正电子发射计算机断层扫描 PET

1964年环状头部PET

PET-CT图示

PET-CT图示

PET-CT图示

要点 PET的发展 PET的物理基础 PET的结构与数据采集 PET的2D和3D采集模式 PET影像的重建 PET显像特点 PET的临床应用

PET简介 PET是核医学发展的一项新技术，是高水平核医学诊断的标志。用来确定癌症的发生与严重性、神经系统的状况及心血管方面的疾病。

PET的发展 20世纪20年代物理学家从理论上推断有带正电荷的正电子存在。 20世纪30年代开始对放射性核素的物理、化学性能进行了深入研究，发现了它们在生物学和医学领域的应用价值。 1953年Dr. Brownell和Dr. Sweet研制了用于脑正电子显像的PET显像仪 60年代末出现了第一代商品化PET扫描仪，可进行断层面显像

PET的发展 1976年由Dr. Phelps和Dr. Hoffman设计，由ORTEC公司组装生产了第一台用于临床的商品化PET 20世纪80年代更多公司投入了PET研制，岛津（Shimadzu,1980）、CTI公司（1983）、西门子公司（Siemens，1986）、通用电气公司（GE，1989）、日立公司（Hitachi，1989）和ADAC公司(1989) PET系统日趋成熟，许多新技术用于PET，如：采用BGO和LSO晶体的探测器、引用数字化正电子符合技术等，使PET系统的分辨率小于4mm。

PET的物理基础 正电子放射性核素通常为富质子的核素,它们衰变时会发射正电子。原子核中的质子释放正电子和中微子并衰变为中子： 正电子的质量与电子相等，电量与电子的电量相同，只是符号相反。通常正电子（β＋）衰变都发生于人工放射性核素。

正电子湮灭 正电子湮灭前在人体组织内行进1-3 mm 湮灭作用产生: 能量（光子是511KeV） 动量

正电子湮灭

PET中用到的核素 所有发射正电子的放射性核素如11C、13N、15O等都是人体组织的基本元素，易于标记各种生命必需的化合物及其代谢产物或类似物而不改变它们的生物活性，且可参与人体的生理、生化代谢过程，准确地反映机体的代谢情况； 例如，含有oxygen-15的水或氧分子常用来观察脑部血流情况或氧气的代谢情况，因为这些过程能反映大脑受到疾病、物理或精神刺激的结果。

正电子药物 由于C、N、O是人体组成的基本元素，而F的生理行为类似于H，故应用11C、13N、15O、18F等正电子核素标记人体的生理物质，如糖、氨基酸和脂肪，可在不影响内环境平衡的生理条件下，获得某一正常组织或病灶的放射性分布、放射性标记药物浓集速率、局部葡萄糖氨基酸和脂肪代谢、血流灌注、氧利用率以及其他许多活体生理参数等，藉此显示的形态和功能参数，以研究和诊断人体内的病理生理异常与疾病，它较之传统的解剖结构显像更深入更全面，可更早期地发现病变。

FDG-PET 葡萄糖是人体代谢中最重要的能源物质； Fluorine-18能取代生物分子（如葡萄糖）中的羟基参与组织代谢； 在病灶未呈现于CT、MRI等解剖影像上之前，以细胞生化上的微量异常表现来监控和诊断恶性肿瘤的发生； FDG-PET还可用来跟踪癌症的治疗效果； FDG-PET可用于全身各个部位，如：大脑、颈部、乳腺、肺部、肝脏以及结肠等； FDG-PET还能用来预测心脏搭桥手术的效果，因为PET能反映心脏病发生后心肌的基本代谢情况，若某处组织已无法吸收铊，而且这部分被认为是没有希望复员的，在PET中显示氧的代谢正常，则这部分的功能是可以恢复的。

PET的特点 昂贵，一台普通PET的价格是CT的4倍； PET的成本在降低，因为厂家意识到，稍厚一点的NaI晶体不仅在SPECT中性能良好，而且可用于正电子湮灭时产生的高能光子； 越来越多的本地供应商可提供fluorine-18，而不需要每次都自己用回旋加速器来生产。

PET影像设备 回旋加速器 正电子核素设备 正电子示踪剂设备 PET影像获取 放化标记设备 PET影像系统

PET影像分辨率的极限 正电子湮灭过程中粒子动量的变化会导致511 keV光子在探测野中产生约4‰弧度的不确定性偏离。 对探测环横断面视野直径为70cm的PET，会导致2~3mm的位置不确定性。 这一微小偏差，以及正电子发射位置与湮灭位置之间存在微小间距，使PET的分辨率有一极限值制约，最高分辨率约为3~4mm。

PET影像分辨率的极限 PET（人体）影像分辨率的极限约为：~3mm

PET的结构

PET的数据采集 正电子湮灭产生的γ光子击中探测器环上对称位置上的两个探测器。 每个探测器接收到γ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，挑选真符合事件。 符合线路设置了一个时间常数很小的时间窗（通常≤15ns），同时落入时间窗的定时脉冲被认为是同一个正电子湮灭事件中产生的γ光子对，从而被符合电路记录。时间窗排除了很多散射光子的进入。

PET的数据采集

符合探测原理 符合探测技术能在符合电路的时间分辨范围内，检测同时发生的放射性事件。 使用符合探测技术，起到电子准直作用，大大减少随机符合事件的同时提高了探测灵敏度。

符合探测原理

真符合、随机符合和散射符合 符合线路是探测同时发生的闪烁事件。 两个探测器的触发总有一定时间差异，这时间差异称为符合线路的分辨时间。 在分辨时间内进入两个探测器的不同位置的γ光子也会被记录下来。这种不是由湮灭作用产生的符合称为随机符合。 γ光子在飞行过程中还会产生康普顿散射，γ光子与吸收物质的一个电子作用，改变了电子动能的同时使γ光子改变飞行方向，这样就有可能与其它飞行的γ光子同时进入两个相对的探测器，并发生符合探测。这种符合称为散射符合

PET的电子准直

PET的电子准直 湮灭γ光子对只有在两个互成180º的探测器的FOV立体角内才能被探测。 利用湮灭辐射的特点和两个相对探测器的符合来确定闪烁事件位置和时间的方法称电子准直。

PET电子准直的特点 电子准直是PET的一大特点，它省去了沉重的铅制准直器，利用了一部分被准直器挡住的γ光子，极大地提高了探测灵敏度。就2D采集模式而言，PET的灵敏度比SPECT高10倍以上。 避免了准直器对分辨率和均匀性不利的影响。 使用铅准直器的SPECT系统分辨率为8~16mm，而电子准直的PET系统分辨率为3~8mm。

PET的探测环 X-Y平面为PET的横断面，与探测环平面平行。 Z轴是PET的长轴，与探测环平面垂直。

PET的探测环

PET选用的晶体 NaI(Tl) 晶体能量分辨率较高，价格便宜。 BGO晶体密度大，探测效率高、稳定性好。 性能指标 NaI(Tl) CeF1 BaF2 BGO CsI(Tl) LSO YAP GSO 物理密度 (g/cm3) 3.67 6.16 4.89 7.13 4.51 7.35 5.55 6.71 辐射长度 (cm) 2.59 1.70 2.10 1.12 1.86 0.88 2.70 线衰减系数(1/cm) 0.34 0.64 0.47 0.92 0.60 0.87 0.62 发射波长 (nm) 410 310 220 480 580 420 380 430 衰减常数 (ns) 230 2 1 300 1000 40 30 60 光子产额 (%) 100 3 4 15 45 70 40 41 折射指数 1.85 1.62 1.49 2.15 1.80 1.82 1.90 1.85 NaI(Tl) 晶体能量分辨率较高，价格便宜。 BGO晶体密度大，探测效率高、稳定性好。 LSO 、GSO等晶体密度大、衰减常数小、光产额高。

PET的结构组态 临床PET采用多晶体组合结构。 用较少的探测器得到较多的环数、较大的轴向视野和较高的空间分辨率。 常用结构组态为 4x36组合，四个光电倍增管与一个大晶体块组合，大晶体块以一定深度的窄缝进行 6x6矩阵切割，切割后的 36块小晶体便于对闪烁事件的精确定位。 1对1组合 伽玛相机组 块状晶体组合

PET的结构组态

PET的探测环 PET的探头是由若干探测器环排列组成，探测器环的多少决定了PET轴向视野的大小和断层面的多少。 轴向断层数＝（环数＊2）－1 探测器环越多的探头的轴向视野越大，一次扫描可获得的断层面也越多。 探测器由晶体、光电倍增管和相关电子线路组成，许多探测器紧密排列在探测器环周上。

PET 的 2D采集模式 直接性 交叉性 组合型

PET的2D和3D采集模式 *2D采集时探头环与环之间放置栅隔（septa）。 *栅隔由铅或钨等重金属屏蔽材料制成，防止错环符合事件发生。

PET的2D和3D采集模式

PET的2D和3D采集模式 *屏蔽栅隔的存在减少随机和散射符合计数(<10％)。 *移取栅隔使随机和散射计数所占比例增大(>30%)。

PET的2D和3D采集模式 2D采集 3D采集 信噪比高，随机符合和散射符合计数较小 (<10％) 随机符合和散射符合计数较高 (>35%) 图像校正和图像重建简单，定量处理准确 图像校正和图像重建复杂，定量精度很差 轴向FOV均匀性较好 轴向FOV均匀性较差 灵敏度较低，采集时间较长 灵敏度较高，节省采集时间

PET的2D和3D采集模式 2D采集可获得高精度定量分析数据 2D采集适合肿瘤探测和全身扫描，适合精确定量分析 3D采集适合神经系统、脑扫描

探测器要求 高探测效率 短符合分辨时间 高空间分辨率。探测器空间分辨率主要取决晶体材料及尺寸大小，光电倍增管的多少。 高可靠性和稳定性。光电倍增管的性能直接影响探测器的可靠性和稳定性，闪烁晶体是探测器质量的关键。

PET断层图像

PET三维重建图像

3D采集必须解决的问题 *图像无法以2D层面形式叠加，必须以3D体积重建 *斜截面投影不完全，无法获得完整的3D体积图形

完全3D重建 二步重建算法（二次投影）： *2D平面重建 *通过前向投影获得斜截面视图 *完成投影平面的3D重建

3D采集的重组方式 转换3D数据为一组2D正弦图 *可用2D重建方法重建3D数据 *加速3D重建时间 *可将2D迭代算法用于3D重建

3D采集的一些问题 3D全身扫描除了散射和随机符合计数外，还包括轴向视野（AFOV）外的放射性计数，这些计数的掺入严重影响3D全身影像。

PET的数据校正 探头归一化 放射性核素衰变校正 PET探测频率校正（井型校正） 组织衰减校正 均匀衰减系数校正 随机符合校正 散射校正 死时间校正

PET的性能参数 时间分辨：时间响应曲线的半高宽（FWHM） 空间分辨：探测器在X、Y、Z三个方向能分辨最小物体的能力。 噪声等效计数率：对于各次符合采集数据，与无散射和无随机符合具有相同信噪比时的真符合计数率。 系统灵敏度：单位时间内、单位辐射剂量条件下获得的符合计数。 最大计数率：探测器在单位时间能计量的最大计数值。

PET显像的特点 应用符合探测技术，提供了很好的空间定位，大大提高了探测灵敏度。其灵敏度比MRI高，比SPECT高10~100倍；改善了分辨率(可达4mm)，可检出1cm大小的病灶，图像清晰，诊断准确率高。 能从一定体积的组织快速获得35(或更多)层面的断层图像，且可获得全身各方向的断层图像，使临床医生能一目了然地看到疾病全身状况，它对肿瘤转移和复发的诊断尤为有利。

PET显像的特点 γ光子能量高，不易被吸收，故湮没辐射的位置深度对测量结果无明显影响，并可得到极正确的衰减校正，可用实测数和经衰减校正后的真实数进行三维分布的“绝对”定量分析(精度±10％)，远优于SPECT。 正电子核素为超短半衰期核素，适合于快速动态研究。

CT与PET比较

PET与CT,MRI PET测量体内化学变化及新陈代谢，因此，在一些情况下，PET比CT或MRI都好，特别是在区分癌症与良性组织，以及区分恶性或非恶性组织（如放射治疗后的疤痕）。 PET和CT及MRI通过“影像融合” 以更清楚的看到在三维空间里癌组织位置。新的影像仪器将PET及CT设计成一部机器。

PET/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，同一幅图像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 1953年 正电子探测脑肿瘤 1963年 发射断层 1973年 Hounsfield发明CT 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 UPMC

PET/CT Scans showing lung cancer (bright spot in the chest). At left - CT scan; center - PET scan; right - combined CT-PET scan.

PET的临床应用－癌症 PET已被公认在某些疾病判定方面特别有效，包括断定癌症是否存在，是否已扩散转移，是否对治疗有反应，及是否治疗后不再有癌细胞。 早期侦察：PET是生物化学活动的造影，所以能正确断定一肿瘤为恶性或良性。因此，若PET影像显出无高吸收，便无须再以手术切片来判断。此外，对PET做全身扫描可确认是否有远距离的癌症转移。

PET的临床应用－癌症 癌症定期：因为PET的灵敏度非常高，所以可决定疾病程度。 检查癌症复发：诊断是否为癌症复发或只是放射治疗后的正常变化。 评估化疗的有效程度：在每一巡回的化疗前后，可用PET测量癌组织的代谢状况，判断是否为有效的化学治疗。通常，PET看到的成功化疗都比从生理结构上看到的治疗反应早。

PET的临床应用－癌症

PET Images of Cancer Treated Tumor Growing Again on Periphery Brain Heart Bladder Treated Tumor Growing Again on Periphery Metastases Shown with Red Arrows Normal Uptake in Other Organs Shown in Blue

PET的临床应用－神经疾病 PET能很生动的描绘出脑部不同区域的活动状况，因此，可诊断帕金森氏症、癫痫，及其它神经疾病。

PET的临床应用－神经疾病

PET的临床应用－神经疾病

NMR & PET Images of Epilepsy • NMR “Sees” Structure with 0.5 mm Resolution • PET “Sees” Metabolism with 5.0 mm Resolution

PET的临床应用－心血管疾病 PET可测量心内血流情况及心肌代谢能力，可精确指出心内血流减少或阻塞的位置，也可以区分坏死的心肌或是活心肌而有不足血流的心肌。对曾患心肌梗塞的病人，及正考虑接受血管重建术的病人特别需要。

PET的临床应用－心血管疾病

Terms Positron:正电子 PET: Positron Emission Tomography FOV: Field of View AFOV: Apparent Field of View LOR: Line of Retracement

Terms FDG: 18Fluoro-2-deoxy-D-glucane FBP: Filtered Back Projection EM: Expectation Maximization OS-EM: Ordered Subsets-EM