-FDG應(yīng)用； 被評(píng)為1997年最受歡迎的放射性藥物。 （2）雙頭、三頭SPECT機(jī)開發(fā)與研究成功。 雙頭SPECT機(jī)+符合線路在正電子符合探測成像，獲得了美國FDA的批準(zhǔn)。,2、 hPET符合成像的特殊要求,（1）單道分析器能譜

16、擴(kuò)寬（2）重建511kev校正表 均勻性校正表、線性校正表、能量校正表等。（3）探頭屏蔽加厚（4）晶體厚度（5）最大計(jì)數(shù)率 每個(gè)光電倍增管的輸出跟一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器,降低死時(shí)間,提高計(jì)數(shù)率。,3、 hPET成像特點(diǎn),（1）使用符合電子準(zhǔn)直，大大提高了探測效率及系統(tǒng)分辨率。電子準(zhǔn)直：湮滅γ光子對，只有在兩個(gè)互成180°的探測器的視野立體角內(nèi)才能被探測，這種利用湮滅輻射的特點(diǎn)和兩個(gè)相對探測器輸

17、出脈沖的符合來確定閃爍事件位置的方法稱電子準(zhǔn)直。電子準(zhǔn)直是和hPET的一大特點(diǎn)，它省去了沉重的鉛制準(zhǔn)直器，大大提高了探測效率，hPET的靈敏度比SPECT高10倍以上；電子準(zhǔn)直的hPET系統(tǒng)分辨率為6～12mm，鉛制準(zhǔn)直器的SPECT系統(tǒng)分辨率為8～16mm。,hPET成像特點(diǎn),（2） hPET比PET機(jī)價(jià)格便宜，可一機(jī)兩用。（3）可進(jìn)行身體任何部位的正電子成像。（4）符合探測成像僅適合18F-FDG的正電

18、子成像。（5） hPET功能及影像質(zhì)量與PET相比仍有 待提高。,（三）P E T顯像 Positron Emission Tomography,,1、PET機(jī)構(gòu)成,PET機(jī)構(gòu)成由探頭、斷層床、計(jì)算機(jī)及其他輔助部分組成。 探頭由晶體、光電倍增管、前端電子學(xué)線路及射線屏蔽裝置組成。,,,探測器,閃爍晶體是探測器質(zhì)量的關(guān)鍵；光電倍增管的性能直接影響探測器的可靠性和穩(wěn)定性。,,各種晶體性能比較

19、,PET基本單位,PET基本單位單個(gè)晶體與光電倍增管構(gòu)成分離的探測器。 分離探測元件占用的光電倍增管多、造價(jià)高、靈敏度低、機(jī)械穩(wěn)定性差。塊狀結(jié)構(gòu)探測器在80年代中期西門子公司發(fā)明。 這種結(jié)構(gòu)是在一塊大晶體上刻許多槽，把晶體分成8×8的小矩陣，后面聯(lián)接4個(gè)光電倍增管。這種結(jié)構(gòu)大量節(jié)省了光電倍增管，改善了光的收集效率，提高了靈敏度、空間分辨率、機(jī)械穩(wěn)定性，維修探頭也很方便。,,

20、2、PET數(shù)據(jù)采集方式,PET數(shù)據(jù)采集方式： 2D方式與3D方式2D方式是在有電子準(zhǔn)直狀態(tài)下采集3D方式是在撤除準(zhǔn)直的狀態(tài)下采集3D方式信息量較2D方式高90%，信息量大,分辨率高,噪聲多.,,,,,,,,,,,,,,,,,2D和3D采集方式原理,,,,,,,,,,,,,,,,,消除來自視野內(nèi)、外的散射以獲得高質(zhì)量圖像,總計(jì)數(shù)高，但由于散射和隨機(jī)計(jì)數(shù)也明顯增加，影響圖像質(zhì)量,SNR in 3D

21、and 2D for 251 lb Patient,,Patient,Geometry,Crystal Depth,Timing Window& Electronics,Final Image,,,,FDG,15mCi injected, scanned 2 hour 2 min post injection6.87mCi at Acq.,,254 MillionDisintegrations/sec,,375 K cou

22、nts/sec,,313 K counts/sec,Trues= 43.6KRandom= 210K Scatter= 59.4K,3D,,Trues % = 14% R+S = 86%NECR = 10 kcps,15mCi injected, scanned 1 hour 38 min post injection8mCi at Acq.,,,22 K counts/sec,,21.4 K counts/sec,Tru

23、es= 11.3KRandom= 7.3KScatter= 4K,2D,,Trues = 53% R+S = 47%NECR = 7.5 kcps,3D 散射計(jì)數(shù)和隨機(jī)計(jì)數(shù)明顯增加，影響圖像質(zhì)量,Depth = 30mm,Depth = 30mm,296 MillionDisintegrations/sec,,3D采集,2D采集,?5mm病灶檢測,3D采集,2D采集,3D采集圖象,2D采集圖象,,前列腺腫瘤,?5mm病灶檢

24、測,,,2D和3D采集方式臨床應(yīng)用,2D、3D采集方式靈活應(yīng)用,門控放射治療,無門控時(shí)，呼吸運(yùn)動(dòng)…..,傳統(tǒng)的CT不能準(zhǔn)確定位,,,,CT放療靶區(qū)定位 無法預(yù)測真實(shí)的運(yùn)動(dòng)情況 腫瘤由于呼吸運(yùn)動(dòng)的影響，偏離放射治療靶區(qū),,,,放射治療野明顯增大，損傷正常的組織,,無門控時(shí)…..,唯一的辦法，增大放射治療野,門控放射治療,,,同步治療：增大靶區(qū)劑量，增加放療療效，最大限度減少正常組織損傷,4D實(shí)時(shí)追蹤定位 確定某一呼吸時(shí)相的靶器官位置

25、 門控觸發(fā)治療,3、PET顯像分類,代謝顯像 血流灌注顯像受體顯像基因顯像,4、正電子斷層顯像應(yīng)用,①腫瘤的診斷 ②心血管疾病 ③腦神經(jīng)疾病,四、PET/CT,,,第三節(jié) PET質(zhì)量控制------PET總體性能測試,PET質(zhì)控模型,系統(tǒng)分辨率,腦斷層,（一）模型制備,模型內(nèi)注入： 水 18F （1～2 mCi）排除氣

26、泡充分混勻,（二）模型測試,系統(tǒng)模型 斷層均勻度 斷層熱區(qū)分辨率 斷層冷區(qū)分辨率 斷層線性 Hoffman腦3D模型 腦內(nèi)結(jié)構(gòu)的清晰程度,（三）測試步驟,1．模型置于探測器的有效視野FOV中心位置，模型長軸平行于FOV軸向。2．128×128采集矩陣，ZOOM=1。3．采集時(shí)間要保證模型均勻部分重建橫斷面的平均計(jì)數(shù)不小于20M。4．使用儀器提供的所有校

27、正方法，如衰減、死時(shí)間、隨機(jī)、散射校正等，5.用RAMP濾波器重建整個(gè)模型的橫斷切面，重建厚度為1像素。,,系統(tǒng)分辨率模型測試圖,（四）計(jì)算分析及結(jié)果報(bào)告,1、計(jì)算分析：橫斷面包括四個(gè)測試部分：冷區(qū)分辨率、熱區(qū)分辨率、均勻性，以及線性。在分辨率部分仔細(xì)觀察能夠較為清晰分辨的最小冷熱區(qū)；在均勻性部分觀察是否存在不均勻部分；線性部分觀察是否存在非線性失真。2、結(jié)果報(bào)告： 描述橫斷面的分辨率、均勻性和線性，記錄所有采集和重建條件。

28、,（五）正電子（18F）性能測試的評(píng)判,熱區(qū)及冷區(qū)分辨率： Dedicate PET（BGo晶體）應(yīng)< 6mm C-PET（NaI晶體）應(yīng) <10mm 符合線路應(yīng) < 15mmHoffman腦3D模型: 要求腦內(nèi)核團(tuán)（丘腦及基底節(jié)） 顯示清楚,三、操作人員,采集條件 每幀的采集時(shí)間 速度 信

29、息量分析條件 最佳分析處理?xiàng)l件 （濾波及濾波參數(shù)和衰減校正）,儀 器,按要求做儀器質(zhì)控 發(fā)現(xiàn)超標(biāo)及時(shí)校正定期保養(yǎng) 使儀器保持最佳工作狀態(tài),儀器質(zhì)控,均勻性測試（二周一次） 旋轉(zhuǎn)中心測試（每月一次）模型測試（每年一次）四像限鉛柵模型測試（每月一次）,定期保養(yǎng),恒溫除濕除塵,四、其他,放射性藥物擱置時(shí)間注射技術(shù)注射至顯像時(shí)間病人配合放射性

30、污染尿袋膠片質(zhì)量洗片機(jī),甲級(jí)片標(biāo)準(zhǔn),病人姓名、及編號(hào)輸入無誤前、后、左、右標(biāo)識(shí)清楚影像位置準(zhǔn)確選用采集及處理?xiàng)l件恰當(dāng)對比度、清晰度良好，無影像模糊及黑化度過低、過淡現(xiàn)象無偽影、疊影、放射狀或樹狀影及月牙形脹影無污染、劃傷、手影及藥膜脫落資料保存良好完整，可再制版，無片子發(fā)灰現(xiàn)象膠片四角為圓角，以免劃傷片子 要求：三級(jí)醫(yī)院甲級(jí)片率 > 50％ 二級(jí)醫(yī)院甲級(jí)片率 >