PET/CT基本原理和應(yīng)用PET/CTBasicPrincipleandApplicationsOutlineOverview

功能與解剖成像PET系統(tǒng)的發(fā)展歷史PET物理學(xué)基礎(chǔ)符合探測“混合”事件分辨率和噪聲衰減校正PET主機(jī)的組成和工作原理計算機(jī)圖象處理質(zhì)量控制

Tracinglife'sprocesses

與CT、MR的解剖成像不同，PET可對代謝過程的生理和生化改變進(jìn)行評價，而組織功能的改變往往預(yù)示著結(jié)構(gòu)的改變。PET使用放射性藥物進(jìn)行示蹤，示蹤劑采用如C、N、O、F等組成生命的基本元素的核素作為示蹤原子。因此，相對于其他成像模式而言，PET往往能夠在分子水平上揭示疾病的代謝狀態(tài)。PETApplicationPEThastheuniqueabilitytocrosstheboundariesofspecialties,addingnewdimensionstoaphysician'sabilityto:

Diagnosediseasebeforestructuralchangesbecomedetectablewithanatomicalimagingtechniques,potentiallyimprovingtheprognosis.Managepatienttherapybymonitoringresponsetoagivenregimenandprovidingearlyfeedbackonitsefficacy.Thiscanhelpreduceoravoidthecostofineffectivetreatmentsorunnecessaryhospitalization.Insomecases,replacemultiplediagnosticprocedureswithasingleexam.Helppredicttheprognosisforsurgicalprocedures,toeliminatethosethatwon'tbenefitthepatient,thussignificantlyreducingthecostofhealthcaredelivery.Identifydistant,occultmetastasesthatmayaffectthecourseoftreatmentandthereforechangepatientmanagement.

ApplicationsinOncology

LungCancer

ApplicationsinOncology

BreastCancer

ApplicationsinOncology

RecurrentColorectalCancerPETcandistinguishbetweenrecurrenceandscartissueatthesiteofinitialsurgery.

ApplicationsinOncology

TumorTherapyMonitoringOverview

功能與解剖成像PET系統(tǒng)的發(fā)展歷史PET物理學(xué)基礎(chǔ)符合探測“混合”事件分辨率和噪聲衰減校正PET主機(jī)的組成和工作原理計算機(jī)圖象處理質(zhì)量控制OutlineHistory1953年BrownellG.L.等人進(jìn)行正子發(fā)射核素探測1975年Ter-PogossianM.M.、PhelpsM.E.、HoffmanE.J.發(fā)展出正電子斷層掃描儀1975年MuehllehnerG.提出兩平行雙探頭配以符合探測電路進(jìn)行正電子掃描1992年vanLingenA.提出以平行相對的雙探頭單光子發(fā)射掃描儀配上511keV的高能準(zhǔn)直器可以進(jìn)行正子發(fā)射斷層掃描1999年ThomasBeyer等人開發(fā)出PET/CT掃描儀2001年P(guān)ET/CT用于臨床BNLring,c.1964FirstInstallationinZurichMarch2001OutlineOverview

功能與解剖成像PET系統(tǒng)的發(fā)展歷史PET物理學(xué)基礎(chǔ)符合探測“混合”事件分辨率和噪聲

衰減校正PET主機(jī)的組成和工作原理計算機(jī)圖象處理質(zhì)量控制正電子的物理特性正電子發(fā)現(xiàn)于1934年正電子帶一個單位正電荷正電子有一定的能量和射程正電子只能瞬間存在正電子由β+衰變產(chǎn)生正電子與負(fù)電子結(jié)合產(chǎn)生湮滅輻射PositronAnnihilationb+b-~1-3mm511KeV511KeV?Positrontravels1-3mm(dependingonenergy)beforeannihilation.?Annihilationprocessconserves:-Energy(photonsare511KeV).-Momentum(photonsarealmostexactlycolinear).?Simultaneousdetectionoftwo511KeVphotons-->eventalonglinebetweendetectors.CoincidenceDetectionPulseProcessingPulseProcessingANDEventsoccurringanywhereonlinebetweendetectorscontributecoincidencecountstodetectorpair.Recordedcountsareproportionaltolineintegralofactivitybetweenthedetectors.DET1DET2CoincidenceEvents單一事件（SingleEvents）真實符合事件（TrueCoincidenceEvents）散射符合事件（ScatteredCoincidenceEvents）隨機(jī)符合事件（RandomCoincidenceEvents）SingleEventsTrueCoincidenceEventsScatteredCoincidenceEventsRandomCoincidenceEventsNuclearMedicineCameraResolutionLimitsEffectsofPhotonNon-colinearity

-Functionofdetectorradius:~1mmFWHMper50cmscannerdiameter.e+e-EffectsofPositronRange~1-3mm-Functionofemittedpositronenergy.-18Fimages(Emax=0.6MeV)havebetterresolutionthan15O(Emax=2.1MeV).PointSourceMultiplaneand3DImagingMultipleRingImaging“Crossplanes”formedbyadjacentrings.Nrings-->2N-1imagingplanes.Eachplaneprocessedindependentlyby2Dalgorithm.Septaaddedtoreduceoff-planephotons.

Volume(3D)ImagingRemovesepta.Bigincreaseinsystemsensitivity,evenbiggerincreaseinscatter.Reconstructionalgorithmnotseparableintoplanes-->requiresa3Dalgorithm.NoiseinPETImagesPET圖像的噪聲大小由符合事件的計數(shù)決定。在圖像重建過程中采用濾波或平滑處理可以減少圖像噪聲，但同時降低圖像分辨率。105106107countsRampfilterHanningwindow,4mmHanningwindow,8mm衰減校正與CT透射型掃描不同PET探測的是發(fā)射型掃描，采用符合探測，有效計數(shù)量低，介質(zhì)的影響不能忽略，需要進(jìn)行衰減校正。外置棒源68Ge的衰減校正——正電子顯像的標(biāo)準(zhǔn)衰減校正方法X-CT衰減校正OutlineOverview

功能與解剖成像PET系統(tǒng)的發(fā)展歷史PET物理學(xué)基礎(chǔ)符合探測“混合”事件分辨率和噪聲衰減校正PET主機(jī)的組成和工作原理計算機(jī)圖象處理質(zhì)量控制整套PET系統(tǒng)包括PET主機(jī)和回旋加速器及配套的化學(xué)合成裝置三大部分。PET主機(jī)配置有掃描機(jī)架、主機(jī)柜、檢查床、主輔工作站等幾個部分。機(jī)架是最大部分，其中最主要的是探頭部分，包括探測器環(huán)和中隔、多晶體、光電倍增管、前置電子線路、符合線路、分類器、電子準(zhǔn)直線路、透射源及各種電子學(xué)儀器線路等。DetectorRequirementsGoal

RequirementHighSpatialResolution SmallDetectorElements

HighSensitivity HighStoppingPowerLowScatterFraction GoodEnergyResolutionLowRandoms GoodTimingResolutionLowDeadtime FastEventHandling

SmallChannelSize

LimitedMultiplexingLowCost NoneoftheAboveDetectorMaterialsHigh

DensityOveralldetectionefficiencyisproportionaltotheproductofthedetectionefficienciesHighEffectiveAtomicNumberHighphotopeakfraction(photopeakvsCompton)allowshighdiscriminatorsettingforscatterrejectionFastDecayTimeTheprimaryspeedofthedetectorhasabigeffectoncountrateOtherslightoutput,wavelength,andindexofrefractionareotherpropertiesthatareimportantDetectorMaterials

NaI(Tl)

BGO

GSO(Ce)

LSO(Ce)STOP

PHOTONSPRODUCELIGHTGROWCRYSTALSm(cm-1) 0.37 0.95 0.67 0.89Photonfraction ~15% ~40% ~35% ~30%LightOutput 100 20-25 35 75 DecayConstant 230 300 65 50

Radioactive NO NO NO YES MeltingPoint 650 1050 >2000 >2000 Furnace Platinum Iridium Iridium Cost $5/cc $10/cc $20/cc >$25/cc?? DetectorAssemblies1-to-1CouplingExcellentlivetimecharacteristics,butexpensive,andlimitedinsizetosmallestavailablePMT(~1cm2).BlockDetectorIndividualcrystals“pipe”lighttodetectors.Morecomplex,butrequiredwithlowlightoutput--BGO.AngerCameraLightfromscintillatorisdistributedamongseveralPMT’s;measureddistributiondetermineslocation.Poorlivetime,butcanhavegoodresolutionwithenoughlightoutput--NaI(Tl).探測器塊的部件

SixDetectorBlocks（module)OneBlockDetector

Cassette18Rings18環(huán)探測器的組成BlockDetectorABCDComputetotalenergy,centroidoflightdistribution:E=A+B+C+DX=(B+D)/EZ=(C+D)/E操作臺及輔助設(shè)施操作臺檢查床床板采用高強(qiáng)度和低射線吸收率最佳的碳素纖維材質(zhì)，不會對圖像數(shù)據(jù)造成影響；還配備腦斷層頭托，更好的固定頭位傾斜驅(qū)動器屬于機(jī)架部分，并非所有機(jī)型都有OutlineOverview

功能與解剖成像PET系統(tǒng)的發(fā)展歷史PET物理學(xué)基礎(chǔ)符合探測“混合”事件分辨率和噪聲衰減校正PET主機(jī)的組成和工作原理計算機(jī)圖象處理質(zhì)量控制輔助設(shè)備PET掃描機(jī)

主機(jī)柜

存儲器

軟件包CPU功能鍵控制臺輸入輸出

外存設(shè)備光盤、軟盤顯示打印工作站PET計算機(jī)框圖軟件結(jié)構(gòu)和分類系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)部分、系統(tǒng)應(yīng)用程序、調(diào)試和故障檢測程序、語言處理程序應(yīng)用軟件

PET數(shù)據(jù)采集、圖像重建、量化分析和自編程序數(shù)據(jù)庫2D和3D采集2D是在有柵隔板準(zhǔn)直狀態(tài)下采集3D是在撤除柵隔板的狀態(tài)下采集

PET的2D和3D采集模式

2D采集時探頭環(huán)與環(huán)之間放置柵隔（septa）柵隔由鉛或鎢等重金屬屏蔽材料制成，防止錯環(huán)符合事件發(fā)生3D采集收進(jìn)環(huán)間柵隔，系統(tǒng)會記錄探測器之間任何組合的符合事件

PET的2D和3D采集模式

屏蔽柵隔的存在減少隨機(jī)和散射符合計數(shù)(<10％)移取柵隔使隨機(jī)和散射計數(shù)所占比例增大（>30%)。

PET的2D和3D采集模式

2D采集：信噪比高，隨機(jī)符合和散射符合計數(shù)較小圖像校正和圖像重建簡單，定量處理準(zhǔn)確軸向FOV均勻性較好靈敏度較低，采集時間較長3D采集：靈敏度較高，節(jié)省采集時間隨機(jī)符合和散射符合計數(shù)較高

圖像校正和圖像重建復(fù)雜，定量精度很差

軸向FOV均勻性較差2D采集適合腫瘤探測和全身掃描，適合精確定量分析3D采集適合神經(jīng)系統(tǒng)、腦掃描采用3D顯像，腦內(nèi)結(jié)構(gòu)顯示細(xì)膩，圖像質(zhì)量好圖像重建濾波反投影重建迭代重建

ML-EM算法基于極大似然估計的期望最大算法

OSEM算法有序子集加速算法

RAMLA算法二維傅立葉變換法OutlineOverview

功能與解剖成像PET系統(tǒng)的發(fā)展歷史PET物理學(xué)基礎(chǔ)符合探測“混合”事件分辨率和噪聲衰減校正PET主機(jī)的組成和工作原理計算機(jī)圖象處理質(zhì)量控制

校準(zhǔn)（Calibration）

BlankScan:20min~30min,dailySingles/updategainadjustment:1hr,weeklyCoincidenceTimingCalibration:5min,weeklyNormalizationCalibration:12hrormore,quarterlyWellCounterCalibration:quarterlyPinsourceGe-68；半衰期：271days高活度源（400MBq），2根低活度源（60MBq），1根BlankScan在探頭之間只有空氣介質(zhì)的情況下，用外源性棒源進(jìn)行的一種掃描。（1）用于計算病人體內(nèi)組織的衰減因子（2）了解Scanner能否正常工作（如：晶體的狀況）CrystalFailureBlankScan正弦圖BlankScan

示意圖

CoincidenceTimingCalibration(CTC)

Purpose:–Adjustfortimingchannelpropagation(spread)delayssoeventsfromallblocksaretimestampedequivalently.Method:–Coincidenceacquisitionoforbitingrodsource.–CPMpassesthroughtimingdifferencein