医学影像设备PET成像课件

医学影像医学影像设备PET成成像像医学影像设备PET成像医学影像设备PET成像医学影像设备PE 主主 要要 内内 容容正电子正电子正电子放射性核素的生产正电子放射性核素的生产发射正电子的放射性核素发射正电子的放射性核素高能正电子成像方式高能正电子成像方式PET/CTPET/CT欢欢欢欢 迎迎迎迎 随随随随 时时时时 提提提提 问问问问2主要内容欢迎随时提问2一、正电子一、正电子1 1、正电子正电子（e e+；称；称+粒子）：粒子）：是及电子（负电子）相似的一种是及电子（负电子）相似的一种带电粒子。正电子带一个正电荷，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量的大小决定了正电子在组织中的消失射程。消失射程。3一、正电子1、正电子（e+；称+粒子）：32 2、正电子发射、正电子发射原子核中的一个质子释放正电子和原子核中的一个质子释放正电子和中微子并衰变为中子。中微子并衰变为中子。P P n+n+1818F F原子结构：原子结构：9 9个质子、个质子、9 9个中子、个中子、9 9 个核外电子；个核外电子；注：氟稳定结构是注：氟稳定结构是1010个中子个中子42、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Carl AndersonCarl Anderson5CarlAnderson53 3、湮没辐射、湮没辐射（annihilationannihilation）湮没辐射：湮没辐射：是指是指+粒子及物质作用能量粒子及物质作用能量耗尽时，和物质中的自由电子（耗尽时，和物质中的自由电子（e-e-）结合，）结合，正负电荷抵消，两个电子的静止质量转化正负电荷抵消，两个电子的静止质量转化为为2 2个能量相等个能量相等 （511keV511keV）、方）、方 向相反的向相反的光光 子而自身消失子而自身消失。63、湮没辐射（annihilation）湮没辐射：是指+二、发射正电子的放射性核素二、发射正电子的放射性核素发射正电子的放射性核素发射正电子的放射性核素 1818F F、1111C C、1313N N、1515O O 半衰期：半衰期：18 18F 1.87hrF 1.87hr、1111C C 20.4min20.4min、1313N 10minN 10min、1515O O 122.5s122.5s。7二、发射正电子的放射性核素发射正电子的放射性核素7正电子的放射性核素正电子的放射性核素特点特点1 1、人体组织的基本元素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，且其代谢产物而不改变它们的生物活性，且可以参及人体的生理、生化代谢过程；可以参及人体的生理、生化代谢过程；2 2、半衰期比较短。半衰期比较短。检查时可给予较大剂量，提高了影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人体生理、生化、病理和功能等方面的改变。变。8正电子的放射性核素特点1、人体组织的基本元素。8三、正电子放射性核素的生产三、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。放稳定的核素经处理变成放射性核素。放射性核素射性核素1818F F是用稳定核素是用稳定核素1818O O经质子轰击经质子轰击而产生的。质子带正电，产生的而产生的。质子带正电，产生的1818F F缺中缺中子，其在衰变过程中放出一个正电子或子，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。俘获一轨道上的电子行成稳定核素。正电子发生器9三、正电子放射性核素的生产医用回旋加速器9四、高能正电子成像方式四、高能正电子成像方式1 1、高能准直成像（、高能准直成像（HECIHECI）High Energy Positron High Energy Positron Collimation ImagingCollimation Imaging 2 2、正电子符合探测成像、正电子符合探测成像(MCD)(MCD)Molecular Coincidence Detection Molecular Coincidence Detection ImagingImaging PET PET：Positron Emission Positron Emission TomographyTomography CPET CPET：Circle PETCircle PET hPET hPET：hybrid PEThybrid PET10四、高能正电子成像方式1、高能准直成像（H1111（一）正电子符合（一）正电子符合 探测成像探测成像12（一）正电子符合探测成像121 1、符合探测成像原理、符合探测成像原理 符合探测利用了湮没辐射产生的符合探测利用了湮没辐射产生的2 2个个光子的光子的直线性直线性、同时性同时性这两个特这两个特点，进行成像。点，进行成像。(1)(1)直线性：直线性：即湮没辐射产生即湮没辐射产生的的2 2个个光子互成光子互成180180。探测基本要求是探测基本要求是2 2个互成个互成180180的探的探头头 -双探头双探头SPECTSPECT机。机。131、符合探测成像原理符合探测利用了湮没辐射产(2)(2)同时性同时性同时性即湮没辐射产生同时性即湮没辐射产生2 2个个光子，光子，同时被两个相对探头探测。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同时性要求采用一种特殊的线路 符合线路符合线路14(2)同时性同时性即湮没辐射产生2个光子，同时被两个相对探符合线路符合线路符合线路（符合线路（coincidence circuitcoincidence circuit）：只有进）：只有进入两个探头的两个入两个探头的两个光子是同时到达的闪烁光子是同时到达的闪烁事件才能被记录，否则不予接受，这种线路事件才能被记录，否则不予接受，这种线路称符合线路称符合线路。湮灭作用产生的两个湮灭作用产生的两个光子光子 几乎同时击中探测器环上对几乎同时击中探测器环上对 称位置的两个探测器，每个称位置的两个探测器，每个 探测器接收到探测器接收到光子后产生光子后产生 一个定时脉冲，这些定时脉一个定时脉冲，这些定时脉 冲分别输入符合线路进行符冲分别输入符合线路进行符 合甄别，挑选符合事件合甄别，挑选符合事件。15符合线路符合线路（coincidencecircuit）：(3)(3)飞行时间技术（飞行时间技术（TOFTOF）飞行时间：飞行时间：假设湮没辐射产生在两个探测器的假设湮没辐射产生在两个探测器的正中间，发生的正中间，发生的2 2个湮没辐射光子可同时到达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，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。一定时间差，这个时间差称为飞行时间。符合时间窗符合时间窗：是为时间差所设的限，即两个光：是为时间差所设的限，即两个光子被记录的时间差小于子被记录的时间差小于符合时间窗时，就被作符合时间窗时，就被作为一次符合探测。为一次符合探测。它决定着符合探测效率、稳它决定着符合探测效率、稳定性和精确度。定性和精确度。符合窗时间一般定为符合窗时间一般定为12-12-15ns15ns，现在，现在5ns5ns。16(3)飞行时间技术（TOF）飞行时间：假设湮没辐射产生在两个1717RPMTPMTCOINCIDENCEPROCESSINGDETECTORRINGProjectionDataCollectionProcessingElectronicsProcessingElectronicsCoincidenceProcessorDataSorting,HistogramImageReconComputerImages18RPMTPMTCOINCIDENCEPROCESSINGD19传统传统PET无飞行时间无飞行时间飞行时间飞行时间“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1919传统PET无飞行时间飞行时间“飞行时间”基本概念定位三维20飞行时间原理t1=1.3nst2=1.7nsR+xR-x2x=(t2-t1)*Cx=t*C/2noTOFTOF2020飞行时间原理t1=1.3nst2=1.7ns定位精度和时间分辨率的关系x=t*C/2x是位置误差，即定位精度是位置误差，即定位精度t是时间误差，即时间分辨率是时间误差，即时间分辨率所以定位精度及时间分辨率成正比例关系所以定位精度及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21定位精度和时间分辨率的关系x=t*C/2x是位降噪机制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TOFPET，定位精度以外的体素的影响将不再考虑22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23无飞行时间无飞行时间有飞行时间有飞行时间2323无飞行时间有飞行时间2324无飞行时间无飞行时间Morepreciselocalizationofannihilationeventimprovesimagequality灵敏度和信躁比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有飞行时间2424无飞行时间Morepreciselocalizati（1 1）真符合：）真符合：是构成是构成PETPET断层影像所需的断层影像所需的湮没辐射湮没辐射光子。真符合数越多，影像光子。真符合数越多，影像质量越好。质量越好。真符合真符合光子必须具备光子必须具备3 3个条件：个条件：2 2个个光子同时同地发生；光子同时同地发生；2 2个个光子互成光子互成180180角度角度 2 2个个光子能量为光子能量为511keV511keV。2 2、真符合、随机符合及散射符合、真符合、随机符合及散射符合 25（1）真符合：是构成PET断层影像所需的湮没辐射光子。真（2 2）随机符合）随机符合随机符合：随机符合：是一种假符合，其两个是一种假符合，其两个光子光子毫无时间及空间的相互关系，但在符合时毫无时间及空间的相互关系，但在符合时间窗内被误认为间窗内被误认为“同时同时”发生的发生的2 2个个光子而光子而探测下来。探测下来。随机符合及真符合区别：随机符合及真符合区别：符合探测的符合探测的2 2个个光子来自不同的湮没辐射事件。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。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随机符合的效率高于真符合26（2）随机符合随机符合：是一种假符合，其两个光子毫无时间及散射符合散射符合是湮没辐射产生的是湮没辐射产生的2 2个个光子，如光子，如果一个到达探头之前及组织发生散射，但仍果一个到达探头之前及组织发生散射，但仍在符合时间窗内被探头探测，称在符合时间窗内被探头探测，称散射符合散射符合.散射符合散射符合的符合线及原始湮没辐射事件的的符合线及原始湮没辐射事件的位置完全不一致位置完全不一致,导致错误的位置信息导致错误的位置信息,影响影响成像的空间分辨率成像的空间分辨率.特点：特点：散射散射光子能量小于光子能量小于511kev,511kev,方向不成方向不成180180。（3 3）散射符合）散射符合27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及组2828减小假符合方法减小假符合方法(1)(1)降低单探头的计数率降低单探头的计数率 控制注入剂量，不是剂量越高，影像控制注入剂量，不是剂量越高，影像质量越好。假符合数及单个探头计数率平方成正质量越好。假符合数及单个探头计数率平方成正比，而真符合只及探头计数率一次方成正比。在比，而真符合只及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。计数率时，增加计数，假符合增加明显。(2)(2)减小符合分辨时间减小符合分辨时间（由（由15ns15ns降至降至2ns2ns）；）；(3)(3)用硬件加以校正，如轴向屏蔽用硬件加以校正，如轴向屏蔽。29减小假符合方法(1)降低单探头的计数率293030（二（二）hPET hPET成像成像1 1、hPEThPET成像基础成像基础 （1 1）1818F-FDGF-FDG应用；应用；被评为被评为19971997年最受欢迎的放射性年最受欢迎的放射性药物。药物。（2 2）双头、三头双头、三头SPECTSPECT机机开发及研究成功。开发及研究成功。双头双头SPECTSPECT机机+符合线路在正电子符合线路在正电子符合探测成像，获得了美国符合探测成像，获得了美国FDAFDA的批准的批准。31（二）hPET成像1、hPET成像基础312 2、hPET hPET符合成像的特殊要求符合成像的特殊要求（1 1）单道分析器能谱扩宽）单道分析器能谱扩宽（2 2）重建）重建511kev511kev校正表校正表 均匀性校正表、线性校正表、能均匀性校正表、线性校正表、能量校正表等。量校正表等。（3 3）探头屏蔽加厚）探头屏蔽加厚（4 4）晶体厚度）晶体厚度（5 5）最大计数率）最大计数率 每个光电倍增管的输出跟一个模每个光电倍增管的输出跟一个模数转换器数转换器,降低死时间降低死时间,提高计数率。提高计数率。322、hPET符合成像的特殊要求（1）单道分析器能谱扩宽323 3、hPET hPET成像特点成像特点（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。333、hPET成像特点（1）使用符合电子准直，大大提高了探测hPEThPET成像特点成像特点（2 2）hPET hPET比比PETPET机价格便宜，可一机两用。机价格便宜，可一机两用。（3 3）可进行身体任何部位的正电子成像。）可进行身体任何部位的正电子成像。（4 4）符合探测成像仅适合）符合探测成像仅适合1818F-FDGF-FDG的正电的正电 子成像。子成像。（5 5）hPET hPET功能及影像质量及功能及影像质量及PETPET相比仍有相比仍有 待提高待提高。34hPET成像特点（2）hPET比PET机价格便宜，可一机两（三）（三）P E TP E T显像显像 Positron Emission Positron Emission TomographyTomography35（三）PET显像Positron 1 1、PETPET机构成机构成 PETPET机构成机构成由探头、断层床、计由探头、断层床、计算机及其他辅助部分组成。算机及其他辅助部分组成。探头由晶体、光电倍增管、前探头由晶体、光电倍增管、前端电子学线路及射线屏蔽装置组端电子学线路及射线屏蔽装置组成。成。361、PET机构成PET机构成由探头、断层床、计算机及其他3737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。38探测器闪烁晶体是探测器质量的关键；38 3939各种晶体性能比较各种晶体性能比较40各种晶体性能比较40PETPET基本单位基本单位PETPET基本单位基本单位单个晶体及光电倍增管构成单个晶体及光电倍增管构成分离的分离的探测器探测器。分离探测元件占用的光电倍增管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。多、造价高、灵敏度低、机械稳定性差。块状结构探测器块状结构探测器在在8080年代中期西门子公司发明。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这种结构是在一块大晶体上刻许多槽，把晶体分成多槽，把晶体分成8888的小矩阵，后面联接的小矩阵，后面联接4 4个个光电倍增管。这种结构大量节省了光电倍增管，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。辨率、机械稳定性，维修探头也很方便。41PET基本单位PET基本单位单个晶体及光电倍增管构成分离的探424243432 2、PETPET数据采集方式数据采集方式PETPET数据采集方式：数据采集方式：2D 2D方式及方式及3D3D方式方式2D2D方式是在有电子准直状态下采集方式是在有电子准直状态下采集3D3D方式是在撤除准直的状态下采集方式是在撤除准直的状态下采集3D3D方方式式信信息息量量较较2D2D方方式式高高90%90%，信信息量大息量大,分辨率高分辨率高,噪声多噪声多.442、PET数据采集方式PET数据采集方式：4445452D2D和和3D3D采集方式原理采集方式原理消除来自消除来自视野内、外的散射视野内、外的散射以获得高质量图像以获得高质量图像总计数高，但由于总计数高，但由于散射和随机计数也散射和随机计数也明显增加，影响图明显增加，影响图像质量像质量462D和3D采集方式原理消除来自总计数高，但由于散射和随机计数SNRin3Dand2Dfor251lbPatientPatientGeometryCrystalDepthTimingWindow&ElectronicsFinalImageFDG15mCiinjected,scanned2hour2minpostinjection6.87mCiatAcq.254MillionDisintegrations/sec375Kcounts/sec313Kcounts/secTrues=43.6KRandom=210KScatter=59.4K3DTrues%=14%R+S=86%NECR=10kcps15mCiinjected,scanned1hour38minpostinjection8mCiatAcq.22Kcounts/sec21.4Kcounts/secTrues=11.3KRandom=7.3KScatter=4K2DTrues=53%R+S=47%NECR=7.5kcps3D 3D 散射计数和随机计数明显增加，影响图像质量散射计数和随机计数明显增加，影响图像质量Depth=30mmDepth=30mm296MillionDisintegrations/sec47SNRin3Dand2Dfor251lbPa3D采集采集2D采集采集 5mm5mm病灶检测病灶检测3D3D采集采集2D2D采集采集483D采集2D采集5mm病灶检测3D采集2D采集483D3D采集图象采集图象2D2D采集图象采集图象前列腺肿瘤前列腺肿瘤5mm病灶检测493D采集图象2D采集图象前列腺肿瘤5mm病灶检测492D和和3D采集方式临床应用采集方式临床应用 2D、3D采集方式灵活应用采集方式灵活应用502D和3D采集方式临床应用2D、3D采集方式灵活应用50门控放射治疗门控放射治疗51门控放射治疗51无门控时，呼吸运动.传统的传统的CTCT不能准确定位不能准确定位CT放疗靶区定位放疗靶区定位无法预测真实的运动情况无法预测真实的运动情况肿瘤由于呼吸运动的影响，偏离放射治疗靶区肿瘤由于呼吸运动的影响，偏离放射治疗靶区52无门控时，呼吸运动.传统的CT不能准确定位CT放疗靶区放射治疗野明显增大，损伤正常的组织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53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54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3 3、PETPET显像分类显像分类代谢显像代谢显像 血流灌注显像血流灌注显像受体显像受体显像基因显像基因显像553、PET显像分类代谢显像554 4、正电子断层显像应用、正电子断层显像应用肿瘤的诊断肿瘤的诊断 心血管疾病心血管疾病 脑神经疾病脑神经疾病 564、正电子断层显像应用肿瘤的诊断56四、四、PET/CTPET/CT57四、PET/CT57585859596060616162626363第三节第三节 PET PET质量控制质量控制-PET-PET总体性能测总体性能测试试64第三节PET质量控制64系统分辨率脑断层65PET质控模型系统分辨率脑断层65（一）模型制备（一）模型制备模型内注入：水 18F （12 mCi）排除气泡充分混匀66（一）模型制备模型内注入：66（二）模型测试（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67（二）模型测试系统模型67（三）测试步骤（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。68（三）测试步骤1模型置于探测器的有效视野FOV中心位置，模系统分辨率模型测试图69系统分辨率模型测试图69（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。70（四）计算分析及结果报告1、计算分析：70（五）正电子（五）正电子（1818F F）性能测试的评判）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 50 二级医院甲级片率 40 废片率 2。77甲级片标准病人姓名、及编号输入无误77谢谢大家！结结 语语谢谢大家！结 语