医学影像设备 PET成像.ppt

高能正电子成像,主 要 内 容,正电子正电子放射性核素的生产发射正电子的放射性核素高能正电子成像方式PET/CT,欢 迎 随 时 提 问,一、正电子,1、正电子（e+；称+粒子）：是与电子（负电子）相似的一种带电粒子。正电子带一个正电荷，有一定质量和能量。正电子所带能量的大小决定了正电子在组织中的消失射程。,2、正电子发射,原子核中的一个质子释放正电子和中微子并衰变为中子。P n+18F原子结构：9个质子、9个中子、9 个核外电子；注：氟稳定结构是10个中子,Carl Anderson,3、湮没辐射（annihilation）,湮没辐射：是指+粒子与物质作用能量耗尽时，和物质中的自由电子（e-）结合，正负电荷抵消，两个电子的静止质量转化为2个能量相等（511keV）、方 向相反的光 子而自身消失。,二、发射正电子的放射性核素,发射正电子的放射性核素 18F、11C、13N、15O 半衰期：18F 1.87hr、11C 20.4min、13N 10min、15O 122.5s。,正电子的放射性核素特点,1、人体组织的基本元素。易于标记各种生命所必需的化合物及其代谢产物而不改变它们的生物活性，且可以参与人体的生理、生化代谢过程；2、半衰期比较短。检查时可给予较大剂量，提高了影像的对比度和空间分辨率，更真实地反映人体生理、生化、病理和功能等方面的改变。,三、正电子放射性核素的生产,医用回旋加速器 正电子放射性核素通常是用稳定的核素经处理变成放射性核素。放射性核素18F是用稳定核素18O经质子轰击而产生的。质子带正电，产生的18F缺中子，其在衰变过程中放出一个正电子或俘获一轨道上的电子行成稳定核素。正电子发生器,四、高能正电子成像方式,1、高能准直成像（HECI）High Energy Positron Collimation Imaging 2、正电子符合探测成像(MCD)Molecular Coincidence Detection Imaging PET：Positron Emission Tomography CPET：Circle PET hPET：hybrid PET,（一）正电子符合 探测成像,1、符合探测成像原理,符合探测利用了湮没辐射产生的2个光子的直线性、同时性这两个特点，进行成像。(1)直线性：即湮没辐射产生的2个光子互成180。探测基本要求是2个互成180的探头-双探头SPECT机。,(2)同时性,同时性即湮没辐射产生2个光子，同时被两个相对探头探测。同时性要求采用一种特殊的线路 符合线路,符合线路,符合线路（coincidence circuit）：只有进入两个探头的两个光子是同时到达的闪烁事件才能被记录，否则不予接受，这种线路称符合线路。湮灭作用产生的两个光子 几乎同时击中探测器环上对 称位置的两个探测器，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，挑选符合事件。,(3)飞行时间技术（TOF）,飞行时间：假设湮没辐射产生在两个探测器的正中间，发生的2个湮没辐射光子可同时到达两探测器，产生的脉冲时间差为零，除此之外，其他位置发生的湮没辐射光子，在探测中总有一定时间差，这个时间差称为飞行时间。符合时间窗：是为时间差所设的限，即两个光子被记录的时间差小于符合时间窗时，就被作为一次符合探测。它决定着符合探测效率、稳定性和精确度。符合窗时间一般定为12-15ns，现在5ns。,R,PMT,PMT,COINCIDENCE,PROCESSING,DETECTOR,RING,Projection Data Collection,CoincidenceProcessor,Data Sorting,Histogram,Image ReconComputer,Images,19,传统PET无飞行时间,飞行时间,“飞行时间”基本概念,定位三维空间的一条线,定位三维空间的一个点,20,飞行时间原理,no TOF,TOF,定位精度和时间分辨率的关系,x=t*C/2,x是位置误差，即定位精度,t是时间误差，即时间分辨率,所以定位精度与时间分辨率成正比例关系,650ps的时间分辨率对应有9.75cm的定位精度580ps的时间分辨率对应有8.7cm的定位精度20ps的时间分辨率对应有3mm的定位精度,降噪机制,A是传统PET，一个体素的LOR穿过所有其他同一条线上的体素B是TOF PET，定位精度以外的体素的影响将不再考虑,23,无飞行时间,有飞行时间,24,无飞行时间,More precise localization of annihilation event improves image quality,灵敏度和信躁比,更少的外部计数,飞行时间 更高的有效灵敏度+更高信躁比,有效的范围内有更高的计数,有飞行时间,（1）真符合：是构成PET断层影像所需的湮没辐射光子。真符合数越多，影像质量越好。真符合光子必须具备3个条件：2个光子同时同地发生；2个光子互成180角度 2个光子能量为511keV。,2、真符合、随机符合与散射符合,（2）随机符合,随机符合：是一种假符合，其两个光子毫无时间与空间的相互关系，但在符合时间窗内被误认为“同时”发生的2个光子而探测下来。随机符合与真符合区别：符合探测的2个光子来自不同的湮没辐射事件。随机符合是符合探测成像中的噪声，增加图像本底，降低图像的对比度和分辨率。随机符合的效率高于真符合,散射符合是湮没辐射产生的2个光子，如果一个到达探头之前与组织发生散射，但仍在符合时间窗内被探头探测，称散射符合.散射符合的符合线与原始湮没辐射事件的位置完全不一致,导致错误的位置信息,影响成像的空间分辨率.特点：散射光子能量小于511kev,方向不成180。,（3）散射符合,减小假符合方法,(1)降低单探头的计数率 控制注入剂量，不是剂量越高，影像质量越好。假符合数与单个探头计数率平方成正比，而真符合只与探头计数率一次方成正比。在低计数率时，增加计数，真符合增加明显。在高计数率时，增加计数，假符合增加明显。(2)减小符合分辨时间（由15ns降至2ns）；(3)用硬件加以校正，如轴向屏蔽。,（二）hPET成像,1、hPET成像基础（1）18F-FDG应用；被评为1997年最受欢迎的放射性药物。（2）双头、三头SPECT机开发与研究成功。双头SPECT机+符合线路在正电子符合探测成像，获得了美国FDA的批准。,2、hPET符合成像的特殊要求,（1）单道分析器能谱扩宽（2）重建511kev校正表 均匀性校正表、线性校正表、能量校正表等。（3）探头屏蔽加厚（4）晶体厚度（5）最大计数率 每个光电倍增管的输出跟一个模数转换器,降低死时间,提高计数率。,3、hPET成像特点,（1）使用符合电子准直，大大提高了探测效率及系统分辨率。电子准直：湮灭光子对，只有在两个互成180的探测器的视野立体角内才能被探测，这种利用湮灭辐射的特点和两个相对探测器输出脉冲的符合来确定闪烁事件位置的方法称电子准直。电子准直是和hPET的一大特点，它省去了沉重的铅制准直器，大大提高了探测效率，hPET的灵敏度比SPECT高10倍以上；电子准直的hPET系统分辨率为612mm，铅制准直器的SPECT系统分辨率为816mm。,hPET成像特点,（2）hPET比PET机价格便宜，可一机两用。（3）可进行身体任何部位的正电子成像。（4）符合探测成像仅适合18F-FDG的正电 子成像。（5）hPET功能及影像质量与PET相比仍有 待提高。,（三）P E T显像 Positron Emission Tomography,1、PET机构成,PET机构成由探头、断层床、计算机及其他辅助部分组成。探头由晶体、光电倍增管、前端电子学线路及射线屏蔽装置组成。,探测器,闪烁晶体是探测器质量的关键；光电倍增管的性能直接影响探测器的可靠性和稳定性。,各种晶体性能比较,PET基本单位,PET基本单位单个晶体与光电倍增管构成分离的探测器。分离探测元件占用的光电倍增管多、造价高、灵敏度低、机械稳定性差。块状结构探测器在80年代中期西门子公司发明。这种结构是在一块大晶体上刻许多槽，把晶体分成88的小矩阵，后面联接4个光电倍增管。这种结构大量节省了光电倍增管，改善了光的收集效率，提高了灵敏度、空间分辨率、机械稳定性，维修探头也很方便。,2、PET数据采集方式,PET数据采集方式：2D方式与3D方式2D方式是在有电子准直状态下采集3D方式是在撤除准直的状态下采集3D方式信息量较2D方式高90%，信息量大,分辨率高,噪声多.,2D和3D采集方式原理,消除来自视野内、外的散射以获得高质量图像,总计数高，但由于散射和随机计数也明显增加，影响图像质量,SNR in 3D 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 counts/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,Trues=11.3KRandom=7.3KScatter=4K,2D,Trues=53%R+S=47%NECR=7.5 kcps,3D 散射计数和随机计数明显增加，影响图像质量,Depth=30mm,Depth=30mm,296 MillionDisintegrations/sec,3D采集,2D采集,5mm病灶检测,3D采集,2D采集,3D采集图象,2D采集图象,前列腺肿瘤,5mm病灶检测,2D和3D采集方式临床应用,2D、3D采集方式灵活应用,门控放射治疗,无门控时，呼吸运动.,传统的CT不能准确定位,CT放疗靶区定位 无法预测真实的运动情况 肿瘤由于呼吸运动的影响，偏离放射治疗靶区,放射治疗野明显增大，损伤正常的组织,无门控时.,唯一的办法，增大放射治疗野,门控放射治疗,同步治疗：增大靶区剂量，增加放疗疗效，最大限度减少正常组织损伤,4D实时追踪定位 确定某一呼吸时相的靶器官位置 门控触发治疗,3、PET显像分类,代谢显像 血流灌注显像受体显像基因显像,4、正电子断层显像应用,肿瘤的诊断 心血管疾病 脑神经疾病,四、PET/CT,第三节 PET质量控制-PET总体性能测试,PET质控模型,系统分辨率,脑断层,（一）模型制备,模型内注入：水 18F（12 mCi）排除气泡充分混匀,（二）模型测试,系统模型 断层均匀度 断层热区分辨率 断层冷区分辨率 断层线性 Hoffman脑3D模型 脑内结构的清晰程度,（三）测试步骤,1模型置于探测器的有效视野FOV中心位置，模型长轴平行于FOV轴向。2128128采集矩阵，ZOOM=1。3采集时间要保证模型均匀部分重建横断面的平均计数不小于20M。4使用仪器提供的所有校正方法，如衰减、死时间、随机、散射校正等，5.用RAMP滤波器重建整个模型的横断切面，重建厚度为1像素。,系统分辨率模型测试图,（四）计算分析及结果报告,1、计算分析：横断面包括四个测试部分：冷区分辨率、热区分辨率、均匀性，以及线性。在分辨率部分仔细观察能够较为清晰分辨的最小冷热区；在均匀性部分观察是否存在不均匀部分；线性部分观察是否存在非线性失真。2、结果报告：描述横断面的分辨率、均匀性和线性，记录所有采集和重建条件。,（五）正电子（18F）性能测试的评判,热区及冷区分辨率：Dedicate PET（BGo晶体）应 6mm C-PET（NaI晶体）应 10mm 符合线路应 15mmHoffman脑3D模型:要求脑内核团（丘脑及基底节）显示清楚,三、操作人员,采集条件 每帧的采集时间 速度 信息量分析条件 最佳分析处理条件（滤波及滤波参数和衰减校正）,仪 器,按要求做仪器质控 发现超标及时校正定期保养 使仪器保持最佳工作状态,仪器质控,均匀性测试（二周一次）旋转中心测试（每月一次）模型测试（每年一次）四像限铅栅模型测试（每月一次）,定期保养,恒温除湿除尘,四、其他,放射性药物搁置时间注射技术注射至显像时间病人配合放射性污染尿袋胶片质量洗片机,甲级片标准,病人姓名、及编号输入无误前、后、左、右标识清楚影像位置准确选用采集及处理条件恰当对比度、清晰度良好，无影像模糊及黑化度过低、过淡现象无伪影、叠影、放射状或树状影及月牙形胀影无污染、划伤、手影及药膜脱落资料保存良好完整，可再制版，无片子发灰现象胶片四角为圆角，以免划伤片子 要求：三级医院甲级片率 50 二级医院甲级片率 40 废片率 2。,