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 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X线体层比较

CT Scan – Patient X Report: Normal

Monitoring Therapy with PET Effects of therapy on tumor metabolism seen 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.

高能正电子成像的定义及分类

高能正电子准直成像 High Energy Positron Collimation Imaging 正电子发射断层 Positron Emission Tomography 符合探测成像 Coincidence Detection Imaging

历史 正电子扫描机 1954年 单光子及符合探测，平面像 正电子伽玛照相机 1959年 正电子发射断层（PET） 1976年 正电子扫描机 1954年 单光子及符合探测，平面像 正电子伽玛照相机 1959年 正电子发射断层（PET） 1976年 分子符合探测（MCD） 1994年

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β+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（Annihilation） 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γ光子 ——能量守恒 2个γ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 511KeV ~1-3mm • Positron travels 1-3mm (depending on energy) before annihilation. • Annihilation process conserves: - Energy (photons are 511KeV). - Momentum (photons are almost exactly colinear). • Simultaneous detection of two 511KeV photons --> event along line between detectors. b+ b- 511KeV

Coincidence Detection Pulse Processing Pulse Processing AND Events occurring anywhere on line between detectors contribute coincidence counts to detector pair. Recorded counts are proportional to line integral of activity between the detectors.

Projection Data Collection Processing Electronics DETECTOR RING PMT Coincidence Processor COINCIDENCE R PROCESSING Data Sorting, Histogram Image Recon Computer PMT Processing Electronics Images

F-18的物理特性 衰变类型：β+衰变，电子俘获（EC） 半衰期：109.8分 主要射线：511KeV的γ光子 正电子能量：Max 633KeV,平均203KeV 符合时间：10-9秒

511KeV γ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： 半吸收厚度： μ=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：170～341KeV 60% 140KeV：130KeV 80%

符合探测事件的类型 单光子(single, singles) 真符合(true coincidence) 随机符合(random coincidence) 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 Efficiency Lowest is Collimated (0.3 X) Intermediate is 2-Dimensional (1 X) Highest is 3-Dimensional (5 X) Detector 2 Detector 1 Detector 1 Detector Detector 2 Accepts only perpendicular events Accepts transverse and caudal/cephalic

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, 1～2cm )

各种晶体性能的比较 性能 BGO LSO YSO GSO NaI 密度(g/cm3) 7. 13. 7. 4 4. 54 6. 71 3 各种晶体性能的比较 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 70 65 230 光输出量(%) 15 60 120 35 100 能量分辨(%) 10 12～18 <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

Crystal Stopping Power Problem: Stopping Power Solution: Thicker Crystals 3/8” 5/8” 1” Photofraction 47% 511 keV efficiency 9% Photofraction 51% 511 keV efficiency 17% Photofraction 61% 511 keV efficiency 37 %

PET/CT的发明是医学影像学 的又一次革命

CT与PET比较

Discovery LS First Installation in Zurich March 2001

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 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

IMAGE FUSION 2000 2001 2002 PET/CT 13 33 55 PET/MRI 14 25 21 2000 2001 2002 PET/CT 13 33 55 PET/MRI 14 25 21 SPECT/CT 11 8 14 SPECT/MRI 5 18 6 49’ SNM

同机图像融合的类型 PET/CT 或CT/PET SPECT/CT SPECT/PET SPECT/MRI PET/MRI MRI/X线机

(Functional Anatomic Mapping，FAM) HawkEye的功能解剖融合图像 (Functional Anatomic Mapping，FAM) CT SPECT/PET 衰减校正 同机 图像融合

18FDG 非衰减校正 衰减校正图像

欢迎指教，谢谢！