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PET/CT 设备的成像原理及技术发展方向

阅读: 2016年09月07日

PET/CT 设备的成像原理及技术发展方向


内容提要:

  PET/CT 是正电子发射断层(PET)和 X 线 CT 同机融合的新型医学影像设备,它把剖解与功能影像有机的融为一体。本文对 PET/CT 系统构成及工作原理进行了概述,重点先容了 PET/CT 技术的发展状况及其未来发展趋势。

引言

  PET/CT 是将 PET 和 CT 有机结合起来的一种先进的核医学影像设备,CT 在 PET 中主要作用是剖解结构和定位,PET 可提供正电子放射药物的代谢信息,在检查结果上主要描述病变组织代谢功能的准确变化,及其与周围脏器和组织的关系,灵敏度高,有很强的功能显像优点。

1. PET/CT  概述

  PET 是英文名称 Positron Emission Tomogra-phy的缩写,即“正电子发射断层扫描仪”。在PET 扫描过程中,注入人体的放射性核素发生β+衰变产生正电子,正电子进一步与组织器官中的电子发生湮灭,产生一对具有 511KeV 但方向相反飞出的γ光子,PET 利用其封闭环绕型探测器阵列对这些背对背的光子进行符合测量(即电子准直),形成投影线,利用计算机处理投影数据进行图像重建求解出待测组织或器官的放射 性药物分布,以研究待测组织或器官的功能。PET 是在分子水平上利用影像技术研究人体组织代谢和受体功能的一种最先进的设备,已成为肿瘤、心及脑疾病诊断的一种最有效的方法,被誉为 20 世纪最伟大的十项发明之一。大多数疾病的生化变化先于剖解学的变化,因此 PET 能提供很多疾病在发展过程中的早期信息,可以进行超前诊断。比如癌症的葡萄糖代谢率比正常组织的代谢率高,据此就可从 PET 的葡萄糖代谢功能图像清楚地断定肿瘤的良恶性,是否已转移,以及较精确地定出癌症的范围等,以便较彻底地切除,从而减少复发率。尽管 PET 可以提供组织的代谢或功能信息,但 PET 的分辨率差,剖解定位差。

  CT(Computed Tomography)是最常用的医学结构成像设备之一,利用人体组织密度差进行成像,其空间分辨可达到亚毫米级。CT 虽然也能用于检测癌症,但只能用于疾病过程已经引起了较大的剖解学变化时的情况,如肿瘤发展较大,也就是大多发展到中晚期以后,才能检测出来。

  CT 与 PET 的有机结合可将剖解结构影像与功能 / 代谢 / 生化影像精确重叠显示,使医生获得最为全面的信息,这对疾病的诊断,尤其是对肿瘤的诊断、定位和治疗计划有很大帮助。一体化双模式 PET/CT 中,CT 和 PET 数据是在同一次扫描和同一坐标框架中采集的,从而提供了两种模式之间的准确的空间定位关系。

  另外,在 PET/CT 中 CT 还可提供 PET 的衰减校正。由于 CT 采集的统计量大,且在 1、2 分钟内即可完成,由此可直接得到足够精度的衰减校正系数,而传统的 PET 放射性棒源扫描则大概需要每床位几分钟到 10 分钟的时间。可见,使用PET/CT,整个病人扫描时间可明显缩短,这有利于减少运动伪影和减轻病人检查时的痛苦,特别是危重患者。在 PET/CT 中可利用 CT 的高分辨图像对 PET 可疑病灶进行剖解定位,可降低 PET显像中的假阳性,提高小病灶的检出率。

  由上可见,CT 与 PET 的有机结合可起到优势互补的作用,是一个 1 加 1 大于 2 的技术整合。大多数 PET/CT 产品也可以支撑单独 PET 与单独CT 操作使用,整个设备的利用效率高。

2. PET/CT 系统构成与工作原理

  PET/CT 系统集成了以下两种医学成像技术:用于剖解成像的计算机 X 射线断层扫描成像(CT)和用于功能成像的正电子发射断层摄影术(PET)。

  其中 CT 部分由操作台、检查床、X 射线控制器、高压发生器、X 射线管组件、CT 扫描架、图像处理硬件单元等组成;其App部分包括 CT数据采集与重建、CT 临床诊断、CT 数据库管理等App包。

  PET 部分由 PET 扫描架、探测器环、前端与符合电子学、数据采集与 PET 图像校正、重建、显示、融合与分析计算机等组成。

  PET/CT App部分还包括功能强大的后端图像融合 / 临床分析工作站,其具有图像融合与处理,显示诊断,数据库管理等功能。

  在 PET/CT 成像方案中,CT 图像是使用螺旋扫描技术获得的。在一次扫描过程中患者在同一扫描孔中移动,分别进行 CT 扫描和 PET 扫描。PET 采集可能将其中的几个轴向区域(床位)进行拼接,用于大范围(如躯干,多床位)成像。将患者安置在检查床上,通过移动检查床底座运动装置可将患者从 CT 图像面成像区移动到 PET成像区。

  PET/CT 系统中,由 CT 扫描获取病人平面像和断层图像,传输到 PET 子系统,为后续 PET 扫描提供床位规划,提供 PET 衰减校正所需的“衰减图像”,对 PET 图像进行基于 CT 图像的衰减校正(CTAC),完成 PET 图像和 CT 图像的融合。由于是“同机配准”,因而可获取配准精度很高的CT 和 PET 的融合图像,形成有效的 PET/CT 检查项。融合后的 PET/CT 图像数据传输到图像融合 / 临床分析工作站,该工作站有多种临床处理协议,如大脑静态协议、全身静态协议等,可方便对不同类型病人图像数据进行处理、融合、诊断与定量分析,具有 DICOM3 输出功能,可输出病人数据、打印报告与胶片。

3. PET/CT 的发展方向

  PET/CT 是一种新的影像技术,是分子影像学的重要组成部分,它的作用和影响力才刚刚显现出来,其巨大应用潜力有待进一步实践和检验。PET/CT 的技术发展可以说是日新月异。10 年时间,PET 的晶体从 BGO 到 LSO、GSO 和 LYSO,CT 的排数也从双排进入 64 排、128 排。飞行时间技术(TOF)也应用到 PET/CT,成为商业产品。该技术随着晶体分辨时间的提高,将对 PET/CT的性能改进产生重大影响。另外,重建技术,扫描时间都在大大提高,过去 1h 的检查,现在可在10min,甚至 5min 内完成。PET/CT 在放射治疗中的应用已逐渐进入一个新的领域,用于生物靶区定位、生物调强放疗。与 PET 相融合的技术也在扩展,除了 PET/CT,还出现了 PET/MRI 的应用。但无论哪种融合,这些融合机型的本质仍为 PET,CT 和 MRI 仅是为了弥补 PET 剖解的不足,使其功能更加完美。还应强调的是,任何一种影像技术或设备都是互补的,无法去取代另一种,PET/CT 也是如此,它不会被任何其他的影像技术取代,同时他也不能取代其他影像技术。

  目前,PET/CT 各种技术的发展突飞猛进,以追求更快的采集速度和更高的图像质量。下文就从采集方式、图像重建、图像融合等方面的技术发展趋势进行简要先容。

 3.1 采集方式

  在传统的 PET/CT 中,一般采用 2D 模式采集。2D 采集时探头环与环之间放置了铅或钨等材料做成的隔离片,主要是为了防止轴向视野上发生错环符合事件,由于铅栅的阻隔,有相当一部分的符合事件被阻挡,造成 了系统灵敏度的不足。随着电子准直技术的应用,PET 省去了笨重的铅栅,实现了真正意义上的 3D 采集。电子准直是利用湮灭辐射产生在一条直线上,对方向相反的两个γ光子,是用两个相对探测器来确定闪烁点位置的一种方法,它的应用使得探测器轴向视野明 显增大,采集信息明显增多。应用 3D 采集模式后,灵敏度是原来 2D 采集的 10 倍以上,大大节省了采集时间。

 3.2 图像重建

  图像重建是指将 PET 采集到的信息通过一定的计算方重新建立诊断用图像的关键技术。

  早期的 PET 一般采用滤波反投影法(filteredback projection,FBP),它属于解析变换方法。其优点是计算过程简单,重建速度较快,易于临床实现,缺点是得到的 PET 图像噪声较高,分辨率和定位精度较差。

  飞行时间技术(Time of Flight,TOF)于 20世纪 60 年代提出,在 20 世纪 80 年代成熟,是PET 技术主要发展方向之一。核医学之父 Wagner教授曾经指出:“TOF PET 已经成为 PET 未来发展的方向”。TOF 是通过测定正电子湮灭时发出的一对光子到达探测器时间的不同而直接计算出湮灭发生的具体位置。具体而言,一台时间分辨率在 500ps 的 TOF-PET,它的正电子闪烁事件定位精度可以在 7.43cm 以内,而传统技术是 70cm内,从而极大地降低了图像的噪声水平,这样通过图像的信噪比的提高达到改善图像质量的效果。目前,TOF 技术无法提高 PET 的分辨率,也无法解决远离视野中心图像分辨率下降的问题,但是它能够提高图像对比度,从而改善大体重患者PET 图像的质量。TOF 技术还可以显著减少采集计数的丢失,提高系统灵敏度,减少患者的注射药量,从而降低对受检者的辐射剂量。

  TOF 技术的发展,使得用于临床和研究中的PET 设备已经从技术上划分为不带 TOF 功能的PET 和具有 TOF 功能的 PET 两种类型。TOF 技术的发展,对影响其发展的晶体要求也越来越高,因此快速采集晶体的发展已是必然趋势。目前TOF-PET 的系统时间分辨率一般在 500ps,对正电子的定位精度已经可以达到 7cm,衰减时间短的 LSO 晶体和 LYSO 晶体越来越受到青睐。如果采用 LaBr3(溴化镧)晶体,TOF-PET 的系统时间分辨率可以达到 300ps 以内,那么正电子的定位精度将更小,图像质量和扫描速度将会得到进一步提升。理论上,TOF-PET 的系统时间分辨率达到 20ps,晶体切割合理,正电子的定位精度将可以达到 3mm,PET 将彻底去除图像重建的需要。

 3.3 图像融合

  PET/CT 是 PET 和 CT 两种扫描方式的融合,其图像的生成是通过App将 PET 和 CT 独立产生的两种图像配准进行融合得到的。虽然两次扫描在同一检查床上完成,但图像融合的精度仍然受到扫描床的位移、人体器官的位移等因素影响。

  由于 PET 和 CT 的检查床板伸出的长度不一致,因此受到的力矩大小也不相同,很容易造成床板下沉的角度不一致,从而影响对位的精度。为了尽量减小扫描床位移所造成的影响, 有的企业采用了双层搁板托架技术,有的采用了底座驱动单支点悬臂式技术,有的采用了双位抽屉技术,都极大降低了两种检查扫描床位移引起的对图像融合精度的 影响。

  图像融合技术的真正突破有赖于 PET/CT 机架一体同机融合。目前,PET/CT 虽然都叫机架一体,但实际上 PE 和 CT 依旧是分开的,并没有达到共同的探测器、共同的旋转平台,以及共同的计算机系统。而半导体探测器具有较高的固有灵敏度、分辨率,可以同时实现 X 射线和γ射线共同成像,因此代表了 PET 探测器新的发展方向。随着碲化镉(CdTe)探测器等各种半导体探测器的研究发展和应用,可以直接利用这种技术开发X 射线 +γ射线的新型探测器,直接达到 PET 和CT 同时采集,同时处理,实现真正意义上完全同步采集处理,彻底解决因为采集时差和位差带来的图像伪影等问题。

4. 总结

  随着临床应用的进一步普及和医学界对 PET/CT 成像的科学价值、应用前景达成广泛共识,可以预见,未来医学及生命科学的重大突破将在一定程度上依赖 PET/CT 技术及其发展,它将促进医学成像领域的一场新革命。

 




(编辑:佚名 来源:本站原创)
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