- 一体化PET/MR操作规范和临床应用
- 卢洁 赵国光
- 8字
- 2020-08-29 03:56:56
第一章 PET/MR成像技术
第一节 PET成像技术
PET的全称是正电子发射计算机断层显像（positron emission computed tomography，PET），是将体内代谢所必需的某种物质，标记上放射性核素（如18F、11C等）注入人体，通过对该物质的代谢聚集进行诊断的影像技术［1］。
一、PET设备的总体结构
PET总体结构包括探头（晶体、光电倍增管、高压电源）、电子学线路、数据处理计算机、扫描机架、检查床等，如图1-1-1所示。PET的探头是由若干探测器环排列组成，探测器环的数量决定PET轴向视野和图像层面。轴向视野是指与探测器环平面垂直的长轴范围内，可以探测的真符合事件的最大长度。因此，PET探测器环数越多，探头轴向视野越大，一次扫描获得的层面越多。PET探测器由晶体、光电倍增管、高压电源和相关电子线路组成，将许多探测器按照一定次序紧密排列在探测器环周。电子线路包括放大、甄别、采样保持、符合线路、模拟/数字变换、数据缓存、定位计算等。符合线路输出符合脉冲控制模数转化器，并计算定位地址x、y，再将该地址数据存入计算机，计算机以此为依据进行图像重建。传统PET需要配置栅隔进行二维采集，最新一代PET采用散射校正技术，能够提高三维采集图像质量，所以取消了栅隔，目前，PET扫描模式均采用三维采集。
二、PET探测器的结构
探测器是PET的核心部分，由晶体、光电倍增管（photomultipliers tube，PMT）或光电转换器、放大和定位电子线路组成。探测器最前端的晶体通过光电偶合连接于PMT的阴极面，PMT连接放大和定位电路。
1.晶体
PET探测器常用的晶体有锗酸铋（BGO）、硅酸镥（LSO）、硅酸钇镥（LYSO）和以镥为基础的晶体（LBS），其中LSO、LYSO和LBS晶体具有光子产额高和光子余辉时间（死时间）短（一般<80ns）的优点，而且能够实现PET探测器的飞行时间技术（time of flight，TOF），因此目前被广泛应用。BGO晶体虽然余辉时间长，但是自身无放射性，只能通过延长晶体长度提高探测灵敏度和效率。LSO、LYSO和LSB均含有镥，余辉时间短，存在自身放射性，但晶体不能做的太厚（长），从而限制了其探测灵敏度和效率。BGO晶体适合18F标记的正电子示踪剂，而LSO、LYSO和LBS除此之外，对11C、13N等短半衰期的示踪剂具有明显优势。
2.光电倍增管（光电转换器）
光电倍增管分为传统真空管的光电倍增管（photo multiplier tube，PMT）和固相阵列光电倍增管（solid state photomultiplier，SSPM），SSPM又分为雪崩光电二极管（avalanche photo diode，APD）和硅光电倍增管（silicon photomultiplier，SiPM）（表1-1-1）。PMT已经广泛应用于PET和PET/CT设备，但是由于传统PMT含有真空管，电子在磁场中会发生偏移和移动，所以不适用于一体化PET/MR，应该选择SSPM。APD时间分辨率极差，对温度和磁场比较敏感，增益非常小，转化效率低，不能实现TOF技术，已经被先进的SiPM取代［2］。基于SiPM的PET探测器不但整体性能高，而且结构紧凑，便于进行磁场和放射性屏蔽，所以是一体化PET/MR的最佳选择［3-6］。
3.信号放大和定位电路
γ射线与晶体作用产生荧光后，通过PMT转化成电信号，再输入到放大和定位电路。PMT或SiPM产生的电信号非常弱，需要经过放大后，才能进行精准的定位分析，经过定位电路处理后获得光子位置。将晶体、光电转换器、放大和电子线路组件，安装于有保护和光屏蔽作用的外壳内，组成探测器（头）的一个组块，多个组块构成PET探测器环的基本单元。
三、PET成像原理
注射进入人体组织的正电子示踪剂发射出的正电子穿过人体组织时，在很短的距离内（1～3mm）与组织细胞中负电子发生湮灭作用，产生互成180°能量为511keV的γ光子对（图1-1-2），PET采用符合探测技术进行数据采集和处理。正电子发生湮灭作用时产生的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，并以列表方式（list mode）进行储存，然后分别输入到符合线路进行甄别。符合线路设置的时间窗（通常<10ns），同时落入时间窗的定时脉冲被认为是同一个电子湮灭事件中产生的γ光子对，从而被符合电路记录，这就是符合甄别的过程。符合时间窗可以排除很多散射和随机光子，从而提高探测信号的信噪比。由于PET探测器的结构和性能不同，符合时间窗设置值也明显不同（4.0～10.0ns），宽的符合时间窗提高总计数，但是也增加随机和散射计数。正电子湮灭辐射生成的两个γ光子，只有在两个探头所形成的立体角内才能被探测，这种利用湮灭辐射和两个相对探头确定闪烁点位置的方法称为电子准直。电子准直是PET成像技术的一大特点，它避免了沉重的铅或钨制准直器，极大提高了探测的灵敏度和空间分辨率，就二维采集模式而言，灵敏度比单光子发射计算机断层显像（single photon emission computed tomography，SPECT）高 10倍。
四、PET校正技术
PET探测器的晶体和光电倍增管存在的性能不同，以及放射性示踪剂衰变、人体组织对示踪剂吸收、γ射线探测的随机误差、γ射线吸收和散射误差等因素均影响PET的定量精度。符合线路探测的是同时发生的闪烁事件，正电子湮灭产生的光子到达对应的一对探测器并被记录的时间有微小差异，这种时间差异称为符合线路的分辨时间。探测器之间的符合线路被设定为一段时间，这种两个探测器的符合探测时间范围称为符合时间窗，在符合时间窗内进入两个探测器的光子被认为来源于同一次湮灭，即真符合（图1-1-3A）。由于衰变具有随机性，有时源于不同湮灭的光子，其中两个光子在符合时间窗内分别被不同位置的探测器接收，而误认为是同一湮灭光子对，这种不是由湮灭作用产生的符合称为随机符合（图1-1-3B）。γ光子在飞行过程中还会产生康普顿散射，如果湮灭光子对中的一个光子与吸收物质作用，改变电子动能的同时使γ光子改变飞行方向，导致与另一正常飞行的γ光子同时进入两个相对的探测器，这种符合称为散射符合（图1-1-3C）。湮灭作用后生成的两个γ光子，如果一个被组织吸收，只有另外一个到达探测器，也无法探测到真正湮灭作用的正电子核素，称为组织衰减（图1-1-3D）。射线衰减的程度由响应线（line of response，LOR）穿过物体路径的长度，以及物体对511 keV γ光子的线性衰减系数（linear attenuation coefficient，LAC）分布决定。当被测物体体积大、组织结构复杂时，射线衰减非常严重，使PET的定量分析精度大大降低，因此，衰减校正成为PET成像中一个必不可少的环节。
γ射线衰减校正技术在PET、PET/CT和PET/MR成像设备完全不同。传统PET采用68Ge线源进行扫描，获得人体组织衰减系数图（attenuation coefficient map，µ-Map）进行校正。对于PET/CT系统，利用CT扫描可以很容易获得X射线能量对应组织的LAC分布，然后将其转换为511keV对应的LAC。PET/MR采用MRI不同序列获得人体组织的气体、水、脂肪、软组织和骨骼信息，反映的是质子弛豫时间和密度的分布，无法直接得到物体的LAC分布。因此，如何利用MRI图像得到物体的LAC分布是PET/MR的关键技术。有关PET/MR衰减校正方法见本章第三节。
五、PET性能指标与质量控制
1.PET的重要性能指标
评价PET性能的参数指标主要有：①能量分辨率（energetic resolution）：是探测器对射线能量的甄别能力，直接影响探测器的其他性能。②空间分辨率（spatial resolution）：是探测器在x、y、z三个方向能分辨最小物体的能力，以点源图像在三个方向的空间分布函数曲线的半高宽（full width at half maximum，FWHM）表示，单位是毫米，影响病变的检出能力。③时间分辨率（time resolution）：是指正电子探测器可计数的两对γ光子之间的最短时间间隔，即探测器对γ光子对时间响应曲线的FWHM，单位是皮秒（ps）。④噪声等效计数率（noise equivalent counts rate，NECR）：PET的符合计数包含真符合计数、散射计数和随机计数，如果将符合采集数据真符合之外的计数均归为噪声，与无散射和随机符合具有相同信噪比的真符合计数率即为NECR，是衡量信噪比的标准，NECR值越高，数据的信噪比越高，图像对比度越好。⑤系统灵敏度（sensitivity）：是指单位时间内、单位辐射剂量条件下获得的符合计数，是衡量探测器在相同条件下获得计数能力的重要指标，高灵敏度探测器获得一帧相同质量图像所需的时间较短或所需示踪剂的活度较小。⑥最大计数率（maximum counts）：是指探测器在单位时间能计量的最大计数值。通常计数率随辐射剂量增大而增加，但由于余辉时间的影响，到达较高计数率时，探测器的时间响应限制计数率增加，导致出现漏记现象，随着漏记现象的增多，计数率达到饱和，即使继续增大辐射强度，计数率也不再增加，反而下降。
2.PET的质量控制
为保证PET的正常运行与图像质量，需要对设备按照专业指标进行严格质量控制，发现某些性能指标出现偏差，要对系统进行调试维护。PET的质量控制分为：①验收质控：指设备安装后进行的全面性能测试，检验是否达到厂家标定的技术及操作性能，应有厂家或供应商代表在场。②参考质控：指对设备的性能进行全面测试，提供全面性能指标的参考数据，评估设备性能变化。③常规质控：指日常定期对设备进行的性能测试，包括日质控、周质控、月质控和年质控等，以便及时发现设备性能变化，确保运行的最佳状态。目前国际采用的PET测试标准主要是美国电气制造者协会（National Electrical Manufactures Association，NEMA）制定的标准，以及欧洲经济共同体（European Economic Community）制定的国际电工委员会（International electrotechnical Commission，IEC）标准。为了适应PET技术的进步和新的临床应用，NEMA标准有不同的版本，如NEMA NU-2 2012增加了一体化PET/MR设备中PET性能的检测方法。