高能正電子成像的物理及相關(guān)技術(shù)問題 醫(yī)學(xué)科學(xué)

1、高能正電子成像及醫(yī)學(xué)應(yīng)用中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 中國協(xié)和醫(yī)科大學(xué)腫瘤醫(yī)院陳盛祖,,,,CT與常規(guī)X線體層比較,CT Scan – Patient X,Report: Normal,Monitoring Therapy with PET,,Effects of therapy on tumor metabolism seen in hours.Anatomic change (size reduction) will take wee

2、ks.,Monitoring Therapy with PET,,Effects of therapy on tumor metabolism seen in hours.Anatomic change (size reduction) will take weeks.,高能正電子成像的定義及分類,,高能正電子準(zhǔn)直成像 High Energy Positron Collimation Imaging正電子發(fā)射斷層 P

3、ositron Emission Tomography符合探測成像 Coincidence Detection Imaging,歷史,正電子掃描機(jī) 1954年 單光子及符合探測，平面像正電子伽瑪照相機(jī) 1959年正電子發(fā)射斷層（PET） 1976年分子符合探測（MCD）

4、1994年,正電子的物理特性,正電子發(fā)現(xiàn)于1934年正電子帶一個(gè)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)生正電子與電子結(jié)合產(chǎn)生湮滅輻射,正電子的湮滅輻射（Annihilation）,正電子與組織中電子結(jié)合產(chǎn)生湮滅輻射湮滅輻射產(chǎn)生2個(gè)511KeV的γ光子 ——能量守恒2個(gè)γ光子互成180°(±0.25°） ——動量守恒湮滅輻射光子用符合探測法探測,Posi

5、tron Annihilation,? Positron travels 1-3mm (depending on energy) before annihilation.? Annihilation process conserves:- Energy (photons are 511KeV).- Momentum (photons are almost exactly colinear).? Simultaneous det

6、ection of two 511KeV photons --> event along line between detectors.,,n,,,,,,,,,,,,,,,b+,,b-,,~1-3mm,511KeV,511KeV,Coincidence Detection,Events occurring anywhere on line between detectors contribute coincidence count

7、s to detector pair.Recorded counts are proportional to line integral of activity between the detectors.,,,,,,DET 1,DET 2,,,,,,,,Pulse Processing,,,,,,,,AND,,Pulse Processing,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,R

8、,,,PMT,PMT,COINCIDENCE,PROCESSING,DETECTOR,RING,,,,Projection Data Collection,CoincidenceProcessor,,Data Sorting,Histogram,,Image ReconComputer,Images,,,,F-18的物理特性,衰變類型：β+衰變，電子俘獲（EC）半衰期：109.8分主要射線：511KeV的γ光子正電子能量：M

9、ax 633KeV,平均203KeV符合時(shí)間：10-9秒,511KeV γ光子的物理特性,穿透能力強(qiáng) 為99mTc的3.65倍, 131I的1.6倍衰減系數(shù)： μ=0.096cm-1 (水) 99mTc為0.14cm-1半吸收厚度： 511KeV：7.14cm (水), 4.1 mm (鉛) 140KeV：5.0 cm (水), 0.17mm (鉛)康普頓散射：

10、 511KeV：170～341KeV 60% 140KeV：130KeV 80%,符合探測事件的類型,單光子(single, singles)真符合(true coincidence)隨機(jī)符合(random coincidence)散射符合(scatter coincidence) 散射符合也是真符合，只是改變了方向,3-D Detection Provides Highes

11、t Geometrical Efficiency,Lowest is Collimated(0.3 X),Intermediate is2-Dimensional(1 X),Highest is 3-Dimensional(5 X),,Detector 2,Detector 1,Detector 1,高能正電子成像的晶體和材料,鍺酸鉍晶體(bismuth germinate, BGO)碘化鈉晶體(NaI)硅酸镥(lu

12、tetium oxyorthosillicate, LSO)硅酸釔(yttrium oxyorthosillicate, YSO) 硅酸釓(gadolinium orthosillicate, GSO )半導(dǎo)體,銻鋅鎘(cadmium zinc telluride, CZT) 三明治晶體(sandwich YSO/LSO, 1～2cm ),各種晶體性能的比較性能 BGO LSO

13、YSO GSO NaI密度(g/cm3) 7.13 7.4 4.54 6.71 3.67有效原子序數(shù) 74 66 34 60* 51衰減系數(shù)(cm-1) 0.96 0.87 0.43* 0.67 0.34衰變常數(shù)(ns) 300 40 7065 230光輸出量(%)

14、 15 60 120 35 100能量分辨(%) 10 12～18 <7.5 9 7.8注:晶體主要要求:靈敏度、最大計(jì)數(shù)率、能量分辨,,,,1英寸晶體的優(yōu)勢,Crystal Stopping Power,3/8”,5/8”,1”,Photofraction 61%511 keV efficiency 37 %,Photofr

15、action 51%511 keV efficiency 17%,Photofraction 47%511 keV efficiency 9%,,,,,Problem:Stopping Power,Solution: Thicker Crystals,PET/CT的發(fā)明是醫(yī)學(xué)影像學(xué)的又一次革命,,,CT與PET比較,,,,First Installation in Zurich March 2

16、001,Discovery LS,PET/CT的特點(diǎn),CT與PET硬件、軟件同機(jī)融合解剖圖像與功能圖像同機(jī)融合同一幅圖象既有精細(xì)的解剖結(jié)構(gòu)又有豐富生理、生化分子功能信息可用于腫瘤診斷、治療及預(yù)后隨診全過程高靈敏度、高特異性、高準(zhǔn)確性PET、CT單獨(dú)能實(shí)現(xiàn)的，PET/CT一定能實(shí)現(xiàn)；PET/CT能實(shí)現(xiàn)的，PET或CT單獨(dú)不一定能實(shí)現(xiàn),PET/CT的發(fā)展歷史,1953年 正電子探測腦腫瘤1963年 發(fā)射斷層1973年 H

17、ounsfield發(fā)明CT1976年 PET用于臨床1991年 螺旋CT問世1995年 Townsend研制PET/CT, NCI Grant2000年 PET/CT在北美放射學(xué)會問世2001年 PET/CT用于臨床2002年 LSO PET/CT UPMC,IMAGE FUSION,2000 2001 2002PET/CT 13

18、 33 55PET/MRI 14 25 21SPECT/CT 11 8 14SPECT/MRI 5 18 6