PET/CT的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

楊星，賈峰濤，任慶余

白求恩國(guó)際和平醫(yī)院 核醫(yī)學(xué)科PET中心，河北 石家莊 050082

PET/CT的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

楊星，賈峰濤，任慶余

白求恩國(guó)際和平醫(yī)院 核醫(yī)學(xué)科PET中心，河北 石家莊 050082

目前，PET/CT是最先進(jìn)的分子影像設(shè)備，具有很高的臨床應(yīng)用價(jià)值。本文從采集方式、晶體技術(shù)、CT技術(shù)、圖像重建、圖像融合等方面介紹了PET/CT技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。[關(guān)鍵詞] PET/CT；分子顯像設(shè)備；圖像融合

20世紀(jì)70年代正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層掃描儀（positron emission tomography，PET）研制成功并逐漸投入臨床使用[1]，使影像診斷設(shè)備發(fā)生了革命性的進(jìn)步。PET圖像顯示人體內(nèi)部分子代謝活動(dòng)，是當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的分子顯像設(shè)備，它實(shí)現(xiàn)了活體分子功能代謝顯像，為腫瘤等疾病的早期診斷提供了非常有效的手段[2-3]。但傳統(tǒng)PET設(shè)備因其不能提供足夠清楚的解剖結(jié)構(gòu)圖像而產(chǎn)生病灶精確定位困難等問(wèn)題，于是廠家在工作站內(nèi)安裝了與CT掃描的圖像進(jìn)行異機(jī)的圖像融合軟件以解決上述問(wèn)題。隨著臨床需求的不斷增加和技術(shù)的快速發(fā)展，1998年P(guān)ET/CT問(wèn)世了，它將PET和CT安裝在同一個(gè)機(jī)架內(nèi)，盡管分別在各自的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和圖像重建，但受檢者一次完成PET和CT檢查，實(shí)現(xiàn)了同機(jī)圖像融合[4-6]。

目前，PET/CT各種技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，以追求更快的采集速度和更高的圖像質(zhì)量。本文就從采集方式、晶體技術(shù)、CT技術(shù)、圖像重建、圖像融合等方面進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1 采集方式

在傳統(tǒng)的PET/CT中，一般采用2D模式采集。2D采集時(shí)探頭環(huán)與環(huán)之間放置了鉛或鎢等材料做成的隔離片，主要是為了防止軸向視野上發(fā)生錯(cuò)環(huán)符合事件，由于鉛柵的阻隔，有相當(dāng)一部分的符合事件被阻擋，造成了系統(tǒng)靈敏度的不足。隨著電子準(zhǔn)直技術(shù)的應(yīng)用，PET省去了笨重的鉛柵，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的3D采集。電子準(zhǔn)直是利用湮滅輻射產(chǎn)生在一條直線上，對(duì)方向相反的兩個(gè)γ光子，用兩個(gè)相對(duì)探測(cè)器來(lái)確定閃爍點(diǎn)位置的一種方法，它的應(yīng)用使得探測(cè)器軸向視野明顯增大，采集信息明顯增多。應(yīng)用3D采集模式后，靈敏度是原來(lái)2D采集的10倍以上，大大節(jié)省了采集時(shí)間[7]。

2 晶體技術(shù)

晶體的作用是將湮滅輻射發(fā)生的光子轉(zhuǎn)換為可見光，并通過(guò)光電倍增管轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，晶體的選擇決定了PET/ CT的時(shí)間分辨率，更決定了PET/CT的采集速度。晶體的性能是由它的密度、原子序數(shù)、能量分辨率、光輸出量和衰減時(shí)間來(lái)決定的[8]。早期的PET一般采用碘化鈉（NaI）晶體和鍺酸鉍（BGO）晶體，到了后期逐步選用有硅酸釓（GSO）晶體和硅酸镥（LSO）晶體、硅酸镥銥（LYSO）晶體和最近發(fā)布的基于镥元素的混合（LBS）晶體。

表1 列出了前4種晶體的性能指標(biāo)。

表1 PET晶體性能指標(biāo)

3 CT技術(shù)

CT技術(shù)的發(fā)展從1972年第一代CT誕生已經(jīng)發(fā)展到了第五代技術(shù)，由單層螺旋CT發(fā)展到了320層甚至更高層，掃描速度由300s/幅提高到了0.4s/幅，空間分辨率由1mm提高到了0.3mm。而PET-CT中的CT部分也采用了高靈敏度半導(dǎo)體探測(cè)器、大熱容量球管等技術(shù)，大大提高了PET/CT的性能?，F(xiàn)在已經(jīng)有廠家在追求低劑量、高品質(zhì)CT，輻射劑量比常規(guī)可減少80%，空間分辨率可以提高35%～50%[9-10]。

4 圖像重建

圖像重建是指將PET采集到的信息通過(guò)一定的計(jì)算方法重新建立診斷用圖像的關(guān)鍵技術(shù)。

早期的PET一般采用濾波反投影法（filtered back projection，F(xiàn)BP），它屬于解析變換方法。其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，重建速度較快，易于臨床實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是得到的PET圖像噪聲較高，分辨率和定位精度較差。

有序子集最大期望值法（ordered subsets expectation maximization，OSEM），其基本思路是將全部投影數(shù)據(jù)劃分為多個(gè)子集，每使用一個(gè)子集的數(shù)據(jù)全部像素則被更新一次，所有子集輪流使用一遍完成一次迭代。這種重建方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠更好的消除偽影，可更好的進(jìn)行空間分辨率不均勻性的校正、物體幾何形狀約束、平滑性約束等控制迭代操作。

傳統(tǒng)的PET圖像由于受到探測(cè)器深度的影響，視野中心的圖像清晰，而距離中心越遠(yuǎn)，圖像則越模糊，高清技術(shù)（High Distinction，HD）能提高圖像的清晰度。這項(xiàng)技術(shù)是在快速晶體LSO以及超高速電子線路的基礎(chǔ)上應(yīng)用了點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（point spread function，PSF）。點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)用于描述一個(gè)圖像系統(tǒng)對(duì)于一個(gè)點(diǎn)源或點(diǎn)物體的響應(yīng)。在傳統(tǒng)PET技術(shù)中，如果光子來(lái)自視野中心，則響應(yīng)線就可以準(zhǔn)確的落在光子所進(jìn)入的晶體上，如果光子離中心越遠(yuǎn)，則響應(yīng)線位置的計(jì)算就越不準(zhǔn)確，圖像就越模糊。HD技術(shù)整合了數(shù)百萬(wàn)個(gè)精確測(cè)量的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)并將響應(yīng)線與它們的真實(shí)幾何位置準(zhǔn)確對(duì)位，使得整個(gè)視野內(nèi)部都可以提供更清晰的圖像，同時(shí)也可以提供微小病灶的清晰影像。

飛行時(shí)間技術(shù)（Time of Flight，TOF）于20世紀(jì)60年代提出，在20世紀(jì)80年代成熟，是PET技術(shù)主要發(fā)展方向之一。核醫(yī)學(xué)之父Wagner教授曾經(jīng)指出：“TOF PET已經(jīng)成為PET未來(lái)發(fā)展的方向”。TOF是通過(guò)測(cè)定正電子湮滅時(shí)發(fā)出的一對(duì)光子到達(dá)探測(cè)器時(shí)間的不同而直接計(jì)算出湮滅發(fā)生的具體位置。具體而言，一臺(tái)時(shí)間分辨率在500ps的TOF-PET，它的正電子閃爍事件定位精度可以在7.43cm以內(nèi)，而傳統(tǒng)技術(shù)是70cm內(nèi)，從而極大的降低了圖像的噪聲水平，這樣通過(guò)圖像的信噪比的提高達(dá)到改善圖像質(zhì)量的效果[11]。目前，TOF技術(shù)無(wú)法提高PET的分辨率，也無(wú)法解決遠(yuǎn)離視野中心圖像分辨率下降的問(wèn)題，但是它能夠提高圖像對(duì)比度，從而改善大體重患者PET圖像的質(zhì)量[12]。TOF技術(shù)還可以顯著減少采集計(jì)數(shù)的丟失，提高系統(tǒng)靈敏度，減少患者的注射藥量，從而降低對(duì)受檢者的輻射劑量。

TOF技術(shù)的發(fā)展，使得用于臨床和研究中的PET設(shè)備已經(jīng)從技術(shù)上劃分為不帶TOF功能的PET和具有TOF功能的PET兩種類型。TOF技術(shù)的發(fā)展，對(duì)影響其發(fā)展的晶體要求也越來(lái)越高，因此快速采集晶體的發(fā)展已是必然趨勢(shì)。目前TOF-PET的系統(tǒng)時(shí)間分辨率一般在500ps，對(duì)正電子的定位精度已經(jīng)可以達(dá)到7cm，衰減時(shí)間短的LSO晶體和LYSO晶體越來(lái)越受到青睞。如果采用LaBr3（溴化鑭）晶體，TOF-PET的系統(tǒng)時(shí)間分辨率可以達(dá)到300ps以內(nèi)，那么正電子的定位精度將更小，圖像質(zhì)量和掃描速度將會(huì)得到進(jìn)一步提升。理論上，TOF-PET的系統(tǒng)時(shí)間分辨率達(dá)到20ps，晶體切割合理，正電子的定位精度將可以達(dá)到3mm，PET將徹底去除圖像重建的需要。

5 圖像融合

PET/CT是PET和CT兩種掃描方式的融合，其圖像的生成是通過(guò)軟件將PET和CT獨(dú)立產(chǎn)生的兩種圖像配準(zhǔn)進(jìn)行融合得到的。雖然兩次掃描在同一檢查床上完成，但圖像融合的精度仍然受到掃描床的位移、人體器官的位移等因素影響。

由于PET和CT的檢查床板伸出的長(zhǎng)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，從而影響對(duì)位的精度。為了盡量減小掃描床位移所造成的影響，有的公司采用了雙層擱板托架技術(shù)，有的采用了底座驅(qū)動(dòng)單支點(diǎn)懸臂式技術(shù)，有的采用了雙位抽屜技術(shù)，都極大降低了兩種檢查掃描床位移引起的對(duì)圖像融合精度的影響。

常規(guī)CT掃描一般要求受檢者屏氣，掃描周期一般為秒級(jí)，而PET掃描允許受檢者保持平穩(wěn)呼吸，掃描周期為分鐘級(jí)。這樣由于呼吸運(yùn)動(dòng)使得受檢者臟器位移十分明顯，對(duì)融合精度的影響也最大，許多廠家都采用了多門控、多時(shí)相技術(shù)來(lái)解決這一問(wèn)題。Motion Free技術(shù)能夠?yàn)榕R床提供全身掃描的多門控、多時(shí)相、多床位的采集模式和處理方法，它是通過(guò)呼吸門控觸發(fā)器提供的信息為標(biāo)志，使得PET與CT的圖像到達(dá)更完美的匹配。該技術(shù)讓病人能夠在平穩(wěn)呼吸運(yùn)動(dòng)下獲得精確的融合圖像，提高SUV準(zhǔn)確性，去除偽影。

圖像融合技術(shù)的真正突破有賴于PET/CT機(jī)架一體同機(jī)融合[13]。目前，PET/CT雖然都叫機(jī)架一體，但實(shí)際上PET和CT依舊是分開的，并沒有達(dá)到共同的探測(cè)器、共同的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，以及共同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。而半導(dǎo)體探測(cè)器具有高的固有靈敏度、分辨率，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)X射線和γ射線共同成像，因此代表了PET探測(cè)器新的發(fā)展方向。隨著碲化鎘（CdTe）探測(cè)器等各種半導(dǎo)體探測(cè)器的研究發(fā)展和應(yīng)用，可以直接利用這種技術(shù)開發(fā)X射線+γ射線的新型探測(cè)器[14]，直接達(dá)到PET和CT同時(shí)采集，同時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)真正意義上完全同步采集處理，徹底解決因?yàn)椴杉瘯r(shí)差和位差帶來(lái)的圖像偽影等問(wèn)題。

[1] 李少林,王榮福.核醫(yī)學(xué)[M].7版.北京:人民衛(wèi)生出版社,2008.

[2] BockischA,BeyerT,AntochG,et al.Principles of PET/CT and clinical application[J].Radiology,2004,44(11):104.

[3] KapoorV,McCookBM.A introduction to PET/CT imaging [J]. Radiographics, 2004,24(2):523-543.

[4] Townsend DW,Carney JP,Yap JT.PET/CT today and tomorrow[J].J Nuel Med,2004,45(1):4-14.

[5] 林祥通.國(guó)內(nèi)正電子發(fā)射斷層（PET）現(xiàn)狀和展望[J].核技術(shù),2003,26(5):353-357.

[6] 吳文凱.正電子發(fā)射成像儀的進(jìn)展[J].現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像,2004,2(6): 29-33.

[7] 田嘉禾.PET、PET-CT診斷學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社醫(yī)學(xué)出版分社,2007.

[8] 賈峰濤,楊星,張林,等.PET閃爍晶體性能比較[J].醫(yī)療設(shè)備信息,2005,20(10): 26,44.

[9] 毛樹偉,和耐秋,劉俊明,等.淺談CT技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].醫(yī)療設(shè)備信息,2005,20(8):33-34.

[10] 劉勇.CT技術(shù)的發(fā)展[J].中國(guó)計(jì)量,2005,11(7):23-25.

[11] Surti S,Kuhn A,Werner M E,et al.Performance of Philips Gemini TF PET/CT scanner with special consideration for its time-of-flight imaging capabilities[J].J Nucl Med,2007,48(3):471-480.

[12] 王文艇,錢鋒.PET/CT技術(shù)進(jìn)展[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2009,24(8): 1-4,32.

[13] 李立偉.PET/CT技術(shù)與綜合影像診斷[J].中華核醫(yī)學(xué)雜志,2003,26(6):25-28.

[14] 黃勇,楊磊,楊汝基,等.碲化鎘（CdTe）探測(cè)器的原理及醫(yī)學(xué)應(yīng)用[J].上海生物醫(yī)學(xué)工程,2005,26(4):221-225.

[15] L?csei Z,Hideghéty K,Farkas R,et al.Application of PET/ CT in The Radiotherapy of Patients with Non-small Cell Lung Cancer[J].Magy Onkol,2011,55(4):274-280.

Direction of Technique Development of PET/CT

YANG Xing, JIA Feng-tao, REN Qing-yu
The Center of PET, Department of Nuclear Medicine, Bethune International Peace Hospital, Shijiazhuang Hebei 050082, China

PET/CT is the most advanced molecular imaging equipment,it has the most value in clinic. This paper introduces the technical parameters from aspects of acquisition mode, crystal, CT, image reconstruction and image fusion. At last it prospects the future of the development of trend.

PET/CT; development; prospect

R734

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.02.015

1674-1633(2012)02-0051-02

2011-09-07

作者郵箱：jazz_jiaft@sina.com