完美(中国)体育-上海医疗器械展会Medtec解读PET/CT成像原理-物理、设备、图像重建

上海医疗器械展会Medtec这篇讲下基本成像历程、射线与物资的彼此作用、装备布局、PET成像模式、切合类型。

物理历程回首

放射性同位素标志的示踪剂于体内衰变，开释出正电子。这些正电子是带有正电荷的基本粒子。

开释的正电子于体内迅速与周围的电子相遇。当正电子与电子（二者具备相等的质量但相反的电荷）相遇时，它们会彼此湮灭，这个历程遵照能量守恒及动量守恒定律。湮灭历程孕育发生两个能量为511keV的伽马射线光子，这两个光子以180度角反向发射（类似）。

这此中两个主要的物理观点是湮灭间隔及非共线性：

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PET/CT成像道理-物理、装备、图象重修（一）

湮灭间隔及非共线性

射线与物资的彼此作用

湮灭历程孕育发生两个伽马射线光子，光电效应、康普顿散射及电子对于效应是γ射线与物资彼此作历时发生的三种重要历程：

光电效应：

当γ射线光子与原子内壳层（如K壳层）的电子彼此作历时，假如光子的能量年夜在或者等在电子的联合能，光子可以将其全数能量转移给该电子，致使电子从原子中被开释出来。这个历程称为光电效应。

康普顿散射：

康普顿散射发生于γ射线光子与原子中的自由电子或者外层电子彼此作历时。光子将部门能量转移给电子，致使光子标的目的转变并丧失部门能量，而得到能量的电子则被弹射出来。

电子对于效应：

当高能γ射线光子穿太高原子序数质料时，假如光子的能量充足高，它可以转化为一对于正负电子。这个历程称为电子对于效应。

γ射线于穿过接收介质时，会履历上述三种历程之一或者它们的组合（光电效应、康普顿散射及电子对于对于效应），这取决在它们的能量；或者者它们于不发生任何彼此作用的环境下穿过接收体：

γ射线束于穿过接收体时，会履历如下三种重要的彼此作用历程：

光电效应（暗示为 τ ）：γ射线光子将其全数能量转移给内层电子，致使电子被开释。

康普顿散射（暗示为 σ ）：γ射线光子与电子彼此作用，部门能量转移给电子，光子转变标的目的并丧失能量，电子被弹射出来。

电子对于效应（暗示为  κ ）：于高能量下，γ射线光子转化为一对于正负电子。

差别能量的γ射线于水（相称在人体构造）中的线性衰减系数。

闪耀探测器是广泛利用的伽马射线探测器，组成了现今险些所有PET扫描仪的基础。这些探测器由密集的晶体闪耀质料构成，作为伽马射线及高能光子的彼此作用介质，当能量于其内部沉积时会发出可见光。然后这类光被某种情势的可见光光子探测器检测，并转换为电流：

及CT探测器近似，PET探测器也长短直接探测器，需要颠末射线→可见光→光电转换器的变化。可是展示了极年夜临床价值的的光子计数CT的探测器却不合用在PET成像，这及CT与PET对于探测器的需求差别有关，这将于零丁的探测器篇幅中具体先容。这里仅相识下探测器基本布局：由晶体及光电转换元件组成

展示了一个典型的PET探测器块（block detector）的示用意。上方为晶体，下方为光电倍增管：

探测器块：由闪耀体质料制成，可所以BGO（锗酸铋晶体）或者LSO（硅酸镥晶体）。闪耀体被切割成8×8的阵列，利用金刚石锯举行支解。

反射质料：于锯切的漏洞中利用白色反射质料，以光学断绝各个元素。锯切的深度决议了闪耀光于四个单通道光电倍增管（PMT）上的扩散。

光电倍增管（PMT）：探测器配备了四个单通道PMT，用在检测闪耀体发出的光并转换为电旌旗灯号。经由过程不雅察四个PMT中旌旗灯号的比率，可以确定湮灭光子彼此作用的探测器元素。

什物图，下方为晶体，上方为读出电子元件：

Amplifiers：放年夜器，用在加强探测器吸收到的旌旗灯号。

Position encoding：位置编码，用在确定旌旗灯号发生的详细位置。

Gain compensation：增益赔偿，用在调解旌旗灯号强度，确保旌旗灯号的正确性及一致性。

(GSO)晶体

一个完备的PET体系由年夜量探测器构成，凡是采用环形几何布局缭绕被成像物体安插。探测器可所以小块探测器或者年夜面积位置敏感探测器，后者可能以多边形摆列：

四种常见的PET扫描仪配置示用意。

 A：固定块状环形体系。 

B：扭转块状环形体系。 

C：利用六个平板探测器的固定碘化钠（NaI(Tl)）体系。 

D：利用弯曲持续面板的固定碘化钠（NaI(Tl)）体系。

此刻基本全是环形啦~

只有某些 经济型PET 是用的SPECT＋切合电路举行正电子发射成像？以是没有完备的环形探测器布局，似乎于哪里看到过。

于探测器环平面内的标的目的称为横向（transverse）或者横断面（transaxial）。垂直在探测器环平面的标的目的（沿患者床标的目的）称为轴向（axial）。

现代PET扫描仪中，探测器于轴向上凡是延长15厘米或者更多，以提高总体检测效率。可以经由过程重叠多个探测器环或者利用具备年夜轴向尺寸的二维持续探测器来实现，从而同时获取多层数据。

于由小块探测器组成的PET体系中，可能的切合组合数与探测器元素数目的平方成正比，是以不实用为每一对于探测器设置专用切合电路。探测器体系将寻觅一个或者多个对于面探测器组中的切合事务，并于检测到切合事务后辨认孕育发生切合的探测器元素或者位置。

PET/CT体系布局：

今朝商用PET/CT体系集成为了PET及CT单位，二者安装于统一支撑布局上，CT单位于前，PET单位于后。同享统一个机架及成像平台，扫描场中央之间有固定的间隔：

当前商用PET/CT扫描仪设计示用意

以和孔径更小，分辩率更高的小动物PET:

动物PET

切合事务类型

PET扫描仪的作用是确定正电子示踪剂的位置。但直接探测正电子是不实际的，只能经由过程探测由电子对于湮灭所孕育发生的光子对于来反应正电子湮灭时的位置。吸收两个光子的两个探测器之间的连线称为切合线（line of response， LOR） ，湮灭事务的位置肯定于这条直线上。

用两个探测器间的连线来确定湮灭所在方位的要领（不需要准直器）称为电子准直（electronic collimation）。这类探测方式则称为切合探测(coincidence detection）。

此时，PET体系就记载一个切合事务（coincidence event）。事实上，因为光子从发射到被转换为末了的脉冲旌旗灯号履历了多种不确定的延迟，导致切合事务的两个光子被记载的时间距离展宽了。该时间距离称为切合窗（coincidence window）。只有于切合窗时间内探测到的两个光子，才被认为是来自统一湮灭事务。跨越切合窗时间距离所探测到的两个光子则被认为是来自两个湮灭事务而不予记载。

切合事务的三种类型：

显示了于切合检测中辨认的事务类型。

真实事务将提供准确的湮灭位置定位；

假如此中一个或者两个湮灭光子于构造中发生康普顿散射并转变标的目的，该事务就被认为是散射事务；

当两个自力的衰变各自孝敬一个光子被探测到时，就发生了随机事务。

真实事务（True Events）：提供了准确的湮灭位置定位，是旌旗灯号（signal）的一部门。

散射事务（Scatter Events）：当湮灭光子于达到探测器以前于构造中发生康普顿散射并转变标的目的时，该事务被认为是散射事务，属在配景（background）。

随机事务（Random Events）：当两个自力的衰变历程各自孝敬至少一个光子被探测器检测到，而且这些事务于时间上靠近，但不是真实的湮灭对于，就被认为是随机事务，一样属在配景。

上海医疗器械展会Medtec认为散射及随机事务经由过程增长配景旌旗灯号并降低对于比度，降低了图象质量。

切合检测：

切合检测经由过程能量分辩率及时间分辩率来表征，这两个参数目化了丈量光子能量和其达到时间的不确定性。

当光子击中探测器时，探测器会孕育发生一个电子脉冲，然后经由过程积分这个脉冲来计较总的沉积能量。假如检测到的能量不是511 keV，该事务凡是会被抛弃。

每一个检测到的事务城市被付与一个数字“时间戳”，时间戳随后被发送到切合处置惩罚器，该处置惩罚器寻觅相对于探测器中的堆叠切合事务。假如找到了另外一个探测器的堆叠时间戳，该事务就会被保留；假如没有找到，该事务就会被抛弃。

分辩率：

具备完善能量分辩率及时间分辩率的探测器理论上可以或许辨认所有真正的切合事务，并解除任何散射或者随机事务。然而，因为探测器的有限分辩率，于实践中这是不成能彻底做到的。

收罗模式

(A) 于环之间放置隔板举行二维（2D）数据收罗，以得到防止随机及散射滋扰的真实切合计数。毗连于统一环中的探测器提供直接平面事务。然而，如图示，相邻环中的探测器毗连后，可以得到交织平面数据。

(B) 当隔板被移除了时，举行三维（3D）数据收罗，此中包括随机及散射事务以和真实事务。

二维（2D）扫描模式于PET成像中经由过程利用环形隔板来削减散射及随机光子的影响，从而提高图象的空间分辩率。这类模式下，探测器对于之间的切合事务被限定于相邻环内，削减了散射光子的滋扰，使患上图象质量更清楚，但这也限定了探测器的敏捷度，凡是于2%到3%之间。此外，2D模式经由过程毗连相邻环的探测器对于来天生交织平面，虽然可以晋升敏捷度，但会捐躯一些空间分辩率。

三维（3D）扫描模式则移除了了环形隔板，答应探测器记载所有可能的切合事务，显著提高了敏捷度，约莫是2D模式的4到8倍。这类模式下，探测器对于之间的切合事务再也不局限在相邻环，而是于整个扫描仪规模内被记载，从而增长了检测到的光子数目。然而，这也象征着更多的散射及随机光子被包括于内，可能会降低图象的空间分辩率。3D模式需要更繁杂的数据处置惩罚及更多的计较机内存，由于需要处置惩罚的数据量年夜年夜增长。此外，3D模式的敏捷度于扫描仪的轴向中央最高，并向周边逐渐降低，这可能会影响图象的匀称性。

参考文献：

“PET: Physics, Instrumentation, and Scanners”.  Simon R. Cherry and Magnus Dahlbom.

Basics of PET Imaging Physics, Chemistry, and Regulations .Gopal B. Saha.

Basic Science of PET Imaging .Magdy M. Khalil.

Advances in PETThe Latest in Instrumentation, Technology, and Clinical Practice .Jun Zhang and Michael V. Knopp.

文章来历：医学影像技能摸索

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