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核医学方法与仪器第五讲正电子发射断层成像金永杰本讲座撰写人金永杰先生清华大学教授中国电子学会核医学电子学专业委员会副主任委员11C13N15O18F都是有机体的基本构成元素的同位素用这些正电子衰变核素几乎可以观察人体的一切生理生化过程其中18F的半衰期适当(110min)18F标记的脱氧葡萄糖(FDG)能用于心脏肿瘤神经等疾病的检查目前使用最多虽然安装专门设计的高能准直器以后SPECT可以对正负电子湮灭(Annihilation)所产生的511keVγ光子成像但是因为大部分γ光子被准直器阻挡其通过率只有0.1~1%511keV的γ光子的穿透性强NaI(Tl)薄晶体对它的探测效率低使得图像的信号/噪声比很差正电子发射断层成像术(PositronEmissionTomographyPET)则专门用于正电子类放射性药物显像它不使用准直器而是根据湮灭反应的特点采用符合探测技术PET对湮灭光子的利用率比SPECT高20~100倍故图像质量比SPECT好一PET的工作原理与结构湮灭符合探测(AnnihilationCoincidenceDetectionACD)的原理见图1正负电子湮灭时产生的两个向相反方向运动的γ光子用相对放置的两个探测器来测量脉冲幅度分析器筛选出能量为511keV的γ光子符合电路只将两个γ光子同时被探测到的湮灭事件记录到存储器中该事件一定发生在两个探测器之间的符合探测区中因此ACD又称作电子准直技术1.PET的探测系统典型的PET采用模件拼装成多层的环形探测器图2是其中的一层处在环平面内的γ光子不论朝任何方向飞行都能被探测器截获在每两个探测器模件之间都连接着符合电路能同时记录各个方向上的湮灭光子因此具有最佳的几何效率模件用锗酸铋(Bi4Ge3O12BGO)晶体和光电倍增管构成BGO的有效原子序数(74)和密度(7.13g/cm3)都比NaI(Tl)大2.4cm厚即可捕获90%的511keVγ光子所以对高能γ光子有更好的探测效率和空间分辨率模件中厚2.5~3cm的BGO晶体在纵横两个方向上割槽被分割成许多背后互连的小块以控制闪烁光在晶体中的传播它的背面耦合着光电倍增管阵列发生在不同晶体块中的闪烁光在光电倍增管阵列上各有其特殊的分配样式(Pattern)先测量出发光位置与各个光电倍增管输出脉冲幅度的对应关系记录在查找表(Look-upTable)里以后有γ光子进入探测器电子学电路就能根据各个光电倍增管的输出和查找表判断它射入了哪块晶体脉冲幅度分析器进行能量筛选阻止散射后改变方向的γ事件进入符合电路BGO晶体的光子产额只有4.8/keV探测器的能量分辨率仅为100keV左右所以单道脉冲幅度分析器的能量窗较宽(25%)符合电路认为时间差小于8~12ns的两个脉冲来自一次湮灭事件湮灭点就在发生闪光的两个BGO晶体小块之间的连线(称作符合线)上符合电路的输出脉冲命令计算机将这次事件按照符合线记录在存储器中环形探测器上的每一块晶体与对面的一组晶体都有符合关系形成一组扇形束的符合线如图3扇形束的宽度决定了PET的径向视野(Field-Of-ViewFOV)一般在环中心40~50%的范围内如果保持环的直径不变晶体块数越多投影采样密度就越大断层图像的径向空间分辨率则越好PET的径向FWHM一般等于晶体块宽度的0.4~0.5倍为4~8mm当然减小晶体的尺寸也能提高系统的轴向空间分辨率由于采用湮灭符合测量PET的视野内空间分辨率的变化小于5%不像采用准直器的SPECT那样离探头越远空间分辨率越差将多个探测器环叠合在一起如图4可以增加PET的轴向(Z)视野为了提高探测效率除了每层环内的直接符合之外一般还允许在相邻的几层环之间进行交叉符合这样在倾斜平面里飞行的湮灭光子也能被利用将交叉符合事件的计数加权求和就能在直接符合断层之间产生平行的附加断层图像虽然符合法则能够排除探测区之外的湮灭事件(见图1)在PET的各探测器环之间仍然装有高原子序数物质(如铅)制成的隔片(Septa)如图4用以阻挡来自探测区之外的γ光子这些光子可能是由别处的湮灭事件产生但是经过人体或周围物体散射进入该探测器环也可能是杂散的单个γ光子它们对真实的数据没有贡献却会增加探测器和电子线路的负担造成信号堆积加大系统的死时间损失它们进入探测器还会发生散射符合(ScatterCoincidence)和随机的偶然符合(AccidentalCoincidence)形成假的计数隔片可以将散射符合率从25~40%减少到15~25%隔片挡掉了无用的γ光子降低了计数率偶然符合的几率也会减少多环PET的隔片既要不影响相邻环之间的交叉符合又要尽量限制轴向的探测范围以减少假符合计数一些新型PET可以方便地安装和撤除隔片隔片撤除后交叉符合的层间跨度变宽能够进行三维数据采集(3DDataCollection)此时轴向的探测立体角大大扩展系统的探测灵敏度能够提高一个量级因为没有SPECT使用的吸收准直器所以PET的计数率达到每秒钟百万以上PET必须采用快电子学双极性窄脉冲成形反堆积局域触发全数字化等尖端电子技术具有纳秒(ns10-9s)级的定时精度探头模件化的好处是它们彼此独立能够并行工作使系统具有高计数率处理能力2.飞行时间法测量符合技术只能知道湮灭所发生的符合线把湮灭事件按符合线统计得到每条线上的事件数这就是投影值用它可以重建药物分布的图像在第四讲的统计噪声的讨论中我们谈过:无论解析算法的反投影过程或者迭代算法的修正过程都假设投影线经过的各个象素对投影值的贡献是均匀的每个象素的重建值都受投影线上所有象素的影响这导致投影线上的象素之间统计误差传播使断层图像的信号/噪声比下降投影线越长它经过的象素越多重建过程传播的统计误差越大随着电子学的进步飞行时间法(Time-Of-FlightTOF)开始应用在PET上它测量两个γ光子到达探测器环的时间差根据光速估计出湮灭事件在符合线上的大致位置由于TOF提供了更多信息所以能获得质量更高的图像假如探测系统的时间分辨率能达到0.6ns定位范围大约为30cm/ns0.6ns2=9cm重建图像时加入这项约束反投影长度可以缩短参与运算的象素数目减少统计误差的传播效应减轻图像的信号/噪声比提高系统的时间分辨率越好信号/噪声比的改进越明显此外知道了湮灭事件的大致位置就可以判别和剔除一部分来自病人体外的湮灭事件散射事件和偶然符合事件;提高了定时精度还能缩小符合电路的时间窗降低偶然符合的几率这都有利于提高图像质量3.临床实用型PET系统PET是最贵的CT设备(1~3百万美元/台)它还需要同样昂贵的回旋加速器(Cyclotron)和一系列示踪药物制备装置与之配套以便就近生产半衰期很短的正电子类放射性药物如何降低造价是临床实用型PET的主要研究目标有人正在研制低成本的固体和气体位置灵敏探测器模件用它们构成直径可伸缩的多边形探测器系统在每两个相对的模件之间都连接有符合电路如图5由于模件的边缘往往是不能利用的探测死区尤其在作躯体显像时模件向外推移多边形张开会有一部分γ光子逃逸所以探测效率不如全封闭的环形探头为了弥补缺失的投影采集数据时整个探测系统需要作一定角度的转动还有些双探头ECT如ADAC公司的MCDElscint公司的Helix通过增加NaI(Tl)晶体的厚度以适合探测高能γ光子减小探头的死时间以获得高计数率并在两个探头之间添加符合电路成为SPECT/PET两用系统它的价格只有几十万美元然而厚晶体的空间分辨率较差NaI(Tl)探测高能γ的效率也不如BGO双探头只能截获部分γ光子所以它的图像分辨率(FWHM=6~8mm)和信号/噪声比都比标准PET差一些MCD必须作180º的旋转扫描数据获取时间也比标准PET长4.信号放大技术上一讲介绍过为了抑制统计噪声在滤波反投影法重建断层图像的过程中加入了低通滤波器考虑到尽可能多地保留图像的细节滤波器的截止频率一般定在探测器的最高响应频率(1/FWHM)附近图6是具有不同空间分辨率的探测器的调制传递函数(ModulationTransferFunctionMTF)即频率响应特性曲线虚线处是FWHM=1.2cm的探测器的低通滤波器截止频率保持此滤波器不变在同样计数下噪声水平也不变如果我们将探测器的空间分辨率(FWHM)提高到0.80.6甚至0.4cm低通滤波器通带内图像的各种频率成份都加大因此信号/噪声比提高了;而且高频成份增加图像的空间分辨率也得到改善这就是信号放大技术(SignalAmplificationTechniqueSAT这说明:提高探测器的空间分辨率可以改善PET的成像质量换一个角度讲要得到同样质量的图像高空间分辨率的PET只需更少的计数可以缩短采集时间或者减少注射剂量这对临床应用是非常有意义的信号放大技术对SPECT作用不大因为提高SPECT探头空间分辨率的办法是使用高分辨率准直器然而它的灵敏度却随分辨率的提高成二次方地降低从而抵消了对信号/噪声比的改善PET则依靠减小探测单元的尺寸来提高空间分辨率这不会损失探测灵敏度因此SAT能够改善PET的成像质量二误差校正引起PET成像误差的因素很多:正电子类药物强度的快速衰变高计数率造成的系统死时间损失偶然符合散射和人体吸收衰减的影响探测器灵敏度不一致统计噪声等等如果不加以校正这些因素都会严重影响PET的成像质量1.衰变校正在第一讲中介绍过放射性衰变(Decay)会使药物的强度按照指数规律逐渐降低正电子类核素的寿命都非常短测量过程中药物放射性强度的变化在静态采集中可以不管但是对于动态采集全身扫描门控采集和定量研究则必须考虑根据指数衰变规律注射时放射性强度为A0的药物经过时间t采集某一帧的时候放射性强度下降到A(t)=A0e-λt这里l是核素的衰变常数据此不难从t时刻的药物放射性强度A(t)求出注射时刻的强度A0=A(t)eλt如果各帧的采集时间比药物的半衰期短可以忽略在每帧采集过程中放射性强度的变化把eλt作为刻度因子乘以该帧各个象素的计数值就能将图像归一到注射时刻的情况t用从注射起到这一帧采集的中点时刻来近似2.散射符合和偶然符合校正散射符合和偶然符合事件在空间分布上比较均匀它表现为叠加在真实图像上的缓变本底造成图像的对比度下降定量关系破坏为了减少假符合改善图像质量除了在PET的探测器环之间设置隔片以外还可以采用闪烁光持续时间短的晶体快电子学电路和尽量窄的符合时间窗尽管如此在PET的数据中假符合事件与真实事件之比大约为13而且随着放射性药物强度的增加偶然符合比真实符合增加得更快散射符合与病人体内的放射性分布PET的设计和周围环境有关难以精确测量和估计我们可以在视野边缘没有放射性药物的地方测量符合计数率根据散射符合事件分布比较均匀之特点外推估计视野中的散射符合成份将其从原始数据中扣除散射符合校正必须在衰减校正和图像重建之前进行如果在原有的符合电路旁边再设计一个偶然符合电路与它连接的两个探测单元之一的输出信号被延迟只要延迟时间大于两倍的符合电路时间窗宽度就能保证偶然符合电路的输出中没有真的湮灭符合事件从原有符合电路输出的计数中减掉偶然符合电路的计数就能得到真的湮灭符合计数这种扣除是实时在线进行的也可以用软件完成偶然符合校正:只要知道各探测单元输出的计数率R和符合窗的宽度τ就能用公式2τR2估计出偶然符合计数率软件校正在采集完成后进行是非实时的3.人体衰减校正在图2中强度为I0向相反方向传播的γ射线穿出人体以后探测器测得的值分别为I1=I0e∫⋅−adl0µ和I2=I0e∫⋅−bdl0µI1与I2符合后的强度为I=I1I2=I0e∫⋅−adl0µ∫⋅−bdl0µ=I0e∫⋅−bdl0µ其等效衰减路径是人体在符合线上的总厚度ab比仅探测单个γ光子的SPECT衰减路径(oa或ob)更长软组织对511keV的γ射线的质量衰减系数是0.095cm2/g半衰减厚度约为7.2cm对直径大约20cm的头部显像超过85%的γ光子被衰减;宽40cm的躯干可将95%以上的γ光子吸收掉所以要从PET图像得到定量的诊断结论必须对人体的衰减(Attenuation)进行校正第四讲介绍过单个γ光子沿某条路径从不同深