高能正电子成像及医学应用

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CTScan–PatientXReport:NormalMonitoringTherapywithPET•Effectsoftherapyontumormetabolismseeninhours.•Anatomicchange(sizereduction)willtakeweeks.MonitoringTherapywithPET•Effectsoftherapyontumormetabolismseeninhours.•Anatomicchange(sizereduction)willtakeweeks.高能正电子成像的定义及分类•高能正电子准直成像HighEnergyPositronCollimationImaging•正电子发射断层PositronEmissionTomography•符合探测成像CoincidenceDetectionImaging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PositronAnnihilation•Positrontravels1-3mm(dependingonenergy)beforeannihilation.•Annihilationprocessconserves:-Energy(photonsare511KeV).-Momentum(photonsarealmostexactlycolinear).•Simultaneousdetectionoftwo511KeVphotons--eventalonglinebetweendetectors.nb+b-~1-3mm511KeV511KeVCoincidenceDetection•Eventsoccurringanywhereonlinebetweendetectorscontributecoincidencecountstodetectorpair.•Recordedcountsareproportionaltolineintegralofactivitybetweenthedetectors.DET1DET2PulseProcessingANDPulseProcessingRPMTPMTCOINCIDENCEPROCESSINGDETECTORRINGProjectionDataCollectionProcessingElectronicsProcessingElectronicsCoincidenceProcessorDataSorting,HistogramImageReconComputerImagesF-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：Max633KeV,平均203KeV•符合时间：10-9秒511KeVγ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：μ=0.096cm-1(水)99mTc为0.14cm-1•半吸收厚度：511KeV：7.14cm(水),4.1mm(铅)140KeV：5.0cm(水),0.17mm(铅)•康普顿散射：511KeV：170～341KeV60%140KeV：130KeV80%符合探测事件的类型•单光子(single,singles)•真符合(truecoincidence)•随机符合(randomcoincidence)•散射符合(scattercoincidence)散射符合也是真符合，只是改变了方向3-DDetectionProvidesHighestGeometricalEfficiencyLowestisCollimated(0.3X)DetectorDetector2Intermediateis2-Dimensional(1X)Highestis3-Dimensional(5X)AcceptsonlyperpendiculareventsAcceptstransverseeventsAcceptstransverseandcaudal/cephaliceventsDetector2Detector1Detector1高能正电子成像的晶体和材料•锗酸铋晶体(bismuthgerminate,BGO)•碘化钠晶体(NaI)•硅酸镥(lutetiumoxyorthosillicate,LSO)•硅酸钇(yttriumoxyorthosillicate,YSO)•硅酸钆(gadoliniumorthosillicate,GSO)•半导体,锑锌镉(cadmiumzinctelluride,CZT)•三明治晶体(sandwichYSO/LSO,1～2cm)各种晶体性能的比较性能BGOLSOYSOGSONaI密度(g/cm3)7.137.44.546.713.67有效原子序数74663460*51衰减系数(cm-1)0.960.870.43*0.670.34衰变常数(ns)300407065230光输出量(%)156012035100能量分辨(%)1012～187.597.8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1?StarbriteCrystalDesignCrystalStoppingPower3/8”5/8”1”Photofraction61%511keVefficiency37%Photofraction51%511keVefficiency17%Photofraction47%511keVefficiency9%Problem:StoppingPowerSolution:ThickerCrystalsPET/CT的发明是医学影像学的又一次革命CT与PET比较CTPET透射断层TCT发射断层ECTX射线γ射线空间分辨1mm空间分辨5mm图像重建图像重建解剖功能FirstInstallationinZurichMarch2001DiscoveryLSPET/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•1976年PET用于临床•1991年螺旋CT问世•1995年Townsend研制PET/CT,NCIGrant•2000年PET/CT在北美放射学会问世•2001年PET/CT用于临床•2002年LSOPET/CTUPMCIMAGEFUSION200020012002•PET/CT133355•PET/MRI142521•SPECT/CT11814•SPECT/MRI518649’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线机衰减校正HawkEye的功能解剖融合图像(FunctionalAnatomicMapping，FAM)CTSPECT/PET同机图像融合18FDG非衰减校正衰减校正图像欢迎指教，谢谢！