PET的基本原理ppt课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,P,ositron,E,mission,T,omography,正电子发射断层成像,1,3,上世纪,20,年代物理学家就从理论上推断有带正电荷的正电子存在,20,世纪,30,年代开始对放射性核素的物理、化学性能进行了深入研究，发现了它们在生物学和医学领域的应用价值,1953,年,Dr.Brownell,和,Dr.Sweet,就已研制了用于脑正电子显像的,PET,显像仪,60,年代末出现了第一代商品化,PET,扫描仪，可进行断层面显像,1976,年由,Dr.Phelps,和,Dr.Hoffman,设计，由,ORTEC,公司组装生产了,第一台用于临床的商品化的,PET,20,世纪,80,年代更多公司投入了,PET,研制，岛津（,Shimadzu,1980,）、,CTI,公司（,1983,）、西门子公司（,Siemens,，,1986,）通用电气公司（,GE,，,1989,）、日立公司（,Hitachi,，,1989,）和,ADAC,公司（,1989,）,POSITRON,PET,系统已日趋成熟，许多新技术用于,PET,产品，如：采用了,BGO,和,LSO,晶体的探测器、引用了数字化正电子符合技术、切割晶体的探,测器模块等，使,PET,系统的分辨率小于,4mm,。

90,年代中期，在发达国,家,PET,已成为重要的影像学诊断工具,PET,的历史,2,国内,PET,研发现状,1983年中国科学院高能物理所开始研制PET；,1986年高能所研制出国内第一台PET样机；,1990年6月高能所与广州威达公司合作研制第一台PET（两环）；,1992年9月该机交付中日友好医院临床使用；,1997年7月高能所与威达公司研制成第二台PET，并交付北京阜外医院使用目前国内已经有多家单位在研制基于模块化BGO晶体加光电倍增管方式的医用PET国内研制生产PET，可打破国外厂家在该领域内的垄断，带动国内相关学科如核探测、核电子、数据处理技术向产业化和实用化发展，带动国内核医学设备自主开发的水平，是件利国利民的好事3,数据重组,21,PET,的结构,光电探测器,符合处理,探测器环,处理电路,光电探测器,处理电路,符合处理器,图像,图像重建,4,探测器工作原理,5,14,符合探测原理,符合,符合探测技术能在符合电路的时间分辨范围内，检测同时发生的放射性事件利用符合探测技术可以进行正电子放射性核素示踪成像使用符合探测技术，起到电子准直作用，大大减少随机符合事件和本底的同时提高了探测灵敏度。

探测器,1,探测器,2,脉冲处理器,脉冲处理器,6,7,PET成像基本原理：,标记有能够产生放射性核素（18F等）的示踪药物进入人体后，会随血流分布全身，通过自身的生物学性质，,“,靶向,”,定位于特定细胞或者组织，参与特定的生物过程；这些放射性核素在衰变时会产生的正电子，当这些正电子与组织中的电子相遇时就会发生正负电子对湮灭反应，从而产生在同一直线上两个能量为511keV飞行方向相反的光子，这两个光子可以确定一条反应线，如果在LOR的两端正好有一对探测器，通过获得的相关信息，就可以来确定湮灭事件点在LOR线上的位置，然后通过后端的图像重建程序，可以重建辐照离子空间分布的影像PET就是通过符合测量正负电子对,湮灭反应产生的两个飞行方向相反的,光子实现图像重建的TOF-PET和PET成像的基本原理是,一样的TOF-PET引入了飞行时间TOF信息,后，可以明显的缩短图像重建的时间，,有效降低本底噪声，提高成像的质量8,12,正电子湮灭前在人体组织内行进,1,3mm,湮灭作用产生,:,-,能量（光子是,511,KeV,),动量,同时产生互成,180,度的,511,keV,的伽玛光子正电子湮灭,+,1-3mm,511KeV,511KeV,9,10,正电子核素,半衰期,产,物,Carbon-11,Nitrogen-13,Oxygen-15,20.5,min,10.0,min,2.1,min,14,N(p,),11,C,16,O(p,),13,N,14,N(d,n),15,O,Fluorine-18,110,min,18,O(p,n),18,F,(F,-,),20,Ne(d,),18,F,(F,2,),Gallium-68,68,min,Ge-68,的子体,(271,天,),Rubidium-82,1.27,min,Sr-82,的子体,(25,天,),C,N,O,F,等成分直接参与人体生化代谢,正电子药物,10,13,常用正电子放射性核素的物理特性,放射性核素,11,C,13,N,15,O,18,F,68,Ga,82,Rb,半衰期,（,min,）,20.3,10.0,2.0,109.8,67.8,1.3,最大正电子能量,（,MeV,）,0.96,1.19,1.70,0.64,1.89,3.35,最大射程,（,mm,）,5.0,5.4,8.2,2.4,9.1,15.6,平均射程,（,mm,）,0.28,0.60,1.10,0.22,1.35,2.60,11,11,正电子成像的物理基础,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：,P,n,+,+,其中,P,为质子，,n,为中子，,为正电子，,为中,微子正电子的质量与电子相等，电量与电子的电量,相同，只是符号相反通常正电子（,）衰变,都发生于人工放射性核素12,9,PET,影像的设备,回旋加速器,放化标记设备,PET,影像系统,正电子核素制备,正电子示踪剂制备,PET,影像获取,13,探测器必须具备以下基本性能:,(1)高阻止能力;,(2)高空间分辨率;,(3)高能量分辨率;,(4)高时间分辨率;,(5)造 价 便 宜当前面临的主要挑战是研发适用于多模态成 像设备、具有 DOI(Depth Of Interaction)和TOF(Time Of Flight)性能的探测器器件和设计结构1.2,现代,PET,对探测器性能的要求,14,2、PET探测器器件技术的进展,2.1 闪烁晶体的发展,闪烁体材料大致可分为以下三类：,用于射线探测的CsI(Tl)晶体,无机闪烁体：包括碱金属卤化物晶体（如NaI(Tl)、CsI(Tl)等）、其他无机晶体（如CdWO4、BGO等）、玻璃体,有机闪烁体：有机晶体（如蒽、芪等）、有机液体、塑料闪烁体,气体闪烁体：如氩、氙等,NaI晶体,LaBr晶体,15,NaI(Tl)晶体是较早应用于PET的闪烁晶体,其光产量很高,因此能量和空间分辨率令人满意,但衰减时间长,增加了系统死时间和随机符合率,而且密度低,阻止能力较差,BGO晶体的衰变常数大,光产量低,能量分辨率差,但密度 大,阻止本领强,灵敏度高,新型晶体LSO和LYSO是响应速度快、光产额高及高密度的闪烁晶体,它们能够满足TOF-PET的性能要求。

GSO晶体的阻止本领和光产额较低,但其能量分辨率和光产量的均匀性,要优于LSO,基于GSO晶体的PET，设备的整体系统能量分辨率甚至超过基于LSO晶体的PET设备16,光电探测器的选择,光电倍增管主要由入射窗、光阴极、倍增系统(栅极、打拿极)、阳极等构成,由晶体产生的荧光经光电倍增管的入射窗打在光阴极上,发生光电效应,打出电子,电子在光电倍增管的打拿极上逐级倍增,最后被阳极收集,形成电信号,17,2.2 光电探测器的进展,光电倍增管(photomultipliertube,简称PMT)是PET中应用最为广 泛的光电探测器,是闪烁晶体探测器的驱动器它具有高增益(典型值是106量级)、低噪声和低成本的特性,通常要求的偏置工作电压为800-1200V传统PMT体积大,无法实现晶体和PMT的一对一耦合,限制了利用它制造高分辨率PET探测器的能力硅光电倍增器件(SiPM)是近年来逐渐兴起的一种用于PET的光电探测器件与传统的光电倍增管(PMT)相比，它有着尺寸小工作电压低对磁场不敏感等优点PMT,APD,18,3 PET 探测器设计技术的发展,必须认识到PET探测器的性能不仅取决于件本身的特性,还有赖于探测器的设计 结 构。

近几年,各种各样创新的探测器设计和解决方案不断涌现,总的目的是获得更高的空间分辨率、快速响应时间、高灵敏度和合理的性价比19,3.1 DOI技术,目前DOI探测器主要由不同种类闪烁晶体层叠而成,其工作模式是利用不同闪烁晶体衰减时间的不同而产生的脉冲形状差别,进行脉冲形状分析(简称PSD),判定光源产生于哪一层晶体中,进而 确定光子所在LOR线的精确位置目前已经设计生产出多种闪烁晶体的组合模式,也尝试在LSO,LYSO或GSO 中进行各种掺杂,进一步改变它们的衰减时间以便进行脉冲形状鉴别其它 D O I解决方案包括晶体偏移、双端光比率定位、光耦合率变化定位等 方 式20,3.2,TOF-PET技术,TOF技术的主要优势是减小统计噪声,TOF-PET与非TOF-PET相比,统计噪声可以减小一个数量级LSO,MLS,LGSO,LYSO和LPS等晶体的出现,使TOF技术快速发展并投入临床应用例如,Philips公司开发的基于LYSO的商品化TOF-PET,具有600ps的符合探测分辨率光电探测器(PSPMT、APD、SiPM)、ASICs电路、新型探测器模块结构以及图像重建算法的发展,共同促进了TOF技术的发展与应用。

TOF-PET优势,：,TOF-PET可有效提高图像质量,降低放射性药物剂量,缩短扫描时间,提高检查效率,同时在某些无法保证角度采样的条件下,TOF也表现出明显的优势,为临床诊断和临床前研究带来新的变革21,34,将来的探测器技术,固体探测器：,闪射体光敏二极管光电倍增管,光敏二极管进行射线定位,每个组块一个光电倍增管测定能量和定时,可以使用价格较便宜的针状二极管,闪射体光敏二极管（无光电倍增管）,光敏二极管完成全部定位、能量和定时功能,要求使用昂贵的雪崩光敏二极管，成本较高,直接转换型探测器,要求研究一种高密度、高阻断能力的材料,22,22,PET,的数据采集,正电子湮灭作用产生的湮灭,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,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,光子对，从而被符合电路记录时间窗排除了很多散射光子的进入23,PET,影像的重建,传统的PET重建将LOR探测到的计数等权重地分配到LOR的全部路径上,TOF则将探测到的计数按照不同的权重分配到与时间分辨率相对应的LOR路径上,有效地降低了噪声的传播。

采用TOF技术后,信噪比的提高与时间分辨率所对应的路径长度成反比,获得同样的图像质量,TOF-PET所需要的事例数要远远小于非TOF-PET的24,总结与展望,在PET应用中,无论何种探测器,其未来的发展方向都要提高空间、时间分辨率和灵 敏 度,并 且满足多模式成像设备(PET/CT和PET/MRI)的设计需求,研究高性能闪烁晶体和光电探测器、实现TOF和DOI技术成为关键在当前及未来相当长的时期内,最有前途且占统治地位的探测器仍将是基于闪烁晶体的探测器半导体探测器虽然能量分辨率很高,但阻止能力差,费用也较高,与闪烁晶体相比,整体上并无显著优势SiPM是具有最佳成本效益和高性能的光电探测器,闪烁晶体与SiPM结合,可实现多种DOI设计模式厚晶体板耦合SiPM光电探测器阵列,利用统计估算 法实现晶体中事件的3D定位,是很有潜力的探测器设计结构目前,TOF-PET已经商品化,但它的分辨率需要进一步提高,从而更有效地提升图像质量,其关键在于寻找具有最佳成本效益的快速闪烁晶体和光电传感器DOI技术还。