PET核医学成像原理分析

科技慵报开发与经济

文章编号：１００５－－６０３３（２００７）１８一０１６２一０２

ＳＣＩ－ＴＥＣＨＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ＆ＥＣＯＮＯＭＹ２００７年第１７卷第１８期

收稿日期：２００７—０３—１３

ＰＥＴ核医学成像原理分析

王亚丽

（山西长城微光器材股份有限公司，山西太原，０３００１２）

摘要：分析了ＰＥＴ（正电子计算机断层扫描）的成像原理、结构和性能指标，阐述了ＰＩ汀在核医学成像领域中的应用。

关键词：ＰＥＴ；医学成像；空间分辨率；时间分辨率中图分类号：Ｒ４４５

文献标识码：Ａ

没的位置、时间和能量信息。由于恶性肿瘤组织新陈代谢旺盛，吸收放射性药物比一般组织多，ＰＥＴ通过测量放射性药物的密度分布就可以确定恶性肿瘤组织的分布情况。

ＰＥＴ分子成像表达了生物学过程细胞分子水平上在活体中的显示和测量，能分析生物系统且不扰乱生物系统，还能对与疾病有关的分子改变进行量化后成像。ＰＥＴ用核谱学方法探测湮没辐射光子，可以得到有关物质微观结构的信息，它提供了一种非破坏性探测手段。２

ＰＥＴ（ＰｏｓｉｔｒｏｎＥｍｉｓｓｉｏｎＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ）ＯＩＩｔｅ６发射断层扫描仪，是当今世界最高层次的核医学技术，也是当前医学界公认的最先进的大型医疗诊断成像设备之一，已成为肿瘤、心、脑疾病诊断的不可缺少的重要方法。它是一种有较高特异性的功能显像和分子显像仪，除显示形态结构外，它主要是在分子水平上提供有关脏器及其病变的功能信息，适合于快速动态研究，具有多种动态显像方式。

许多疾病在解剖结构发生改变之前早已出现功能变化。此时在以解

剖结构改变为基础的ＸＣＴ，ＭＲＩ上尚不能发现任何病变，而ＰＥＴ采用了一些有特殊物理和生化特性的同位素，如：“Ｃ，１３Ｎ，ｔ５０，１｜Ｆ等，其特点是能

ＰＥＴ的主要性能指标

空间分辨率表明ＰＥＴ对空间的两个“点”的分辨能力。一个理想的放

够释放正电子，与体内代谢产物结合，与生命过程密切相关，半衰期短、代谢快、对人体无损伤。将这些发射正电子的放射性同位索标记在示踪化合物上，再注射到研究对象体内，这些示踪化合物就可以对活体进行

生理和生化过程的示踪，显示生物物质相应生物活动的分布、数量及时

２．１空间分辨率

射性点源放在ＰＥＴ的ＦＯＶ中，ＨＨ所得到的放射性分布图像并不是一

个点，丽是有一定扩展，所得到的是一个“球”，球的大小反映了ＰＥＴ的空间分辨能力。分辨率定义为该点源的扩展函数的半宽高。ＰＥＴ为三维成像，所以其分辨率用三个互相垂直方向上的半高宽来表示，即轴向分辨率（沿着探测器圆圈中心轴方向）、径向分辨率（沿中心轴任一半径方向）和切向分辨率（和在中心轴垂直平面任一半径的方向）。

空间分辨率主要取决于环形探测器的位置分辨。因为探测器为闪烁探测器。闪烁探测器单元的几何尺寸代表位置灵敏度，因此，从这方面讲闪烁晶体单元的几何尺寸越小越好。另外，点源放在视场ＦＯＶ中不同位置，其分辨率稍有不同，距ＦＯＶ中心越远，其分辨率越差，这是由探测器视差误差，即在ＦＯＶ中不同位置点源对探测器位置灵敏单元的不同视角造成的。２．２灵敏度

ＰＥＴ探测灵敏度常用单位体积内单位辐射剂量情况下探测器探测到的事例来表示。灵敏度越高表明在一定统计误差要求下，对特定脏器的放射性强度要求越低。ＰＥＴ的灵敏度是医生决定某种试验注射剂量和数据采集时间长短的重要估算依据之一。

影响灵敏度的主要因素有：第一，整个探测器被测物体所张的立体角。这个立体角扣除了探测器中非灵敏区晶体之间间隔所造成的死角部分。第二，探测器本身的探测效率，即探测器响应事例数与入射事例数的比例。第三，系统时间窗、能量窗大小。第四，系统的死时间。

间变化，以达到研究人体病理和生化过程的目的。

ＰＥＴ技术被称为“活体生化成像”，它可以从分子水平洞察人体内代

谢物的活动及生理、生化变化，可以更早期、灵敏、准确地诊断和指导治疗多种疾病。

ＰＥＴ是在分子水平上利用影像技术研究人体心脏和受体功能的最先进的手段，它在新药开发、研究等领域中已显示出卓越的性能。１

ＰＥＴ成像原理

正电子断层扫描仪将人体代谢所必需的物质如：葡萄糖、蛋白质、核

酸、脂肪酸等标记上具有正电子放射性的短寿命核素，制成显像剂（如氟

代脱氧葡萄糖）注人人体后进行扫描成像。因为人体不同组织的代谢状

态不同，所以这些被核素标记了的物质在人体的各种组织中的分布也不同。如在高代谢的恶性肿瘤组织中分布较多，这些特点能通过图像反映出来，从而可对病变进行诊断和分析。

经过标记了正电子放射性核素的药物注射人人体，它衰变时产生的正电子在人体组织中运动很短距离后（一般＜ｌｍｍ）和电子相遇而湮没，产生两个能量为５ｌｌｋｅＹ的相反方向发射的Ｙ光子。根据人体不同部位吸收标记化合物能力的不同，同位素在人体内各部位的浓聚程度不同，湮没反应产生光子的强度也不同，测量两个１光子就可以确定电子对湮

ＴｈｅＤｉａｇｎｏｓｉｓｏｆｔｈｅＳｏｉｌＮｕｔｒｉｅｎｔｏｆｔｈｅＯｒｃｈａｒｄｓｉｎＹａｎｇｃｈｅｎｇ

ＣｏｕｎｔｙａｎｄＳｏｍｅＩｍｐｒｏｖｉｎｇ

ＳＯＮＧ

Ｍｅａｓｕｒｅｓ

Ｂｉｎ，ＷＡＮＧＱｉａｎｇ，ＣＡＩ

Ｈｏｎｇ－ｂｉｎｇ

ｏｎ

ＡＢＳＴＲＡＣＴ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｒｕｉｔｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｉｎＹａｎｇｃｈｅｎｇＣｏｕｎｔｙ，ａｎａｌｙｚｅｓ

ｔｈｅｓｏｉｌ

ｎｕｔｒｉｅｎｔｏｆｔｈｅｏｒｃｈａｒｄｓｉｎＹａｎｇｃｈｅｎｇＣｏｕｎｔｙ，ａｎｄｉｎｔｈｅｌｉｇｈｔｏｆｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓ，ａｄｖａｎｃｅｓｓｏｍｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｍｅａｓＵｒｅｓ．ＫＥＹ

１６２

ＷＯＲＤＳ：ｏｒｃｈａｒｄ；ｓｏｉｌ

万方数据　

ｎｕｔｒｉｅｎｔ；ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ

王亚丽ＰＥＴ核医学成像原理分析

本刊Ｅ—ｍａｉｌ：ｂｊｂ＠ｍａｉｌ．ｓｘｉｎｆｏ．ｎｅｔ

科技研讨

２．３时间分辨率

时间分辨率定义为：对已知好事例相对的两个探测器响应的时间差分布的半宽高。Ｂ＋湮没产生的两个光子可以认为同时到达相对的两个探测器，但由于探测器对．ｙ光子击中的响应速度有一定的波动范围，因而不能用非常小的时间窗来判选事例，时间窗的选定主要依据时间分辨率而定，时间窗选择应比时间分辨率稍大，一般以时间分布曲线的１／１０高宽来定。

能量甄别是排除散射事例的有力依据。因为散射事例中至少有一个光子经过了康普顿散射，能量部分损失，因而可以根据被测光子的能量大小决定好坏事例的取舍。和时间窗一样，系统能量分辨率的大小决定着能量窗的选择，好的能量分辨率可以选择较小的能量窗。３

静态采集；门控采集专门用于周期性运动过程，它依靠生理信号（如心电图）同步动态数据的分帧和叠加过程，将多个生物周期相同运动时相的事件累积起来，得到统计误差很小的动态图像；全身扫描则使探测器相对于病人从头运动到脚，把一段段的静态投影数据拼接起来，形成比ＰＥＴ轴向视野长的完整的全身静态图像，常用于药物的生物分布和癌转移检查；表模式采集则将每个湮灭事件的符合线位置、发生时刻和其他信息以数据表的形式逐个记录到存储器中。

３．３．２

ＰＥＴ的图像重建

ＰＥＴ以ＳＩＮＯ图的方式将探测器探测到的放射性信号存放于计算机

中，计算机以ＳＩＮＯ图为输入调用图像重建模块，计算出入体横切断层图像，用于后续的图像处理与临床分析。

图像重建包括解析法和迭代法。解析法是以中心切片定理为基础的反投影方法，常用滤波反投影法。迭代法是属于数值逼近算法，即从断层图像的初始计值出发，通过对图像的估计值进行反复修正，使其逐渐逼近断层图像的真实值。３．３．３数据校正

引起ＰＥＴ成像误差的因素很多：正电子类药物强度的快速衰变、高计数率造成的偶然符合、散射和人体吸收衰减的影响、死时间损失、探测器灵敏度不一致等，如果不加以校正，这些因素都会严重影响ＰＥＴ的成像质量，所以ＰＥＴ数据校正是图像处理的关键部分。现对其中的偶然符合和散射符合校正进行分析。

由于电子学的技术限制，不相关的两个．ｙ事件也有一定的概率出现在同一时间窗内，产生偶然符合输出，造成假的计数。此外湮没产生的．ｙ光子在到达探测器之前可能被散射，改变方向后被两个晶体条探测到，实际上湮没并不发生在这两个晶体条之间的连线上造成在错误的ＬＯＲ上的散射符合计数。为了减少偶然符合可采用闪烁光持续时间短的晶体、更快的电子学电路和尽量窄的符合时间窗。散射符合与病人体内的放射性分布、ＰＥＴ的设计、周围环境有关，难以精确测量和估计，所以我们在视野边缘没有放射性药物的地方测量符合计数率，根据散射符合事件分布比较均匀的特点，外推估计视野中的散射符合成分，将其从原始投影数据中扣除。

ＰＥＴ的基本结构

ＰＥＴ是由封闭多环型探测器、电子前端放大与符合系统、计算机系

统以及检测床构成。

３．１新的闪烁材料及相关技术

ＰＥＴ的探测器由闪烁晶体和光电倍增管组成，其中闪烁晶体性能好

坏决定探测器的性能好坏，ＬＳＯ晶体以其明显优于ＮａＩ（Ｔ１）和ＢＧＯ的性能引起了人们的极大关注。

ＬＳＯ对５１１ｋｅＹ的１光子有很大的阻止能力，而且光输出量很大，衰减时间最短，非常适合于作ＰＥＴ探测器。ＬＳＯ和ＹＳＯ等晶体组成双层或多层ＰＥＴ探测器，发生在晶体每层的闪烁事件靠脉冲波形（衰减时间长短）来识别。ＬＳＯ还能与ＭＣ—ＰＭＴ（多通道光电倍增管）组成光纤耦合

ＰＥＴ探测器，主要用在高分辨率的ＰＥＴ上。

３．２电子前端放大与符合系统

放射性核素衰变产生的正电子在体内运行很短距离（＜ｌｍｍ）后与人体组织发生湮没作用，每次湮没产生一对运动方向相反的５１１ｋｅＹ的＿ｙ光子，当标记有发射正电子的放射性核素的示踪化合物注射到患者体内后，就可以在ＰＥＴ的探测器中探测到一对５１１ｋｅＶ的１射线的“符合事例”。ＰＥＴ的探测器在探测一个Ｙ光子事件时会产生一个定时脉冲，这些

脉冲被结合到符合电路中，如果脉冲落在一个很短的时间窗口之内就认

为符合，每个“符合事件”都被赋予～个连接两个相关探头的响应线（ＬＯＲ）。通过这种方式可从探测的射线得到位置信息而无需物理准值器，它通常称为电子准直。

４结论

（１）正电子断层扫描仪已广泛用于人体内部血流或代谢的三维显像，其空间分辨率可达到３Ｉｎｌｎ一５ｎｌｌｎ。ＰＥＴ被誉为医学科技之冠，它打开了揭露大脑奥秘的窗口。人的思维、情绪等大脑意识所影响的大脑皮层

符合电路确认进入同一时间窗口内的“符合事件”来自一次湮没。这

些“符合事件”按各个规定投影面储存，然后经过断层重建技术重建，重建的图像显示了示踪剂在人体内的分布。３．３断层成像系统

ＰＥＴ采用围绕人体周围的探测器系统获取数据。通过数学运算，从这些投影数据重建出物体内选定层面的图像。计算机及相应各个软件包完成数据采集、系统临近与校正、图像重建和图像处理，并实现临床的各种诊断要求。

３．３．１投影数据的组织与采集

ＰＥＴ探测人体发出的放射性信号形成投影线，将各条响应线按平行束或扇形束组织起来，就可以重建放射性药物分布的断层图像。

ＰＥＴ的数据采集方式有多种：静态采集是将探测到的湮没事件按ＬＯＲ进行计数存放在一个投影数据矩阵里，从它能重建一组静态的断层图像；动态检查用来观察放射性药物的运动过程，它实际是一组相继的

中细微的糖代谢、血流等变化都能被ＰＥＴ检测到，并产生出不同的图像。

（２）ＰＥＴ不仅是检查和指导治疗脑部疾病、心脏病及肿瘤的最优的一种工具，也是研究医药学基本理论及实际问题的有力手段。

（３）由于正电子衰变核素的半衰期非常短，所以ＰＥＴ设备附近需建

立正电子类放射性药物制备系统，它由医用回旋加速器、生化合成器和控制计算机组成，设备昂贵，这也是ＰＥＴ临床检测项目价格昂贵的一个原因。

（责任编辑：刘翠玲）

第一作者简介：王亚丽，女，１９７１年７月生，１９９４年毕业于太原工业大学计算机科学与工程系，工程师。山西长城微光器材股份有限公司，山西省太原市南内环街２１２号，０３００１２．

Ａｎａｌｙｓｉｓ

ＰＥＴ（ＰｏｓｉｔｒｏｎＥｍｉｓｓｉｏｎＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ）

ＮｕｃｌｅａｒＭｅｄｉｃａｌＩｍａｇｅ－ｆｏｒｍｉｎｇＰｒｉｎｃｉｐｌｅ

ｏｎ

ＷＡＮＧ

ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓ

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Ｙａ．１ｉ

ｔｈｅｉｍａｇｅ－ｆｏｒｍｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ

ｉｎｄｅｘｏｆＰＥＴ，ａｎｄｅｘｐｏｕｎｄｓ

ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＰＥＴｉｎｔｈｅｎｕｃｌｅａｒｍｅｄｉｃａｌＫＥＹ

ｉｍａｇｅ－ｆｏｒｍｉｎｇｆｉｅｌｄ．

ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ；ｔｉｍｅｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ

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ＷＯＲＤＳ：ＰＥＴ；ｍｅｄｉｃａｌｉｍａｇｅ－ｆｏｒｍｉｎｇ；ｓｐａｔｉａｌ

万方数据