高能正电子成像的物理及相关技术问题中国医学科学院中国协和医科课件

高 能 正 电 子 成 像 的 物 理 及 相 关 技 术问 题 中 国 医 学 科 学 院 中 国 协 和 医 科 1 高能正电子成像及医学应用 高 能 正 电 子 成 像 的 物 理 及 相 关 技 术问 题 中 国 医 学 科 学 院 中 国 协 和 医 科 2 CT与 常 规 X线 体 层 比 较 CT 常 规 X线 数 字 化 图 像 模 拟 图 像 图 像 重 建 ， 三 维 断 层 几 何 聚 焦 ， 二 维 X光 片 密 度 分 辨 好 （ 0.5%） 密 度 分 辨 差 空 间 分 辨 一 般 空 间 分 辨 好 （ 0.25mm） 成 像 剂 量 较 高 成 像 剂 量 低 高 能 正 电 子 成 像 的 物 理 及 相 关 技 术问 题 中 国 医 学 科 学 院 中 国 协 和 医 科 3 CT Scan Patient XReport: Normal 高 能 正 电 子 成 像 的 物 理 及 相 关 技 术问 题 中 国 医 学 科 学 院 中 国 协 和 医 科 4 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 物 理 及 相 关 技 术问 题 中 国 医 学 科 学 院 中 国 协 和 医 科 5 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 物 理 及 相 关 技 术问 题 中 国 医 学 科 学 院 中 国 协 和 医 科 6 高 能 正 电 子 成 像的 定 义 及 分 类 高 能 正 电 子 成 像 的 物 理 及 相 关 技 术问 题 中 国 医 学 科 学 院 中 国 协 和 医 科 7 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 高 能 正 电 子 成 像 的 物 理 及 相 关 技 术问 题 中 国 医 学 科 学 院 中 国 协 和 医 科 8 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 分 子 符 合 探 测 （ MCD） 1994年 高 能 正 电 子 成 像 的 物 理 及 相 关 技 术问 题 中 国 医 学 科 学 院 中 国 协 和 医 科 9 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 +衰 变 产 生 正 电 子 与 电 子 结 合 产 生 湮 灭 辐 射 高 能 正 电 子 成 像 的 物 理 及 相 关 技 术问 题 中 国 医 学 科 学 院 中 国 协 和 医 科 10 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 光 子 能 量 守 恒 2个 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 高 能 正 电 子 成 像 的 物 理 及 相 关 技 术问 题 中 国 医 学 科 学 院 中 国 协 和 医 科 11 Positron Annihilation 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.n b+b-1-3mm 511KeV511KeV 高 能 正 电 子 成 像 的 物 理 及 相 关 技 术问 题 中 国 医 学 科 学 院 中 国 协 和 医 科 12 Coincidence Detection 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.DET 1 DET 2Pulse Processing AND Pulse Processing 高 能 正 电 子 成 像 的 物 理 及 相 关 技 术问 题 中 国 医 学 科 学 院 中 国 协 和 医 科 13R PMT PMT COINCIDENCE PROCESSING DETECTOR RING Projection Data Collection ProcessingElectronics ProcessingElectronics CoincidenceProcessorData Sorting,HistogramImage ReconComputer Images 高 能 正 电 子 成 像 的 物 理 及 相 关 技 术问 题 中 国 医 学 科 学 院 中 国 协 和 医 科 14 F-18的 物 理 特 性 衰 变 类 型 ： +衰 变 ， 电 子 俘 获 （ EC） 半 衰 期 ： 109.8分 主 要 射 线 ： 511KeV的 光 子 正 电 子 能 量 ： Max 633KeV,平 均 203KeV 符 合 时 间 ： 10-9秒 高 能 正 电 子 成 像 的 物 理 及 相 关 技 术问 题 中 国 医 学 科 学 院 中 国 协 和 医 科 15 511KeV 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 ： =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% 高 能 正 电 子 成 像 的 物 理 及 相 关 技 术问 题 中 国 医 学 科 学 院 中 国 协 和 医 科 16 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 高 能 正 电 子 成 像 的 物 理 及 相 关 技 术问 题 中 国 医 学 科 学 院 中 国 协 和 医 科 17 3-D Detection Provides Highest Geometrical EfficiencyLowest is Collimated(0.3 X)Detector Detector 2Intermediate is2-Dimensional(1 X) Highest is 3-Dimensional(5 X) Accepts onlyperpendicularevents Accepts transverseevents Accepts transverseand caudal/cephaliceventsDetector 2Detector 1 Detector 1 高 能 正 电 子 成 像 的 物 理 及 相 关 技 术问 题 中 国 医 学 科 学 院 中 国 协 和 医 科 18 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 ) 高 能 正 电 子 成 像 的 物 理 及 相 关 技 术问 题 中 国 医 学 科 学 院 中 国 协 和 医 科 19 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 高 能 正 电 子 成 像 的 物 理 及 相 关 技 术问 题 中 国 医 学 科 学 院 中 国 协 和 医 科 201英 寸 晶 体 的 优 势 高 能 正 电 子 成 像 的 物 理 及 相 关 技 术问 题 中 国 医 学 科 学 院 中 国 协 和 医 科 21 1” Starbrite Crystal Design 高 能 正 电 子 成 像 的 物 理 及 相 关 技 术问 题 中 国 医 学 科 学 院 中 国 协 和 医 科 22 Crystal Stopping Power3/8” 5/8” 1” Photofraction 61%511 keV efficiency 37 % Photofraction 51%511 keV efficiency 17% Photofraction 47%511 keV efficiency 9% Problem:Stopping Power Solution: Thicker Crystals 高 能 正 电 子 成 像 的 物 理 及 相 关 技 术问 题 中 国 医 学 科 学 院 中 国 协 和 医 科 23 PET/CT的 发 明 是 医 学 影 像 学的 又 一 次 革 命 高 能 正 电 子 成 像 的 物 理 及 相 关 技 术问 题 中 国 医 学 科 学 院 中 国 协 和 医 科 24 CT与 PET比 较CT PET透 射 断 层 TCT 发 射 断 层 ECTX 射 线 射 线空 间 分 辨 1mm 空 间 分 辨 5mm 图 像 重 建 图 像 重 建解 剖 功 能 高 能 正 电 子 成 像 的 物 理 及 相 关 技 术问 题 中 国 医 学 科 学 院 中 国 协 和 医 科 25 高 能 正 电 子 成 像 的 物 理 及 相 关 技 术问 题 中 国 医 学 科 学 院 中 国 协 和 医 科 26First Installation in Zurich March 2001 Discovery LS 高 能 正 电 子 成 像 的 物 理 及 相 关 技 术问 题 中 国 医 学 科 学 院 中 国 协 和 医 科 27 高 能 正 电 子 成 像 的 物 理 及 相 关 技 术问 题 中 国 医 学 科 学 院 中 国 协 和 医 科 28 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 高 能 正 电 子 成 像 的 物 理 及 相 关 技 术问 题 中 国 医 学 科 学 院 中 国 协 和 医 科 29 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 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 高 能 正 电 子 成 像 的 物 理 及 相 关 技 术问 题 中 国 医 学 科 学 院 中 国 协 和 医 科 30 IMAGE FUSION 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 高 能 正 电 子 成 像 的 物 理 及 相 关 技 术问 题 中 国 医 学 科 学 院 中 国 协 和 医 科 31 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 高 能 正 电 子 成 像 的 物 理 及 相 关 技 术问 题 中 国 医 学 科 学 院 中 国 协 和 医 科 32CT SPECT/PET 高 能 正 电 子 成 像 的 物 理 及 相 关 技 术问 题 中 国 医 学 科 学 院 中 国 协 和 医 科 33 18FDG 非 衰 减 校 正 衰 减 校 正 图 像 高 能 正 电 子 成 像 的 物 理 及 相 关 技 术问 题 中 国 医 学 科 学 院 中 国 协 和 医 科 34