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正电子成像

2020-01-05 15:05:42 范文大全

范文一:正电子成像

一定量的放射性核素,若每秒有一个原子衰变,其放射性活度即为1贝可,例如,一克的镭放射性活度有3.7×1010Bq 。

PET ,即正电子发射计算机断层显像(Positron Emission Computed Tomography) 的英文缩写, 是目前国际上最尖端的医学影像诊断设备,也是目前在分子水平上进行人体功能显像的最先进的医学影像技术。

PET 机的分代,第1代PET 为单环探测,第2代为双环和多环,第3代为多环模块结构,第4代为多环、模块、3D 结构。

PET 的基本原理

1、生产正电子放射性核素

利用回旋加速器加速带电粒子(如质子、 氘核)轰击靶核,通过核反应产生正电子放射性核素,如18F 、13N 、15O 、11C 等,由于正电子核素为贫中子核素,它们在衰变的过程中,质子衰变为中子,同时发射出1个正电子β+,这种正电子发射体通过化学合成,取代有机物分子中正常的稳定元素,即形成了正电子放射性核素的化合物,合成到能够参与人体组织血流或代谢过程的化合物上,如葡萄糖、氨基酸、受体等就生成相应的功能显像剂,注射到受检者体内, 参与活体内的细胞代谢。

2、信号探测成像

这些发射正电子的放射性核素在衰变过程中发射正电子,正电子在体内移动大约1mm后与周围组织中的负电子结合发生湮灭辐射,正、负电子消失,发射出2个方向相反(互成180°)、能量相等皆为511 keV的γ光子(γ射线),穿透人体并被环绕人体的γ射线探测器探测到,由于两个光子在体内的路径不同,到达两个探测器的时间也有一定差别,γ射线探测器利用γ光子对的直线性和同时性两个特性来进行符合探测,如果在规定的时间窗内(一般为 0-15 us)探测器探测到2个互成180°的光子时,便得到1个符合电脉冲(计算机记录为1次湮没辐射事件),即为一个符合事件,再经过符合计数技术,判定这一对γ光子辐射的轨迹线,探测器便分别送出一个时间脉冲,符合电路对其进行数据分类后送入计算机,对这些符合电脉冲进行甄别、分析得到断层图像便为PET 图像,根据人体不同部位吸收标记化合物能力的不同,同位素在人体内各部位的浓聚程度不同,湮灭反应产生光子的强度也不同,便得到人体各部位断面影像,显示病变的位置、形态、大小和代谢功能,对疾病进行诊断。

3、PET 结构

PET 系统的主要部件包括机架、环形探测器、符合电路、检查床及工作站等。探测系统是整个正电子发射显像系统中的主要部分,它采用的块状探测结构有利于消除散射、提高计数率。许多块结构组成一个环,再由数十个环构成整个探测器。每个块结构由大约36个锗酸铋(BGO)小晶体组成,晶体之后又带有2对(4个)光电倍增管(PMT)。BGO晶体将高能光子转换为可见光.PMT将光信号转换成电信号,电信号再被转换成时间脉冲信号,经运算给出正电子的位置,计算机采用信号校正及光子飞行时间计算等技术,完成图像重建。

4、应用

利用正电子发射体合成的葡萄糖、氨基酸、胆碱、胸腺嘧啶、受体的配体及血流显像剂等药物,以解剖图象方式、从分子水平显示机体及病灶组织细胞的代谢、功能、血流、细胞增殖和受体分布状况。

18F -FDG 是葡萄糖的类似物,是临床最常用的显像剂。静脉注射18F -FDG 后,在葡萄糖转运蛋白的帮助下通过细胞膜进入细胞,细胞内的18F -FDG 在已糖激酶作用下的磷酸化,生成6-PO4-18F -FDG ,由于6-PO4-18F -FDG 的与葡萄糖的结构不同,不能进一步代谢。绝大多数恶性肿瘤细胞具有高代谢特点,特别是恶性肿瘤细胞的细胞的分裂增殖比正常细胞快,能量消耗相应增加,葡萄糖为组织细胞能量的主要来源之一,肿瘤细胞内可积聚大量18F -FDG ,经

PET 显像可显示肿

瘤的部位、形态、大

小、数量及肿瘤内的

放射性的分布。

范文二:正电子医学成像

正电子医学成像

陈百万赵仁宏李淑玮

(潍坊医学院物理系山东261042)

自从1932年发现正电子以来, 已经有70个年

头了。从上世纪50年代初开始研究正电子医学成像以来, 经过半个世纪的历程, 目前正电子医学成像技术已发展成为现代医学影像技术的独具特色的重要组成部分, 在医学临床诊断和对生命科学的研究方面发挥着重要作用。

一、正电子与正电子放射性核素

英国理论物理学家狄拉克于1928有与普通电子(的电荷。, 因此把这。狄拉克还进一步预言, 正负电子(吸收能量大于1. 02MeV 的光子时) 可同时成对产生, 正负电子对紧密结合后可同时湮没(并放出总能量大于或等于1. 02MeV 的光子) 。

狄拉克的预言很快被实验证实了。1932年, 美国物理学家卡尔・安德逊首先利用云室在宇宙射线中发现了正电子。他因此而与他人分享了1936年的诺贝尔物理学奖。以后的实验发现, 正电子不仅存在于宇宙射线中, 在某些人工放射性核素的衰变中也能产生正电子。另外, 利用能量高于1. 02MeV 的γ射线辐射铅板、金属箔等, 观察到了正负电子对的出现, 称为电子对效应。在某些实验中也观测到了一些人工放射性核素衰变时发射出的正电子, 这种正电子常称为β+粒子, 而能放出β+粒子的核衰变就称为β+衰变。

在核医学成像中所用的正电子就是β+衰变放出的正电子。能产生β+衰变的核素称β

+衰变核素或正电子放射性核素, 它可由加速器或正电子放射性核素发生器产生。正电子成像所用的正电子放射性核素多由回旋加速器产生。表1为正电子成像常用的正电子放射性核素及其半衰期以及生产它所用的核反应。

正电子在真空中的寿命很长, 但在物质中它会很快损失能量, 当它的速度接近或等于零时, 便与邻近的自由负电子结合并湮没, 同时放出能量各为

14卷2期(总80期)

511K eV 、飞行方向相反的两个γ光子。这种γ光子

称为电子对的湮没辐射光子。正电子在人体组织中的行程与其能量大小及组织性质有关, 一般最大为2mm , 因此, 可用正负电子对的湮没辐射事件来定位11115

)

10. 02. 05

14161415

核反应

N (p α, )

1113

C

O

O (p α, ) N O O F F

N (d ,n ) N (p ,n ) O (p ,n )

1515

18

F 110

1820

1818

Ne (d α, )

注:反应式中括弧前为靶核, 括弧后为生成核; 括弧中逗号前后分别为入射粒子和出射粒子。

二、正电子医学成像及其发展简史

正电子医学成像技术是现代医学成像技术的重要组成部分, 近几年来由于其固有的特点及潜在的价值极受人们青睐。正电子医学影像的物理实质是引入体内的正电子放射性核素在受检部位的浓度(或放射性活度) 的分布图像。它是通过在体外探测正电子核素放出的正电子与组织内的负电子的湮没辐射光子而成像的, 因此, 正电子医学成像实际上是正电子与负电子产生的511K eV 湮没辐射γ光子的成像。正电子放射性核素可构成人体各部位的任何影像, 包括平面影像、动态影像、断层影像、3维影像及全身影像。目前多采用断层成像法。实现断层成像的方法有单光子断层法和符合探测法两种。后者能进行电子准直, 是常用的一种方法。成像仪的机械结构主要包括探头、断层床、计算机和一些附属设备。探头和计算机是正电子成像仪的核心。

正电子成像已经历了半个世纪的发展。它已从20世纪50年代初期的正电子脑肿瘤定位显像发展到现在的多环多层面全身断层显像。在机型的变化方面, 正电子成像经历了3个阶段, 即正电子扫描机、正电子照相机和正电子发射型计算机断层仪(PET ) 。在影像类型的发展上, 最初为正电子平面

・33・

影像,X 线CT 问世后发展为断层影像, 近几年又发展为全身断层影像和3维重建图像。

从上世纪50年代初到60年代末的20年为正电子成像的初期阶段。1950年初出现了正电子放射性核素脑肿瘤定位显像;1960年初美国的安格等人研制出了正电子照相机。这一时期主要是正电子平面显像, 尽管也有正电子发射断层的尝试, 但由于当时没有好的数据处理系统及未采用滤波反投影法, 最终未获成功。这一时期的特点是发展缓慢, 机型单一, 用途有限。

70年代初到80年代初, 正电子成像有了较快的发展。受X 线计算机断层(CT ) 技术的影响,1975年正电子发射型计算机断层仪研制成功。初期阶段的PET 为单环NaI (T l ) 多晶体PET;1980年初出现了第一台锗酸铋(BG O ) 晶体的PET , , 发展为双环。这一时期术发展快, BG O 晶体, 。缺点, 探头环数不多, 临床应用较少。

80年代中期以后,PET 的发展有了突破性的进展, 并开始广泛用于临床。这一时期的主要特点是探头由分离的BG O 晶体向模块式晶体转化。模块式探头大大提高了PET 的空间分辨力和灵敏度, 机械稳定性和可靠性也大有改善。这一时期开发出了多环、多层面及3维PET 。这些都为PET 广泛用于临床打下了基础。

当代的正电子成像是以PET 为典型代表的, 它也是现代其他正电子成像的基础。这里仅介绍下面3种类型的正电子断层仪。

三、正电子发射型计算机断层仪

正电子发射型计算机断层(PECT ) 简称正电子发射断层(PET ) 或正电子CT 。临床上一般称为PET 。

PET 是20世纪90年代以来得到迅速发展和应用的新一代医学显像技术。由于它能灵敏和正确地测定活体内分子水平的生理生化指标, 已发展成为当代医疗和生命科学研究的重要影像设备。

1. PET 原理

PET 用共线对置的探测器采用快速符合技术来探测正负电子湮没事件释放出的两个方向相反的γ光子, 由计算机将收集到的数据进行处理, 以重建断层图像, 再现受检部位某断层面的正电子放射性核

・34・

素的放射性分布。目前应用最广泛的图像重建方法是滤波反投影法。

2. PET 设备的组成

一台完整的PET 设备一般都由数据采集系统、电子计算机系统、图像显示系统及其他附属部分组成。

数据采集系统包括探头和断层床等。探头部分是机器的核心, 是决定机器性能的主要部分。其主要功能是将集中于人体受检部位的正电子放射性核素发射的正电子而产生的湮没辐射光子置换成空间位置信号和能量信号, 供后面的计算机系统进行处理, 并重建断层图像。、光)

和前端O 晶体, 构成多环(可多达32PET 。利用氟化铯(CsF ) 晶体荧光衰减时

μs ) 的特点, 可进行飞行时间测量, 对正间短(0. 005

负电子湮没事件准确定位, 以提高空间分辨力和信噪比。另外, 英国有的实验室正在进行用多丝正比室作为PET 探测器件的实验和研究工作。

用于PET 的电子计算机一般为具有大容量存储器的快速计算机。其外部设备有磁盘、磁带和宽行打印机等。

显示系统可即时观察和记录图像, 另外还带有一些能进行图像分析的设备。

3. PET 的优点

PET 是正电子成像中最先进、最完善、最高级的成像设备, 也是当前最重要的大型医学影像设备之一。

PET 显像的物理特点是灵敏度高(比磁共振成像即MRI 高100多倍) 、分辨力好(横向分辨力和深部分辨力都较高) 、图像清晰、且能进行定量分析, 其适用面广, 可做身体各部位的检查, 并可以获得全身各方位的断层像。

PET 显像的最大优势在于它是一种代谢功能显像, 而且是在分子水平上反映人体生理生化指标的

13

显像。PET 所常用的正电子放射性核素11C 、N 和15

O 都是人体组织的基本元素, 可标记生理性物质(如糖类、氨基酸和脂肪等) ; 而18F 可替代H 、-OH 或其他卤素等标记药物。这些核素都适合生理示踪要求, 特别适宜作人体生理功能方面的检查和研究。因此,PET 被誉为生理生化断层术或活体生化显像, 所以,PET 特别有利于疾病的早期诊断(病变组织的

现代物理知识

功能改变早于形态学的改变) 和生命科学的研究。现代医学成像方法。其发展方向总体来说是提高性正电子成像的这一特点是其他任何类型的医学成像能、降低成本、推广应用。具体来说有以下几方面:都无法比拟的。①研制和应用新的闪烁晶体和新的光电转换器件;

PET 显像的安全性也是它的一大优点。一次全②进一步改进前端电子学线路和采集系统; ③改善身PET 检查的照射剂量远小于一个部位的常规X -计算机图像处理系统, 如提高运算速度和采用3维

CT 检查。重建系统等; ④在改进性能的同时进一步降低设备

4. PET 的应用成本; ⑤研制新的各种短半衰期正电子显像核素和PET 在经历了漫长的研究应用后,90年代开始药物。进入临床应用, 特别是18F 标记的氟代脱氧葡萄糖四、SPECT -PET(FD G-SPECT) (18FDG ) 的获准临床应用, 大大促进了PET 的临床应如前所述,PET 有其独特的优越性, 但其推广应用。在近几年来的PET 检查中, 18FDG 显像占绝大用有一定困难。为了解决这一问题, 各国研究人员部分。其主要是在肿瘤学、心脏病学和精神神经学对降低PET 三大方面的应用。其中以肿瘤学方面应用最多。; PET 可早期发现肿瘤的原发、转移和复发病灶; 鉴别肿瘤和瘢痕坏死组织; 在肿瘤分期、(单光子发射型计算机断层疗效观察方面有显著优势; 、) 的发展以及正电子药物18FDG 的获准应用, 使癌、结肠癌、人们想到利用SPECT 的双探头来采集18F 的正电子在90%以上湮没辐射光子的可能性。许多生产厂家在数字式双况、“金标准”。PET 脑探头SPECT 机上进行了正电子湮没辐射符合探测显像可解决癫痫病灶定位、脑血管病脑组织血流储成像的开发与研究, 取得了重大成功, 并已在临床应备和代谢测定、脑部肿瘤恶性程度分级、帕金森氏病用中得到证实, 其图像质量和临床价值受到肯定。和早老性痴呆的早期诊断和鉴别等其他影像检查所这种正电子显像通常称为SPECT -PET , 由于它目前不能解决的问题。多用于18FDG 显像, 故又称为FDG-SPECT 。

目前PET 脑显像是研究脑科学的主要手段, 它将SPECT 机改造为SPECT -PET 机, 主要有两可揭示人脑的奥秘, 可观察和研究人在完成不同功方面的工作。一是要增加符合探测线路, 以对正电能活动(如听、看、说话等) 时大脑活跃部位的差异; 子的湮没辐射光子进行符合探测; 二是要增加闪烁在研究大脑神经传递的细微分子变化时, 用PET 可晶体厚度, 以提高对能量为511K eV 的湮没辐射光子检测出10-12m ol 浓度, 其灵敏度比MRI 提高10亿的探测灵敏度。晶体厚度对这种光子的空间分辨力倍。利用PET 可无损伤地了解人体内基因表达有影响不大, 但对其灵敏度影响很大, 故必须适当增加否异常, 以及及时报告基因治疗是否成功。晶体厚度来提高对光子的探测灵敏度; 晶体增厚后

以分子功能显像为基础的PET 技术还可望在对SPECT

原来探测的低能光子(如99m T c 的光子) 的中医药理论研究方面(如中药作用原理、经络本质等固有空间分辨力会有一定影响(略有增大, 但对其系方面) 显示其独特的优势。统空间分辨力和灵敏度的影响非常小, 可忽略不计。

5. PET 的发展方向SPECT -PET 的空间分辨力接近PET , 但SPECT PET 使用的短半衰期显像核素不能长期保存和符合探测成像仪价格比PET 便宜, 可兼做单光子断长途运输。因此, 购置PET 设备时须连带购置用于层成像和正电子符合断层成像, 不仅达到了一机两生产显像核素的医用回旋加速器, 致使PET 的总体用的目的, 而且加速了正电子断层显像(特别是

18

设备购置费更加昂贵; 另一方面, 做PET 检查需要FDG 显像) 的推广应用, 弥补了PET 的不足。虽然医师、技师、药师、化学家和工程学家等各类人员的SPECT -PET 图像清晰度还不能与PET 相比, 也还密切配合才能进行。这使PET 的广泛推广应用受不能进行定量分析, 但前者的成本相对低廉, 其初步到一定的限制, 目前主要被用于少数医疗中心、大型应用已得到比较满意的临床效果。相信随着对这种医院和医学研究机构。但由于其具有独特的优点, “杂交”技术的不断完善和进一步改进, 将会取得更PET 仍不愧是一种具有巨大竞争能力和发展前途的加满意的临床应用效果。

14卷2期(总80期)

・35・

绿色技术与非绿色技术

林劲松

(安徽望江党校自然辩证法教研组安徽246200)

科学技术活动作为一种社会现象, 具有两面性。

即:它对人类社会的发展有其有利的一面, 给人类带来文明, 但处理不当也有其不利的一面, 将给人类带来负作用。人类社会的持续发展, 必须要具备能支撑其持续发展的科技体系。为此, 人类在刷新发展观的同时, 也在刷新自己的技术观。

根据有利于人类可持续发展规律的要求, 人们将技术划分为绿色技术与非绿色技术。所谓绿色技术, 是指符合可持续发展要求的技术油, 利用太阳能、风能、源”的技术。求的技术, 。为有效从, 加强对技术发展的宏观调控, 科技管理工作者建立了基础性的技术发展效果的评价体系。

这个评价体系主要由4个子块构成:

(1) 技术效益评价:技术水平高, 说明技术本身的先进性。

五、PET/X -CT 机

PET 的最大优势是功能显像(例如能显示肿瘤生长等细微代谢进程) , 有利于疾病的早期诊断, 但其组织形态像的清晰度远不如X -CT (X 线计算机断层成像) 好; 而X -CT 像则能显示清晰的解部细节, 有利于疾病(特别是肿瘤) 的准确定位, 但它不能在组织形态明显改变前早期诊断疾病。两种成像有互补的特点, 如能配合使用, 将达到对疾病既能早期发现又能准确定位的目的。然而, 医生, 特别是癌症外科医生, 往往无法就这两种不同的扫描图像进行对照观察, 以进行精确的诊断。为此,

美国物理学家戴维・汤森和电气工程师罗纳德・纳特于1998年研制成功一种集PET 与X -CT 于一体的医学成像设备。称为PET/X -CT , 通常简称PET/CT 。它的孔道被放宽到71cm , 这样用一次扫描就可以将待检部位扫察完毕。汤森和纳特还率先创造了用一台计算机控制台来控制两种不同成像装置的软件。

2000年10月, 美国食品与药物管理局(FDA ) 已

・36・

(2) 生态效益评价:如某项技术应用会带来生

态恶化, 严重污染, 即使该技术经济效益、技术效益相当好, 也是不可取的。

(3) 经济效益评价:技术成果只有转化成现实的生产力, 实现商品化, 才具有强大的生命力。因此, 。

(4) :, 人。

4项指标中, 衡量某技术绿色系数大小的目标函数为技术效益最大, 其约束条件为生态效益、经济效益和社会效益。

绿色技术与非绿色技术的区分、技术发展效果评价体系的构建, 标志着新的技术观的形成。

新技术观以协调人与自然界的关系, 有利于可持续发展为最高准则, 它充分考虑了科技发展的长远效应, 为科学技术的发展指明了方向。

现在一些发达国家已开始把环境技术作为开发批准这种PET/CT 机投放市场。

该机投入使用后, 改进了许多病例的诊断与治疗。例如, 在一个病历中, 标准X -CT 扫描检查出患者颈部左侧有一肿块, 但未见淋巴结异常; 经PET/CT 检查, 发现患者颈部左侧尚有疑为与肿块有连带关系的微小淋巴结, 后经活组织检查得到证实。该机的使用还能使宫颈癌和卵巢癌的诊断与治疗有所改观。例如它能显示骨盆一带新生的小肿块的确切位置, 让外科医生在肿瘤转移前及早手术摘除。

PET/CT 集两种成像的优点于一身, 它将大大改善患者的临床诊断与治疗, 还将大大缩短全身检查所需的时间。将两种具有互补性能的影像设备集于一体, 是今后医学影像设备发展的一个方向。

正电子的发现以及短半衰期正电子放射性核素的人工生产, 使医学成像的大家族增加了一个新成员。正电子医学成像是现代医学成像的重要组成部分, 它不仅对有关疾病的早期诊断发挥重要作用, 更是本世纪人类研究生命科学的最重要手段之一。

现代物理知识

范文三:医用高能正电子成像

国外医学・放射医学核医学分册1998年第22卷第3期・97・

・综述与编译・

医用高能正电子成像

中国医学科学院中国协和医科大学肿瘤医院(北京, 100021) 陈盛祖

摘要:正电子是与普通电子相类似的一种粒子, 带一个正电荷, 正电子只能瞬态存在, 很快与组织中的负电子相结合产生湮没辐射。正电子成像利用回旋加速器生产的带正电子的放射性核素注入体内后产生的湮没辐射Χ光子构成影像。湮没辐射产生两个能量相等、方向相反的511keV Χ光子, 因此, 正电子成像实际上是511keV Χ光子成像。正电子放射性核素可构成人体各部位的任何影像, 包括平面影像、动态影像、断层影像及全身影像。

关键词:正电子放射性核素高能准直成像符合探测成像

医学诊断上所用的正电子放射性核素有

18

F 、C 、O 、N 等。这些放射性核素有如下

111513

特点:①它们是组成人体生命的基本元素, 它体生理、生化功能的变化; 放射性核素, 光子互成180°, 。正电子成像仪一般不需要机械准直器, 采用电子准直, 从而大大提高了探测灵敏度, 改善了空间分辨。1正电子及正电子放射性核素

和磁场(m agnetic field ) , 如质

子、。, 。磁场的作用。离子源产生的质子、氘核在真空盒中不断加速, 每加速一次, 轨道的半径增加一次, 粒子的速度(能量) 也增加。螺旋运动的结果, 使粒子在偏转极作用下射出真空盒。除了上述基本结构外, 现代医用回旋加速器还有靶系统、束流引出及诊断调节控制系统、计算机自动操作控制系统等。加速器的主要指标有粒子能量、束流强度、靶数目及种类, 粒子能量用M eV 表示, 束流强度用ΛA 表示。表1为常用正电子放射性核素核反应过程。

表1常用正电子核素核反应

核素

1513

正电子(po sitron ) 是一种与电子(负电子) 相类似的带电粒子, 它带一个正电荷, 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消失的射程。正电子有两种产生方式:一种是高能Χ光子与原子核相互作用产生对子效应(正电子和负电子) ;

+

一种是正电子放射性核素在Β衰变中产生

核反应式

14

15

N (d , n ) 15O N (p , n ) 15O 16

) 13N O (p , Α1418

半衰期(m in )

2. 059. 9620. 34110

O C F

N

11

正电子。

正电子放射性核素可由回旋加速器、直线加速器及正电子放射性核素发生器来生产。医学上所用的正电子放射性核素多数由回旋加速器生产, 这种加速器结构紧凑, 自带射线屏蔽装置, 安装在医院, 称为医用回旋加

速器(m edical cyclo tron ) 。

回旋加速器用射频场(radi o frequency )

18

) C N (p , Α

20

) 18F O (p , n ) 18F N e (d , Α

11

例:14N (d , n ) 15O 中, 14N 为靶材料, 15O 为生成

的正电子放射性核素, (d , n ) 为中子核反应, 加速粒子为氘核。

2正电子成像的发展历史

正电子成像经历了近半个世纪的发展[1], 从

50年代初期的正电子脑肿瘤定位显

・98・国外医学・放射医学核医学分册1998年第22卷第3

像到现在的多环、多层面全身断层显像。在机型上, 正电子显像也经历了三个阶段:正电子扫描机, 正电子Χ照相机及正电子发射计算机断层(PET ) 。从影像类型分, 起初为正电子平面影像, X 线CT 问世以后发展为断层影像, 近几年又发展成为全身断层影像。下面简要介绍正电子成像的发展历史。

从50年代初至60年代末, 这20年为正电子成像的初期阶段, 主要为正电子平面显像。其中, 1950年初, 有人(W renn ER 等, 1951年和B row nell GL 等, 1953年) 用正电子放射性核素做了脑肿瘤定位显像。1963年初, A nger HO 等人研制出了正电子Χ照相机, 用高能准直器及厚晶体可获得511keV 单光子的正电子放射性核素平面影像。这一时期的正电子显像发展缓慢, 机型单一, 局限。试, 。

1973年, E M I 公司Houn sfield GN 发明了X 线CT 。这一新技术一出现就受到了放射学及核医学界的极大重视, 奠定了现代医学影像学基础。正电子成像也受CT 技术的刺激有了快速发展, PET 问世, 初期为N a I 晶体的多晶体正电子发射计算机断层仪。这一时期的主要机型有美国华盛顿大学的PET T , M on treal 神经研究所的Po sito 2

初期m e , 此外, 还有洛杉矶加州大学的PET 。

阶段的PET 为单环, 空间分辨达25mm 半高

(Λ宽(FW HM ) , 灵敏度为50000cp s C i ・

m l ) 。第一台商业PET 是由美国EG&GD r 2tee 公司生产的ECA T , 它是根据原PET T 研制出来的, 由66个N a 探头组

晶体的PET , 开始为单环, 以后为双环, 其代表机型为Po sitom e 、Po sitom e 。与此同时, 瑞典、日本、加拿大和美国其他一些中心也在PET 的发展上做了大量工作, 取得了不少突破。特别值得提出的是, 日本岛津公司研制出了可同时用于正电子和单光子断层成像的ECT , 称H eadtom e 、H eadtom e 。此外, 美国休斯顿大学研制出了飞行时间的PET , 机型为TO FPET 。这一时期PET 发展的主要特点是技术发展快, 机型多, 探头材料由N a I 晶体转为B GO 晶体, 空间分辨和灵敏度都有了很大改善, 但缺点是仍停留于实验室研究, 探头环数有限, 。

80, B GO 晶。该项专利是由西门子。模块式探头大大提高了PET 的空间分辨率和灵敏度, 机械稳定性和可靠性也大大改善, 使PET 由实验室进入广泛的临床应用。

多环B GO 晶体构成的PET 无疑是当前最先进的正电子成像装置, 但它价格昂贵, 一台好的PET 售价约200万美元。近两年来由于18F 2FD G (18F 2氟代脱氧葡萄糖) 在肿瘤诊断中的广泛应用, 促进人们寻找新的正电子成像方法。大量的临床研究证实, 在双探头的SPECT 机上也可以实现正电子断层成像, 成像质量、所用18F 2FD G 剂量和采集时间均能满足临床要求。SPECT 2PET 成像有高能准直成像(H E I ) 及分子符合成像(M CD ) 两种。M CD 成像在美国已获FDA 通过, 数家公司已有商品出售。3实现正电子成像的几种方法

成圆形六角阵列, 每个探头可与对侧的11个探头进行符合。机架有转动和平动两种运动形式, 达到多个取样的目的。

锗酸铋(B GO ) 晶体为PET 机探头技术的改进带来了革命性的变化。1980年初, M on treal 神经研究所研究出了第一台B GO

根据探测511keV Χ光子的方法和使用仪器的类型, 正电子成像有以下几种途径[4, 6]。

3. 1高能准直成像(h igh energy co lli m ati on

i m aging )

这是一种单光子探测法, 只探测正电子放射性核素湮没辐射时产生的两个511keV Χ光子中的一个, 因而用普通的SPECT 就可获得511keV 的正电子断层影像, 其主要的改进是设计专用的511keV 高能准直器。511keV 高能准直器有以下技术指标:准直器厚(高) 80~100mm , 准直器孔大小约4mm , 壁

名各不相同, 美国ADA C 公司和以色列

E lscin t 公司称分子符合探测(M CD ) 或符合探测(CD ) , 美国P icker 公司称正电子符合探测(PCD ) , 法国S M V 公司称体积符合采集和重建(V CA R ) 。

符合探测利用了湮没辐射产生的两个Χ光子的直线性、同时性这两个特点。直线性即两个Χ光子互成180°, 探测的基本要求是两个互成180°的探头, 双头SPECT 的探头机械结构完全满足这一要求; 直线性的另一个优点是对人体内发射出的Χ光子进行了电子准直(electrical co lli m ati on ) , 不需要机械准直器, 。双Χ光子的—符合线, 。所Χ光子, 总有一定时间差, 在M CD 探测中, 一般将这一时间差定为15n s , 在15n s 内进入的两个Χ光子视为同时发生Χ光子, 予以探测, 在5n s 外的两个Χ光子则不予探测。由于随机符合(random co 2incidence ) 和散射符合(scattering co inci 2dence ) 的存在, 真符合(true co incidence ) 在

间隔2. 5mm , 单孔壁穿透小于5%, 准直器视野大小200×400mm 至250×500mm 。准直器重约150kg , 为了保持探头机械平衡, 高能准直成像都采用双探头SPECT 。计算机软件设计分高能、低能两档, 做511keV 高能成像时, 计算机自动从低能档换到高能档, 此时, 机器能量范围从50至400keV 扩展到100至560keV 。此外, 机器的线性、能量、均匀性校正表均要按511keV 制作。

高能准直成像的便SPECT , m

99T ) ; 做心

m

肌断层显像时, 可同时得到心肌99T c 2M I B I 灌注像和18F 2FD G 心肌代谢像, 对判断心肌存活有很大价值。高能准直成像的空间分辨和灵敏度都很差, 不适宜做脑及某些脏器肿瘤的正电子断层成像。

3. 2分子符合探测成像(m o lecu lar co inci 2

dence detecti on , M CD )

符合探测成像已有近30年的历史, 早期用A nger 型Χ照相机和多探头系统, 近期用双探头SPECT 实现断层成像。符合探测成像近两年受重视的主要原因是18F 2FD G 在肿瘤和心血管疾病中的应用日益扩大, 尤其在肿瘤学中的应用获得重大进展。18F 的半衰期为110分钟, 允许用非PET 的方法进行符合探测成像。许多生产SPECT 的厂家在双探头SPECT 上进行了正电子符合探测成像的开发与研究, 取得了重大成功, 其临床价值和图像质量受到肯定, 并且都相继申请或获得了美国FDA 的批准。各公司实现符合探测的原理都是相同的, 但各公司对新技术的命

总符合中所占比例仅有1%。因此, 要提高正电子成像的信噪比, 单个SPECT 的探头计数效率必须很高。SPECT 的最大计数率为

秒) 至300000cp s , 在M CD 100000cp s (计数

探测中则要求至少1000000cp s , 有的机器

可达2000000cp s 。

符合探测成像比高能准直成像分辨好、灵敏度高, 空间分辨可达5~7mm FW HM , 比高能准直成像提高一倍, 接近PET 。SPECT 符合探测成像比PET 价格便宜, 可作正电子断层成像和单光子断层成像, 达到

18

一机两用的目的。M CD 的F 2FD G 成像可进行身体任何部位的正电子成像, 包括脑、心脏及全身各部位的肿瘤成像。当然, M CD 的功能及图像质量与PET 相比仍有待进一步探讨, 对太小的肿瘤及深部病变比较困难。

3. 3PET

示湮没事件发生在模块中的空间坐标。另外, 26位表示事件的时间信息, 剩下一位表示能

最完善的PET 是正电子成像中最先进、

仪器。它图像质量好、灵敏度高、分辨病变小、

适用面广, 可做身体各部位的检查, 最大优点是可以获得全身各方位的断层像, 对肿瘤转移、复发的诊断尤为有利。

断层床、计算机及其他辅PET 由探头、

助部分组成。探头部分是机器的核心, 也是耗资最多、影响机器性能最大的部件。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成。单个晶体与光电倍增管构成分离探测器, 它是PET 中湮没光子符合探测的基本单元, 它决定了PET 的分辨能力和灵敏度。许多分离探测器排列在360°圆周上形成环状结构, PET 的分代、纵向视野及性能等多种因素取决于环的多少:第一代PET 环, 第二代为双环和多环, 结构, , 造价高、灵敏度低、。80年代中期, 西门子公司发明了块状结构探测器(b lock detecto r system ) 。这种结构在一块大晶体上

量窗, 事件位于窗内为逻辑1, 位于窗外为逻辑0。

PET 的计算机在硬件和软件上都与SPECT 无显著差别, 尤其在设计感兴趣区(RO I ) 、图像处理等方面。硬件方面的主要要求是内存容量大, 运算速度快。PET 探测的符合线和计算的事件数比SPECT 要高得多, 因此, PET 中所用的计算机一般为小型机或精简指令系统(R I CS ) 微机工作站。4411SPECT 相同, (FB P ) , 但投影影像的含

。SPECT 原始投影影像为探头位于不同角度的Χ相机平面像, 用直角坐标P (x , y ) 表示。在SPECT 中, 表示影像中的某一点用x , y 两个位置坐标就可以了。图像重建时将投影影像先滤波再反投影到同一坐标体系上, 即得横向断层影像。在PET 中, 孤立的一个空间闪烁是毫无意义的, 因为湮没辐射Χ光子总是成对出现。两个互成180°的探头探测湮没光子构成一条符合线, 称线响应(line 2of 2respon se , LO R ) 。LO R 在极座标系中可用两个参数来表示:角度Q 及半径r 。Q 和r 都是相对视野中心而言的, L (Q , r ) 构成PET 投影影像的基本点, 在极坐标中, 以半径为横坐标, 以角度为纵坐标, 众多的LO R 形成一条正弦曲线。每一个湮没辐射闪烁点有一条正弦曲线, 众多的闪烁点构成一幅重叠交错的正弦图(sinogram ) 。正弦图是PET 的原始投影影像, 正弦图的矩阵大小就是横断断层影像的矩阵大小。正弦图经滤波反投影构成断层影像。

4. 2真符合、随机符合和散射符合

影响正电子符合探测成像影像质量的一

刻成许多槽, 把晶体分成4×8或8×8小矩阵, 后面联接4个光电倍增管。这种结构不仅大量节省了光电倍增管, 改善了光的收集效率, 灵敏度和空间分辨也有所提高。许多模块结构的探测器排列在360°圆周上可以构成不同直径、不同环数的PET , 机械稳定性大大提高, 维修探头也很方便。由单一模块构成的PET 为8环, 2个模块可构成16环的PET 。目前最多有32环的PET 。

探测器模块(detecto r m odu les ) 由B GO 槽式结构晶体、光电倍增管及模块电子学线路组成。模块电子学线路确定湮没事件的空间位置、时间信息和能量信息, 所有这些信息包含在一个16位的信号输出中, 该信号输出给环接收器(ring reciever ) 。每个模块有一个环接收器, 其中23位表示环位置(亦即模块列位置) , 26位表示模块行位置。以上信息表

个重要因素是真假符合的区分及校正。

真符合是构成PET 断层图像所需的湮没辐射Χ光子。真符合数越多, 图像质量越好。真符合Χ光子必须具备三个条件:①两个Χ光子同时同地发生; ②两个Χ光子互成180°; ③两个Χ光子能量为511keV 。尽管在

定的随机符合数相同, 从总符合数中减去延

迟窗内的符合数即对随机符合进行了校正。

散射符合是由散射线产生的符合。它的主要特点是光子能量小于511keV , 且方向不成180°, 响应线随散射产生的空间位置而变化。散射符合影响图像探测的位置精度, 造成PET 图像空间分辨降低, 对比度变差。散射分探头内部散射及探头外部散射。探头外部散射由人体组织中的散射产生, 对影像质量影响最大, 因为组织中散射线的方向变化不易测定, 从而响应的方向也不易测定。例如组织中某光子散射后的方向与原方向仅差10°, mm , , 方向变化, 符合线方向改变不大, 因而响应线的半径改变也不大。块状结构B GO 探测器对消除探头内散射是很有效的, 探头外部散射可通过控制能窗及其他一些数学方法加以校正。PET 的生产厂家均将散射校正列入自己的系统软件中。

413衰减校正(attenuati on co rrecti on )

衰减校正在PET 定量分析中是十分重要的[3]。尽管511keV 光子比低能光子在组织中的穿透力强, 吸收少, 但由于符合探测的复杂性, 光子在组织中的衰减对影像质量的影响在PET 中比在SPECT 中严重得多。符合探测效率为两个单探头探测效率的乘积。符合探测的两个光子要通过两个方向, 衰减路程加长, 任何一个探头灵敏度的下降均会对符合探测效率造成严重影响, 从而影响影像空间位置的定位精度和质量。心脏、肺、腹部、盆腔的PET 断层及M CD 常需做衰减校正。有人认为全身断层衰减校正意义不大[5]。

正电子断层中常用的衰减方法是外源穿透校正法。该法基本假定511keV 的双光子在组织中L 1及L 2两个路径方向的衰减与单个511keV 的光子在路径L =L 1+L 2上的

正电子符合探测中采用了电子准直, 单个探头的探测效率大大提高, 但必须注意, 真符合数远远低于单个探头的探测数, 这是因为符合探测效率为单个探头探测效率的平方。设单个探头探测效率为2, 则符合探测效率为2。理想情况下, 2=1。由于湮没辐射事件发生的空间位置以及组织的吸收影响, 单个探头的探测效率可能仅有0. 1或更小, 符合探测效率则小于1%。因此, 提高探头的探测效率是增加真符合数、增强图像信号的关键相互关系, “同时”发生的两个Χ光子而探测下来。随机符合增加图像噪声, 严重影响图像对比度。随机符合数N R 与单个探头的计数率N A 、N B 和符合分辨时间t 的乘积成正比:N R =2t ×N A ×N B 。减小随机符合有以下几种方法:①降低

2

单个探头的计数率。在临床应用中减小随机符合就是要控制注入剂量, 不是剂量越高图像质量越好。从随机符合公式中可以看出, 随机符合数与单个探头计数率平方成正比, 而真符合只与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; 在高计数率时, 增加计数, 随机符合增加明显。②减小符合分辨时间。符合分辨时间与晶体材料、光电倍增管输出脉冲上升时间以及电子学线路分辨时间有关, 在机器设计时应统一考虑。③从总符合数中减去随机符合。西门子公司采用延迟时间窗(de 1ayed ti m e w in 2dow ) 的办法扣除随机符合。延迟时间窗的时间宽度与采集时间窗相同, 因此, 在延迟时间窗内测定的随机符合数应与采集符合窗中测

衰减是相同的。穿透衰减校正可以用单光子探测法, 也可用符合探测法, 外源既可以是正电子放射性核素68Ga , 也可以是单光子放射性核素137Gs 。在PET 中, 外源装在环形模型内, 该模型固定在探头的准直器环内。病人数据采集前先做衰减采集(约5~10分钟) , 然后注入正电子放射性核素进行病人数据采集。除穿透校正外, 正电子断层中也有采用其他方法做衰减校正的, 如几何校正法, 混合校正法, CT 、M R I 衰减校正法等。这些方法都有一些特殊的要求, 在此不作详细介绍。4. 4正电子断层的空间分辨及灵敏度[2]

空间分辨和灵敏度是正电子断层的两项重要指标。空间分辨用线源伸展函数(L SF ) 的FW HM 表示, 单位为mm 。影响空间分辨的主要因素有探测器材料、大小、及探头孔径。由准直器决定。, M CD 7HM , 高能准直器成像为1115mm FW HM , PET 的空间分辨为4~6mm FW HM 。正电子符合探测的空间分辨从理论上讲是有极限的, 它受两个因素限制:一个是正电子的射程, 另一个是湮没辐射光子不是绝对180°。正电子的射程取决于正电子的能量, 从其产生点到与组织中负电子符合湮没, 其最大射程可达2mm , 这2mm 距离是测不准的。另外, 湮没辐射Χ光子只是准180°, 其角度偏差约0. 5°, 从而也会造成空间位移偏差, 其大小与探头孔径半径有关, 这个误差也有2~2. 5mm , 因此正电子断层空间分辨的极限值为2~2. 5mm 。正电子断层的灵敏度用一个高200mm 、直径200mm 、内充正电子放射性溶液的圆柱模型

(m C i ・m l ) 。进行测定, 单位为cp s 灵敏度与

探测器晶体厚度、探头数目、环数、光收集效率等有关。在双探头的SPECT 2PET 中, 晶

体厚度是一个重要因素, 晶体厚度对511keV 光子的空间分辨影响不大, 但对灵敏度影响很大。在M CD 中, SPECT 的晶体加厚到1 2英寸或3 8英寸。晶体增厚以后对低

m

能光子(99T c ) 固有空间分辨会有一定影响, 但对系统空间分辨和灵敏度的影响却非常之少, 可以忽略不计。

正电子发射断层的发展方向总体上是提高性能, 降低造价, 推广应用。具体途径有四方面:①研制和应用新的闪烁晶体。如L SO 、GSO 等, 它们的特点是有高的光输出及短的光衰减时间。②新型光转换元件。普通光电倍增管的缺点是体积大, , 增益稳定性差。2T 、P I 雪崩型光N 、。③前端电子学线路和采集。④计算机图像处理。超大规模集成电路的应用。如用一个16片的VL S I 构成一个16环PET 系统, 反投影时间仅为27秒。另一改进是在普通工作站中加快速板, 可缩短重建时间5~10倍。另外, 一些特殊的阵列处理器(如T ran sp u ter ) 被用来提高运算速度。新的PET 设计方案是用三维PET 代替二维PET 。三维与二维的主要区别是多环叉符合替代2环叉符合。英国有的实验室在进行多丝PET 的研制和应用。

参考文献

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(收稿日期:1998203204)

范文四:正电子发射断层成像

正电子发射断层成像 (Positron Emission Tomography) 系统是利用 正电子同位素衰变产生出的正电子与人体内负电子发生湮灭效应这一现象,通过向人体内注射带有正电子同位素标记的 化合物,采用符合探测的方法,探测湮灭效应所产生的γ光子,得到人体内同位素的分布信息,由计算机进行重建组合运算, 从而得到人体内标记化合物分布的三维断层图像。

PET 是直接对脑功能造影的技术,其基本原理是:给被试注射含放射性同位素的示踪物,同位素放出的正电子,与脑内的负电子发生湮灭而释放出γ-射线。通过记录γ-射线在大脑中的位置分布,可以测量区域脑代谢率(rCMR )和区域脑血流(rCBF )的改变,以此反映大脑的功能活动变化。

PET 可用于精神分裂症、抑郁症、毒品成瘾症等的鉴别诊断、了解患者脑代谢情况及功能状态,如精神分裂症患者额叶、 颞叶、海马基底神经节功能异常等。应用PET 显像,可以测定脑内多巴胺等多种受体,从分子的水平上揭示了疾病的本质。 这是其他方法所不能比拟的。 PET 的局限性:

成像时间较长(至少要几十秒) ,只能采用区组设计(Block design)的实验模式;成像时受放射性同位素的限制,不适用于单个被试的重复研究。 同一被试不宜频繁参加实验,不利于那些需要被试多次参加实验的研究;系统造价很高,除PET 扫描机外,一般还需配备一台加速器,用以制备半衰期只有123s 的15O 等同位素。

范文五:正电子发射成像pet简介

正电子发射断层扫描技术

PET

● 正电子发射断层成像(positron emission tomography,PET)

是核医学的一项技术,利用人体生命元素诸如F、C、O、N 等正电子核素标记的药物,从体外无创、定量、动态地观察这些物质进入人体后随时间变化的生理、生化变化。放射性药物在病人体内释出讯号,而被体外的PET 扫瞄仪所接收,继而形成影像, 可显现出器官或组织(如肿瘤)的化学变化,指出某部位的新陈代谢异于常态的程度。 18111513

● 正电子(e ;又称β 粒子)

是与电子(负电子)相似的一种带电粒

子。正电子带一个正电荷,有一定质量和

能量。和物质中的自由电子(e-)结合,

正负电荷抵消,两个电子的静止质量转化

为2个能量相等(511keV )、方向相反的γ

光子而自身消失,即湮没辐射

( annihilation )。

● 正电子的产生

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:

+++

β + ν

正电子在人体组织内行进1-3mm 后发生湮灭,产生互成180度的511 keV的伽玛光子。

● PET 的数据采集

正电子湮灭产生的γ光子同时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。排除了很多散射光子的进入。

● PET 常用的正电子放射性核素选择

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其代谢产物而不改变它们的生物活性,参与新陈代谢过程;

半衰期比较短

可给予较大剂量,提高了影像的对比度和空间分辨率

;

来源

主要是通过医用回旋加速器得到,不便于长途运输,故一般都在医院内生产。

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C 、N 、O 、F 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(形态显示) 、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、受体的亲和常数、氧利用率以及其他许多活体生理参数等。

1811 F 1.87 h C 20.4 min 13151811核素半衰期

13

N 10 min 15O 122.5 s

● 18F 标记的PET 药物

正电子核素

1818F可通过取代有机化合物分子中的羟基、硝基或氢原子,实现药物的F标记。

18F-氟代脱氧葡萄糖

18F-硝基咪唑丙醇

18F-胸腺嘧啶核苷

18F-乙基胆碱

18• • • • • F-L-多巴

18F-氟代脱氧葡萄糖

葡萄糖2位的羟基被放射性同位素18F 取代。是葡萄糖类似物,可通过葡萄糖载体蛋白运输到细胞内部,被己糖激酶磷酸化,但之后的代谢过程因为毕竟还是和葡萄糖有区别,没法继续发生转化,所以通过磷酸化物的形式滞留在细胞内。

大脑、心脏,肿瘤这样非常消耗葡萄糖的部位对F-FDG 的摄取比其他地方多,F-FDG 的磷酸化物的滞留增加非常明显,衰变时产生的γ射线被PET 扫描仪记录下来,可对癌细胞准确定位。

181818F 衰变之后,转变为无害、非放射性的重氧;O 从环境当中获取一个H 之19+后,FDG 的衰变产物就变成了葡萄糖-6-磷酸,可按照普通葡萄糖的方式进行代谢。

● PET 影像

18F-FDG PET正常影像

肺鳞状细胞癌

PET/CT 联用

CT PET

PET CT PET/CT

正电子成像相关