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
2024-08-20
上海医疗器械展会Medtec这篇讲下基本成像过程、射线与物质的相互作用、设备结构、PET成像模式、符合类型。
物理过程回顾
放射性同位素标记的示踪剂在体内衰变，释放出正电子。这些正电子是带有正电荷的基本粒子。
释放的正电子在体内迅速与周围的电子相遇。当正电子与电子（两者具有相等的质量但相反的电荷）相遇时，它们会相互湮灭，这个过程遵循能量守恒和动量守恒定律。湮灭过程产生两个能量为511keV的伽马射线光子，这两个光子以180度角反向发射（近似）。
这其中两个重要的物理概念是湮灭距离和非共线性：
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PET/CT成像原理-物理、设备、图像重建（一）
湮灭距离和非共线性
射线与物质的相互作用
湮灭过程产生两个伽马射线光子，光电效应、康普顿散射和电子对效应是γ射线与物质相互作用时发生的三种主要过程：
光电效应：
当γ射线光子与原子内壳层（如K壳层）的电子相互作用时，如果光子的能量大于或等于电子的结合能，光子可以将其全部能量转移给该电子，导致电子从原子中被释放出来。这个过程称为光电效应。
康普顿散射：
康普顿散射发生在γ射线光子与原子中的自由电子或外层电子相互作用时。光子将部分能量转移给电子，导致光子方向改变并损失部分能量，而获得能量的电子则被弹射出来。
电子对效应：
当高能γ射线光子穿过高原子序数材料时，如果光子的能量足够高，它可以转化为一对正负电子。这个过程称为电子对效应。
γ射线在穿过吸收介质时，会经历上述三种过程之一或它们的组合（光电效应、康普顿散射和电子对对效应），这取决于它们的能量；或者它们在不发生任何相互作用的情况下穿过吸收体：
γ射线束在穿过吸收体时，会经历以下三种主要的相互作用过程：
光电效应（表示为”τ”）：γ射线光子将其全部能量转移给内层电子，导致电子被释放。
康普顿散射（表示为”σ”）：γ射线光子与电子相互作用，部分能量转移给电子，光子改变方向并损失能量，电子被弹射出来。
电子对效应（表示为” κ”）：在高能量下，γ射线光子转化为一对正负电子。
不同能量的γ射线在水（相当于人体组织）中的线性衰减系数。
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在较低能量下，光电效应是主要的衰减机制。
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随着能量的增加，康普顿散射开始占据主导地位。
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在更高能量下，电子对效应开始显著，尤其是在高原子序数的材料中。
设备结构
闪烁探测器是广泛使用的伽马射线探测器，构成了当今几乎所有PET扫描仪的基础。这些探测器由密集的晶体闪烁材料组成，作为伽马射线和高能光子的相互作用介质，当能量在其内部沉积时会发出可见光。然后这种光被某种形式的可见光光子探测器检测，并转换为电流：
和CT探测器类似，PET探测器也是非直接探测器，需要经过射线→可见光→光电转换器的变化。但是展示了极大临床价值的的光子计数CT的探测器却不适用于PET成像，这和CT与PET对探测器的需求不同有关，这将在单独的探测器篇幅中详细介绍。这里仅了解下探测器基本结构：由晶体和光电转换元件构成
展示了一个典型的PET探测器块（block detector）的示意图。上方为晶体，下方为光电倍增管：
探测器块：由闪烁体材料制成，可以是BGO（锗酸铋晶体）或LSO（硅酸镥晶体）。闪烁体被切割成8×8的阵列，使用金刚石锯进行分割。
反射材料：在锯切的缝隙中使用白色反射材料，以光学隔离各个元素。锯切的深度决定了闪烁光在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，用于检测闪烁体发出的光并转换为电信号。通过观察四个PMT中信号的比率，可以确定湮灭光子相互作用的探测器元素。
实物图，下方为晶体，上方为读出电子元件：
Amplifiers：放大器，用于增强探测器接收到的信号。
Position encoding：位置编码，用于确定信号发生的具体位置。
Gain compensation：增益补偿，用于调整信号强度，确保信号的准确性和一致性。
(GSO)晶体
一个完整的PET系统由大量探测器组成，通常采用环形几何结构围绕被成像物体布置。探测器可以是小块探测器或大面积位置敏感探测器，后者可能以多边形排列：
四种常见的PET扫描仪配置示意图。
A：固定块状环形系统。
B：旋转块状环形系统。
C：使用六个平板探测器的固定碘化钠（NaI(Tl)）系统。
D：使用弯曲连续面板的固定碘化钠（NaI(Tl)）系统。
现在基本全是环形啦~
只有某些”经济型PET”是用的SPECT＋符合电路进行正电子发射成像？所以没有完整的环形探测器结构，好像在哪里看到过。
在探测器环平面内的方向称为横向（transverse）或横断面（transaxial）。垂直于探测器环平面的方向（沿患者床方向）称为轴向（axial）。
现代PET扫描仪中，探测器在轴向上通常延伸15厘米或更多，以提高整体检测效率。可以通过堆叠多个探测器环或使用具有大轴向尺寸的二维连续探测器来实现，从而同时获取多层数据。
在由小块探测器构成的PET系统中，可能的符合组合数与探测器元素数量的平方成正比，因此不实用为每对探测器设置专用符合电路。探测器系统将寻找一个或多个对面探测器组中的符合事件，并在检测到符合事件后识别产生符合的探测器元素或位置。
PET/CT系统结构：
目前商用PET/CT系统集成了PET和CT单元，两者安装在同一支撑结构上，CT单元在前，PET单元在后。共享同一个机架和成像平台，扫描场中心之间有固定的距离：
当前商用PET/CT扫描仪设计示意图
以及孔径更小，分辨率更高的小动物PET:
动物PET
符合事件类型
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现实的，只能通过探测由电子对湮灭所产生的光子对来反映正电子湮灭时的位置。接收两个光子的两个探测器之间的连线称为符合线（line of response， LOR） ，湮灭事件的位置必定在这条直线上。
用两个探测器间的连线来确定湮灭地点方位的方法（不需要准直器）称为电子准直（electronic collimation）。这种探测方式则称为符合探测(coincidence detection）。
此时，PET系统就记录一个符合事件（coincidence event）。事实上，由于光子从发射到被转换为最后的脉冲信号经历了多种不确定的延迟，致使符合事件的两个光子被记录的时间间隔展宽了。该时间间隔称为符合窗（coincidence window）。只有在符合窗时间内探测到的两个光子，才被认为是来自同一湮灭事件。超过符合窗时间间隔所探测到的两个光子则被认为是来自两个湮灭事件而不予记录。
符合事件的三种类型：
显示了在符合检测中识别的事件类型。
真实事件将提供正确的湮灭位置定位；
如果其中一个或两个湮灭光子在组织中发生康普顿散射并改变方向，该事件就被认为是散射事件；
当两个独立的衰变各自贡献一个光子被探测到时，就发生了随机事件。
真实事件（True Events）：提供了正确的湮灭位置定位，是信号（signal）的一部分。
散射事件（Scatter Events）：当湮灭光子在到达探测器之前在组织中发生康普顿散射并改变方向时，该事件被认为是散射事件，属于背景（background）。
随机事件（Random Events）：当两个独立的衰变过程各自贡献至少一个光子被探测器检测到，并且这些事件在时间上接近，但不是真正的湮灭对，就被认为是随机事件，同样属于背景。
上海医疗器械展会Medtec认为散射和随机事件通过增加背景信号并降低对比度，降低了图像质量。
符合检测：
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符合检测通过能量分辨率和时间分辨率来表征，这两个参数量化了测量光子能量及其到达时间的不确定性。
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当光子击中探测器时，探测器会产生一个电子脉冲，然后通过积分这个脉冲来计算总的沉积能量。如果检测到的能量不是511 keV，该事件通常会被丢弃。
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每个检测到的事件都会被赋予一个数字“时间戳”，时间戳随后被发送到符合处理器，该处理器寻找相对探测器中的重叠符合事件。如果找到了另一个探测器的重叠时间戳，该事件就会被保留；如果没有找到，该事件就会被丢弃。
分辨率：
具有完美能量分辨率和时间分辨率的探测器理论上能够识别所有真实的符合事件，并排除任何散射或随机事件。然而，由于探测器的有限分辨率，在实践中这是不可能完全做到的。
采集模式
(A) 在环之间放置隔板进行二维（2D）数据采集，以获得避免随机和散射干扰的真实符合计数。连接在同一环中的探测器提供直接平面事件。然而，如图示，相邻环中的探测器连接后，可以获得交叉平面数据。
(B) 当隔板被移除时，进行三维（3D）数据采集，其中包括随机和散射事件以及真实事件。
二维（2D）扫描模式在PET成像中通过使用环形隔板来减少散射和随机光子的影响，从而提高图像的空间分辨率。这种模式下，探测器对之间的符合事件被限制在相邻环内，减少了散射光子的干扰，使得图像质量更清晰，但这也限制了探测器的灵敏度，通常在2%到3%之间。此外，2D模式通过连接相邻环的探测器对来生成交叉平面，虽然可以提升灵敏度，但会牺牲一些空间分辨率。
三维（3D）扫描模式则移除了环形隔板，允许探测器记录所有可能的符合事件，显著提高了灵敏度，大约是2D模式的4到8倍。这种模式下，探测器对之间的符合事件不再局限于相邻环，而是在整个扫描仪范围内被记录，从而增加了检测到的光子数量。然而，这也意味着更多的散射和随机光子被包括在内，可能会降低图像的空间分辨率。3D模式需要更复杂的数据处理和更多的计算机内存，因为需要处理的数据量大大增加。此外，3D模式的灵敏度在扫描仪的轴向中心最高，并向周边逐渐降低，这可能会影响图像的均匀性。
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.
文章来源：医学影像技术探索
