小動(dòng)物PET的現(xiàn)狀和研究進(jìn)展

朱虹 劉繼國(guó) 羅嵐

1 南京軍區(qū)南京總醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科（南京 210002）

2 山東麥德盈華科技有限公司（臨沂 276100）

3 江蘇國(guó)際旅行衛(wèi)生保健中心（南京 210001）

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，對(duì)人類疾病的研究都需要在動(dòng)物模型上實(shí)施，以了解疾病的分子生物學(xué)特征、發(fā)生發(fā)展規(guī)律與轉(zhuǎn)歸、診療藥物在體內(nèi)的代謝過(guò)程等，再將實(shí)驗(yàn)結(jié)果外推到人體。傳統(tǒng)的方法是將大量模型動(dòng)物分批、分時(shí)段處死、解剖，取組織器官以適當(dāng)?shù)臋z測(cè)手段觀察病理變化、分析功能狀態(tài)和生化、代謝過(guò)程。這種方法需要大量的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和反復(fù)多批次實(shí)驗(yàn)，代價(jià)高昂、費(fèi)時(shí)繁瑣，且存在動(dòng)物個(gè)體差異、分批次離體測(cè)量的時(shí)效和準(zhǔn)確性、檢測(cè)手段及其精確度等影響因素，對(duì)準(zhǔn)確反映所需觀察的體內(nèi)動(dòng)態(tài)過(guò)程有一定的局限性。因此需要新的工具和方法對(duì)活體實(shí)驗(yàn)動(dòng)物進(jìn)行觀測(cè)，近年來(lái)，將臨床醫(yī)學(xué)影像技術(shù)如CT，PET 等引入小動(dòng)物科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，為小動(dòng)物的活體影像觀察提供了重要的實(shí)驗(yàn)手段[1,2]。

PET（Positron emission computed tomography，正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層顯像儀）顯像技術(shù)利用示蹤原理和正電子符合探測(cè)技術(shù)，在組織細(xì)胞、亞細(xì)胞、分子水平顯示人體組織器官的功能改變、細(xì)胞代謝、分子結(jié)合與信息傳遞等生物學(xué)特征和生化代謝過(guò)程，可在出現(xiàn)臨床癥狀與體征、組織解剖學(xué)形態(tài)改變之前發(fā)現(xiàn)異常，有利于疾病的早期診斷。PET 技術(shù)應(yīng)用于臨床,在惡性腫瘤早期診斷與腫瘤分期分級(jí)、臨床療效評(píng)估與隨訪監(jiān)測(cè)，良、惡性病變鑒別，協(xié)助臨床治療方案決策和放療生物靶區(qū)確定等方面具有極為重要的作用，在心腦血管疾病、神經(jīng)變性性疾病、癲癇等的診斷有獨(dú)特價(jià)值[3]。在人體PET 成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上，研究發(fā)展了專門為小動(dòng)物顯像而設(shè)計(jì)制造的小動(dòng)物PET[4](也稱為microPET)，其空間分辨率大大提高，可達(dá)1mm 左右。小動(dòng)物PET 能夠在分子水平上無(wú)損、定量、動(dòng)態(tài)觀測(cè)小動(dòng)物的生理、生化反應(yīng)和代謝過(guò)程，在藥物研發(fā)、疾病研究以及基因顯像的領(lǐng)域有著不可替代的作用，已經(jīng)成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、分子生物學(xué)研究的重要工具。

1.小動(dòng)物PET的成像原理與結(jié)構(gòu)組成

1.1 小動(dòng)物PET 的成像原理

小動(dòng)物PET 的成像原理與臨床人體用PET的成像原理相同，即正電子放射性核素標(biāo)記的顯像劑引入小動(dòng)物體內(nèi)，參與其特定的生理生化反應(yīng)，正電子放射性核素衰變產(chǎn)生的正電子與組織中的負(fù)電子發(fā)生湮沒(méi)反應(yīng)，釋放能量相等(511keV)、飛行方向相反的兩個(gè)高能γ 光子，被360o環(huán)形排列探測(cè)器環(huán)上的180o相向探測(cè)器對(duì)捕獲，經(jīng)符合判選篩選出符合要求的光子對(duì)，將其發(fā)送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息處理和圖像重建，獲得顯像劑在小動(dòng)物體內(nèi)的空間、數(shù)量分布及其動(dòng)態(tài)變化圖像，并可通過(guò)特定數(shù)學(xué)模型定量分析所需要的生理參數(shù)[5]。

1.2 小動(dòng)物PET 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

小動(dòng)物PET 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與臨床人體PET相似[2]，主要包括三大部分，即探測(cè)器、電子學(xué)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)信息處理和控制系統(tǒng)。其中探測(cè)器包括環(huán)形排列的閃爍晶體陣列和光電轉(zhuǎn)換器件；電子學(xué)系統(tǒng)包括前端電子學(xué)和符合電子學(xué)；計(jì)算機(jī)信息處理和控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)對(duì)探測(cè)信息進(jìn)行進(jìn)一步處理、圖像重建和分析及整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。雖然臨床人體用PET 的空間分辨率已很好，可達(dá)4mm[6]，但要實(shí)現(xiàn)體積小的小動(dòng)物活體顯像，要求空間分辨率更高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、儀器體積小，因而對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、材料、性能等有更高的要求[7]。

2.探測(cè)器技術(shù)

探測(cè)器是PET 的關(guān)鍵組件，主要由高密度閃爍晶體、光電轉(zhuǎn)換元件（光電倍增管等）、信號(hào)放大處理元件等組成。其根本任務(wù)是阻止入射γ 光子并吸收其能量，產(chǎn)生可以被后繼電路處理的電信號(hào)，獲取γ 光子的能量、與晶體交互的時(shí)間和位置等信息。想要高效精確實(shí)現(xiàn)這個(gè)任務(wù),探測(cè)器必須具備以下基本性能[8～10]：(1)高阻止能力；(2)高空間分辨率；(3)高能量分辨率；(4)高時(shí)間分辨率；(5)造價(jià)便宜。探測(cè)器的性能優(yōu)劣直接決定著PET 系統(tǒng)的好壞。

2.1 閃爍晶體

閃爍晶體的作用是阻止入射γ 光子并吸收其能量，將看不見的高能γ 光子轉(zhuǎn)換成低能可見光。閃爍晶體的性能主要取決于晶體材料，其主要性能指標(biāo)包括光產(chǎn)額、發(fā)光衰減時(shí)間和吸收長(zhǎng)度等。其中光產(chǎn)額的高低直接決定了系統(tǒng)的空間和時(shí)間分辨率，發(fā)光衰減時(shí)間主要影響時(shí)間分辨率，吸收長(zhǎng)度則主要影響系統(tǒng)的探測(cè)效率。

常用的閃爍晶體主要有BGO、GSO、LSO和LYSO 等[11]，其主要性能指標(biāo)見表1。BGO 雖然發(fā)光少，無(wú)法進(jìn)行TOF（飛行時(shí)間）測(cè)量，然而由于其優(yōu)越的阻止能力和低廉的價(jià)格，仍然不失為常規(guī)PET 的理想材料。LSO 和LYSO 的成分和性能均非常接近，由于其在三個(gè)參數(shù)方面的優(yōu)良特性，目前被廣泛采用，包括GE、Siemens和Philips 等廠商的飛行時(shí)間PET，以及大部分小動(dòng)物PET 系統(tǒng)。GSO 主要應(yīng)用在Philips 的常規(guī)人體PET 中。LGSO 出現(xiàn)比較晚，應(yīng)用的系統(tǒng)較少，已知的商用系統(tǒng)里僅Gamma Medica Ideas 的labPET 采用這種晶體[12,13]。

2.2 光電轉(zhuǎn)換元件

PET 常用的光電轉(zhuǎn)換元件有三種：光電倍增管(Photomultiplier,PMT)，位置靈敏光電倍增管(Position Sensitive Photomultiplier,PS-PMT)和雪崩光電二極管(Avalanche Photodiode,APD)。

2.2.1 光電倍增管（PMT）

光電倍增管是一種對(duì)紫外光、可見光和近紅外光極其敏感的特殊真空管。它能使進(jìn)入的微弱光信號(hào)增強(qiáng)至原本的106倍，使光信號(hào)能被測(cè)量。光電倍增管是由玻璃封裝的真空裝置，其內(nèi)包含光陰極，幾個(gè)二次發(fā)射極和一個(gè)陽(yáng)極。當(dāng)光照射到光陰極時(shí)，光陰極向真空中激發(fā)出光電子，這些光電子按聚焦極電場(chǎng)進(jìn)入倍增系統(tǒng)，并通過(guò)進(jìn)一步的二次發(fā)射得到倍增放大，然后把放大后的電子流用陽(yáng)極收集作為信號(hào)輸出。

2.2.2 位置靈敏光電倍增管（PS-PMT）

顧名思義，指的是PMT 的陽(yáng)極輸出信號(hào)會(huì)因?yàn)楣庾訐糁泄怅帢O位置而變換的光電倍增管。傳統(tǒng)PMT 的陽(yáng)極輸出只有一個(gè)信號(hào)，而PS-PMT 的陽(yáng)極會(huì)輸出多個(gè)信號(hào)。例如Hamamatsu R8900 有12 個(gè)陽(yáng)極輸出信號(hào)，X 和Y 方向各有6 個(gè)，根據(jù)輸出信號(hào)可以把光陰極分成6×6=36 個(gè)區(qū)域。由于PS-PMT 的輸出已經(jīng)帶有位置信息，所以采用PS-PMT 耦合閃爍晶體陣列的方式，可以很簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)具有定位功能的PET 探測(cè)器。

2.2.3 雪崩光電二極管（APD）

雪崩光電二極管是一種半導(dǎo)體光檢測(cè)器件，其原理類似于光電倍增管。在加上一個(gè)較高的反向偏置電壓之后，利用雪崩擊穿效應(yīng)，可以在APD 中獲得一個(gè)大約100 倍的內(nèi)部電流增益。與PMT 或PS-PMT 相比，APD 的優(yōu)點(diǎn)是可以簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)更高的分辨率，因?yàn)榘雽?dǎo)體器件理論上更加容易做到小尺寸(1mm)，而PS-PMT 通常很難做到這么小的尺寸。APD 的缺點(diǎn)是其增益過(guò)小，一般PMT 或PS-PMT 的增益在106左右，而APD的增益只有100 左右，低10000 倍。過(guò)小的增益導(dǎo)致APD 的輸出信號(hào)一般需要接到ASIC 電路進(jìn)行電荷測(cè)量，而不能采用普通的商用放大器，否則輸出信號(hào)很容易湮沒(méi)在放大器的輸入/輸出噪聲里面。

表1.幾種常用的閃爍晶體

由于APD 的每個(gè)像素本身就非常小，因此將多個(gè)APD 組合在一起以后，實(shí)質(zhì)上就是具有位置靈敏功能，這就是所謂的PS-APD。此外，PSAPD 模塊不僅僅是多個(gè)APD 的組合，同時(shí)還會(huì)集成有位置編碼電路，以簡(jiǎn)化后續(xù)的電子學(xué)系統(tǒng)。

2.3 探測(cè)器綜合設(shè)計(jì)與性能

小動(dòng)物PET 探測(cè)器的綜合性能與閃爍晶體的尺寸和排列方式、光導(dǎo)、光電倍增元件類型及與晶體的整合方式等均有直接關(guān)系。

2.3.1 閃爍晶體與PMT 位置定位對(duì)應(yīng)模式

γ 光子擊中閃爍探測(cè)器后產(chǎn)生的閃爍熒光經(jīng)過(guò)光電倍增管轉(zhuǎn)換、放大為可測(cè)量的電信號(hào)，然后送到電子學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行處理。第一代PET 探測(cè)器即采用把單個(gè)閃爍晶體耦合在光電倍增管(PMT)上的辦法,它是在1951年Wrenn 和Sweet 首先提出的[14]。

現(xiàn)有的小動(dòng)物PET 探測(cè)器都是基于PS-PMT和APD 的設(shè)計(jì)方案。ClearPET 的小動(dòng)物PET 探測(cè)器采用最為簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方案[15,16]，即一個(gè)晶體對(duì)應(yīng)一個(gè)PS-PMT 上的一個(gè)位置。ClearPET 采用Hamamatsu R7900-M64，這是一款64 通道的PSPMT，圖1 是其示意圖[17]。其陰極分成8×8 的靈敏區(qū)，每個(gè)靈敏度大小2×2mm，相鄰靈敏區(qū)之間有0.3mm 的死區(qū)。ClearPET 的探測(cè)器采用的探測(cè)器陣列為8×8 的閃爍晶體陣列，晶體尺寸為2×2mm2。為了減少平行誤差，探測(cè)器采用了雙層設(shè)計(jì)，靠近PS-PMT 的一層采用發(fā)光較少的LuAP 晶體，在LuAP 晶體上面再放上一層LSO晶體，兩層的厚度均為8mm。

ClearPET 探測(cè)器設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是系統(tǒng)的空間分辨率受限于PS-PMT 的光陰極設(shè)計(jì)。由于R7900-M64 的光陰極靈敏區(qū)域?yàn)?×2mm2，導(dǎo)致ClearPET 只能采用2×2mm2的晶體尺寸。此外，由于PS-PMT 邊緣的死區(qū)很大，對(duì)靈敏度的影響也很大。

Siemens 的Inveon 探測(cè)器采用的PS-PMT 為Hamamatsu R8900-C12。通過(guò)增加錐形光導(dǎo)，在提高空間分辨率的同時(shí)避免了PS-PMT 邊緣死區(qū)的影響，提高了系統(tǒng)的靈敏度[18]。圖2 為Inveon探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖。Inveon 的探測(cè)器為20×20的LSO 晶體陣列，每個(gè)晶體大小為1.6×1.6mm，高度為10mm。而R8900-C12 的光陰極面積為23.5×23.5mm，通過(guò)采用錐形光導(dǎo)，成功的將晶體陣列耦合到PS-PMT 的光陰極上。這種方法在提高系統(tǒng)空間分辨率的同時(shí)降低了PS-PMT 邊緣死區(qū)的影響。并采用light-sharing 技術(shù)將20×20的LYSO 晶體陣列解析為6×6 的信號(hào)陣列。

圖1.ClearPET探測(cè)器

圖2.Siemens Inveon 探測(cè)器

2.3.2 閃爍晶體與APD 陣列對(duì)應(yīng)模式

采用APD 的小動(dòng)物PET 一度成為研究熱點(diǎn)，但是成功商業(yè)化的只有Gamma Medica Ideas的LabPET 系統(tǒng)。由于APD 本身的陣列尺寸很小，因此APD PET 一般簡(jiǎn)單采用類似于ClearPET 的探測(cè)器設(shè)計(jì)方法，即晶體和APD 單元一一對(duì)應(yīng)。一個(gè)特例是LabPET 的探測(cè)器，通過(guò)在同一個(gè)APD 表面耦合兩種不同衰減時(shí)間常數(shù)的閃爍晶體，達(dá)到提高空間分辨率的目的[12,19]。

圖 3.麥德盈華Metis探測(cè)器示意圖。左邊為晶體陣列和探測(cè)器陣列，右邊為實(shí)物照片。

2.3.3 閃爍晶體陣列與PMT 陣列對(duì)應(yīng)模式

山東麥德盈華公司研制的Metis 小動(dòng)物PET的探測(cè)器采用閃爍晶體陣列+ PMT 陣列的設(shè)計(jì)，是目前唯一采用PMT 陣列實(shí)現(xiàn)小動(dòng)物探測(cè)器方案（圖3）。閃爍晶體陣列由33×33 根1.736×1.736×15mm3的LYSO 晶體組成，PMT陣列則由4×4 支PMT 組成。相鄰的晶體之間用ESR 反射膜進(jìn)行隔離，通過(guò)調(diào)節(jié)每根LYSO 晶體在PMT 陣列上的光分布，從而達(dá)到識(shí)別每一根LYSO 晶體的目的。這樣的設(shè)計(jì)由于晶體數(shù)量多但尺寸小，有利于提高空間分辨力，能夠顯著降低成本而不損失探測(cè)器性能。為了提高探測(cè)器組裝的一致性，該公司設(shè)計(jì)了一體化的光導(dǎo)的解決方案。

3.電子學(xué)系統(tǒng)

小動(dòng)物PET 的電子學(xué)系統(tǒng)需要完成兩大功能：(1)伽馬射線的能量、位置和時(shí)間測(cè)量；(2)伽馬射線對(duì)的符合判選。

3.1 基于PS-PMT 的電子學(xué)系統(tǒng)

具體到實(shí)現(xiàn)上，針對(duì)不同的探測(cè)器設(shè)計(jì)，尤其是所采用的光電轉(zhuǎn)換器件，電子學(xué)系統(tǒng)的架構(gòu)會(huì)有較大的不同。絕大多數(shù)小動(dòng)物PET 系統(tǒng)都是基于PS-PMT 來(lái)設(shè)計(jì)的，Siemens 的Inveon 是其中一個(gè)代表。

Inveon 采用的PS-PMT 是Hamamatsu R8900-C12。R8900-C12 的陽(yáng)極輸出6 個(gè)X 和6 個(gè)Y 共12 個(gè)模擬信號(hào)[20,21]。 PMT 輸出的12 個(gè)信號(hào)首先通過(guò)ANGER 電路編碼成4 個(gè)模擬信號(hào)，然后送到ASIC 電路進(jìn)行信號(hào)成型和定時(shí)甄別，輸出4個(gè)模擬信號(hào)和一個(gè)觸發(fā)信號(hào)。觸發(fā)信號(hào)直接送到FPGA，模擬信號(hào)則送到100MHz、10bit 的ADC進(jìn)行數(shù)字化后，也送到FPGA。每塊FPGA板（Event Processing Module,EPM）處理4 個(gè)PS-PMT 的共16 路模擬信號(hào)（圖4）。一臺(tái)Inveon PET 里面有64 個(gè)PS-PMT，從而有256 個(gè)ADC 通道，分別由16 塊EPM 電路板進(jìn)行處理。

Inveon 的電子學(xué)系統(tǒng)為背板結(jié)構(gòu)。16 塊EPM的輸出是事件的位置、能量、時(shí)間信息通過(guò)背板連接送到符合電子學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行符合判選，最終得到符合事件對(duì)信息。

3.2 基于APD 的電子學(xué)系統(tǒng)

Gamma Medica Ideas 的labPET 是典型的基于APD 的PET 電子學(xué)系統(tǒng)[22,23]。LabPET 的最基本探測(cè)單元設(shè)計(jì)是一個(gè)APD 上面耦合兩根2×2×12mm3的LYSO 和LGSO 晶體（如圖5）。每個(gè)探測(cè)器環(huán)上面有192 個(gè)APD 探測(cè)單元。正常配置下的一臺(tái)labPET 有8 個(gè)探測(cè)器環(huán)，共1536個(gè)APD 探測(cè)單元，覆蓋約3.8mm 的軸向FOV。

圖4.Inveon PET的EPM電路

圖5.LabPET的信號(hào)處理電路

labPET 的電子學(xué)系統(tǒng)規(guī)模極為龐大。每個(gè)APD 探測(cè)單元對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的電荷靈敏放大器（CSP,Charge Sensitive Preamplifier）和一個(gè)ADC通道。這樣，整個(gè)系統(tǒng)的ADC 通道數(shù)多達(dá)1536 個(gè)。labPET 的每塊數(shù)據(jù)采集板能夠處理64 個(gè)APD 探測(cè)單元。每個(gè)探測(cè)器環(huán)需要的數(shù)據(jù)采集板數(shù)量為3 塊，整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集板則多達(dá)24 個(gè)。由于每個(gè)探測(cè)器環(huán)的軸向厚度只有4.5mm 左右，所以labPET 的電路板之間幾乎是完全貼在一起，導(dǎo)致了嚴(yán)重的散熱問(wèn)題。

造成APD PET 通道數(shù)極多的主要原因是APD 的低增益。由于APD 的增益只有PMT 的萬(wàn)分之一左右，輸出的信號(hào)極小，如果采用ANGER 邏輯來(lái)進(jìn)行通道復(fù)用，則信號(hào)很容易湮沒(méi)在放大器本身的輸入噪聲中，使得APD PET 只能采取每個(gè)APD 一個(gè)ADC 通道的方式。

3.3 基于晶體陣列和PMT 陣列的電子學(xué)系統(tǒng)

Metis 小動(dòng)物PET 的電子學(xué)系統(tǒng)采用如圖6所示的基于PMT 的電子學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。Divider Board 的作用是為PMT 提供工作電壓，其輸出信號(hào)送到ANGER Board，經(jīng)過(guò)ANGER 邏輯進(jìn)行位置編碼，得到能量信號(hào)E 和位置信號(hào)X、Y。前端電子學(xué)輸出的E、X 和Y 信號(hào)經(jīng)過(guò)電纜傳送到Decoding Board 上，進(jìn)行模數(shù)變換，得到事件的E、X 和Y 信息，然后經(jīng)過(guò)歸一化處理得到事件的擊中位置。各Decoding Board 的輸出送到Coincidence 系統(tǒng)進(jìn)行事件符合，符合成功的結(jié)果即為有效的γ 光子對(duì)。Lookup Table 板的作用是根據(jù)X 和Y 查找到其所對(duì)應(yīng)的晶體坐標(biāo)，以及該晶體的能量閾值，通過(guò)能量閾來(lái)進(jìn)行散射和堆積事例剔除。

圖6.基于PMT的PET的電子學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.圖像重建

PET 數(shù)據(jù)采集獲得的原始數(shù)據(jù)是被測(cè)物體內(nèi)正電子湮滅產(chǎn)生的兩個(gè)光子，分別被兩個(gè)探測(cè)器晶體捕捉到而產(chǎn)生的事件（稱為符合事件）序列。如果該序列（稱為list mode 數(shù)據(jù)）包括足夠多的事件，就能夠通過(guò)重建運(yùn)算構(gòu)造出被測(cè)物體內(nèi)的正電子衰變核素的分布。PET 重建算法主要有兩類，即解析法和迭代法。

4.1 解析法-濾波反投影法（FBP）

解析法是以中心切片定理為基礎(chǔ)的反投影方法，常用的是濾波反投影法（FBP,Filtered Back Projection），F(xiàn)BP 是最早的實(shí)用重建算法。濾波反投影法在投影數(shù)據(jù)不包含噪聲的時(shí)候可以準(zhǔn)確的重現(xiàn)示蹤劑在體內(nèi)的分布[24,25]。其基本原理是：首先對(duì)角度數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉變換，然后在頻域內(nèi)采用ramp 濾波器對(duì)重建矩陣的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，最后進(jìn)行反變換。在3D 采樣方式下，F(xiàn)BP 算法需要對(duì)投影數(shù)據(jù)首先做Reprojection或Rebin 處理，即將3D 采樣的投影數(shù)據(jù)重組為每層切面上的2D 數(shù)據(jù)，之后采用FBP 算法進(jìn)行重建，常用的重組算法如3D Reprojection(3D RP)和Fourier Rebinning（FORE）算法。

4.2 迭代法-有序子集最大似然法（OSEM）

迭代法是從假設(shè)的初始圖像出發(fā)，采用逐步逼近的方法，在某種最優(yōu)化準(zhǔn)則指導(dǎo)下尋找最優(yōu)解。在PET 中常用的迭代法包括最大似然法（Maximum Likelihood Expectation-Maximization，MLEM）和OSEM（有序子集最大似然法，Ordered Subset Expectation Maximization）算法[26,27]。MLEM 算法由于要收斂到理想的最優(yōu)化結(jié)果需要很大的迭代次數(shù)，現(xiàn)已很少使用。OSEM 是MLEM 算法的改進(jìn)，OSEM 算法將投影數(shù)據(jù)分拆為若干有序的子集，然后按照一定順序依次對(duì)子集進(jìn)行迭代，從而實(shí)現(xiàn)圖像重建。OSEM 算法對(duì)3D 采樣方式與2D 采樣方式的處理實(shí)際上并無(wú)區(qū)別，只是3D 采樣方式下要處理的數(shù)據(jù)量比2D 采樣方式大很多。OSEM 算法有兩種基本實(shí)現(xiàn)方式：sinogram based OSEM 和list mode based OSEM。前者將采集到的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成sinogram 然后重建圖像。后者通過(guò)直接對(duì)原始數(shù)據(jù)的符合事件迭代重建圖像。

一般來(lái)說(shuō)，F(xiàn)BP 算法運(yùn)算量小，速度快。而OSEM 算法運(yùn)算量大，精度要好于FBP，且低計(jì)數(shù)下的噪聲對(duì)重建圖像影響不大。相比之下，F(xiàn)BP 對(duì)噪聲的抑制能力比OSEM 弱?；谶@些原因，OSEM 算法現(xiàn)已成為PET 系統(tǒng)必備的主流重建算法，使用最為廣泛。

4.3 sinogram based OSEM 與list mode based OSEM

在3D 采樣方式下，sinogram based OSEM 因?qū)τ?jì)算機(jī)內(nèi)存的需求大大超過(guò)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的內(nèi)存容量，而不得不使用變通方法，如FORE+OSEM，先通過(guò)FORE 將3D 重建轉(zhuǎn)換成一組2D 圖像重建問(wèn)題，每個(gè)2D 圖像代表3D 圖像中的一層，然后使用2D OSEM 重建每層2D 圖像而獲得3D 圖像。

直接對(duì)原始數(shù)據(jù)流中的符合事件迭代的list mode based OSEM 算法則通過(guò)時(shí)間換空間的方法，對(duì)每個(gè)符合事件逐個(gè)迭代進(jìn)行圖像重建，無(wú)需sinogram，從而解決了內(nèi)存空間問(wèn)題。因來(lái)自同一晶體的符合事件被重復(fù)計(jì)算，其運(yùn)算量在高計(jì)數(shù)率時(shí)比sinogram based OSEM 大很多，因而速度很慢。通常需要使用并行運(yùn)算來(lái)減少運(yùn)行時(shí)間，提高實(shí)用性。

因?yàn)閘ist mode based OSEM 的運(yùn)算量正比于待處理的符合事件數(shù)量，當(dāng)計(jì)數(shù)較低時(shí)list mode based OSEM 反而較快。這提供了對(duì)于PET 動(dòng)態(tài)掃描方式進(jìn)行實(shí)時(shí)重建的可能性。動(dòng)態(tài)掃描每次時(shí)間較短，計(jì)數(shù)較少。使用現(xiàn)在的主流多核PC，list mode OSEM 重建與數(shù)據(jù)采集同時(shí)進(jìn)行，數(shù)據(jù)采集完成時(shí)重建也可能同時(shí)完成。因此，目前l(fā)ist mode based OSEM 重建算法成為研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。

5.常見小動(dòng)物PET及性能

20 世紀(jì)80年代中期，哈佛大學(xué)Massachusetts總醫(yī)院研制成功的PCR-1 為最早小動(dòng)物PET 掃描儀。90年代初，英國(guó)Hammersmith 醫(yī)院與美國(guó)CTIPET 系統(tǒng)公司合作研制成功第一臺(tái)專用于嚙齒類小動(dòng)物的小直徑PET 掃描儀RAT-PET。從90年中期起，國(guó)外多個(gè)國(guó)家已研制成功多種專用型小動(dòng)物PET 掃描儀并用于動(dòng)物顯像。

隨著晶體材料、探測(cè)技術(shù)、電子學(xué)、圖像重建及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，大量新技術(shù)應(yīng)用于小動(dòng)物PET 的研制，分辨率更高的小動(dòng)物專用PET不斷地被開發(fā)出來(lái)。美國(guó)電器制造商協(xié)會(huì)(NEMA)提出并發(fā)布了小動(dòng)物PET 圖像質(zhì)量評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)（其最新版為NEMA NU 4 Performance Measurements of Small Animal Positron Emission Tomographs -NEMA Standards Publication NU 4-2008）。該標(biāo)準(zhǔn)用于PET 系統(tǒng)的綜合性能評(píng)價(jià)并被業(yè)界廣泛接受。標(biāo)準(zhǔn)提出了空間分辨率、計(jì)數(shù)性能（散射分?jǐn)?shù)、噪聲等效計(jì)數(shù)）、靈敏度以及圖像質(zhì)量等定量化的性能參數(shù)。其中，空間分辨率和靈敏度是最為重要的兩個(gè)參數(shù)。空間分辨率代表系統(tǒng)能夠區(qū)分相鄰的點(diǎn)的能力，而靈敏度則指測(cè)試到真符合事件計(jì)數(shù)率和時(shí)間湮滅產(chǎn)生的γ 射線對(duì)計(jì)數(shù)率的比值，靈敏度越高，則說(shuō)明系統(tǒng)探測(cè)到的真符合越多。表2 為主要小動(dòng)物廠商的空間分辨率和靈敏度的對(duì)比[21～26]，可見目前的小動(dòng)物PET 的分辨率已經(jīng)達(dá)到了毫米級(jí)。

表2.主要設(shè)備廠商性能比較

計(jì)數(shù)性能是小動(dòng)物PET 另一重要性能指標(biāo)，包括了兩個(gè)主要參數(shù)，散射分?jǐn)?shù)和噪聲等效技術(shù)。散射分?jǐn)?shù)在指定的區(qū)域內(nèi)散射符合事例所占的比例；表3 為主要廠商設(shè)備通過(guò)對(duì)小鼠體模測(cè)量得到的散射分?jǐn)?shù)比較[28,31,33～35]，散射分?jǐn)?shù)越小說(shuō)明在探測(cè)到的符合事件對(duì)中散射符合越少，相應(yīng)的真符合比例越高，能得到更好的圖像質(zhì)量。山東麥德盈華公司研發(fā)的Metis 小動(dòng)物PET 的散射分?jǐn)?shù)已經(jīng)達(dá)到了6.8%，是表中最佳結(jié)果。噪聲等效計(jì)數(shù)（NEC）描述了達(dá)到相同圖像質(zhì)量時(shí)真符合事件的計(jì)數(shù)率。表4 為主要廠商的NEC 的比較[28,31,34]，NEC 越大說(shuō)明符合事例中真符合的比例越高，即散射符合和偶然符合越少。

圖像質(zhì)量是小動(dòng)物PET 性能評(píng)估的最為直觀的結(jié)果。NEMA 標(biāo)準(zhǔn)中主要用對(duì)特定體模圖像的均勻性描述。均勻性的主要參數(shù)為體模上設(shè)置的特定感興趣的最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差等參數(shù)。最大值和最小值表示因系統(tǒng)不均勻造成的個(gè)別像素偏離平均值的極端偏差，而以百分比表示的標(biāo)準(zhǔn)誤差表示整個(gè)感興趣區(qū)（VOI）內(nèi)整體的均勻度。表5 為主要設(shè)備的均勻性比較[28,33-35]。

表3.小鼠體模散射分?jǐn)?shù)表

表4.噪聲等效計(jì)數(shù)（NEC）表

表5.均勻性比較表

6.結(jié)語(yǔ)

小動(dòng)物PET 作為生物醫(yī)學(xué)研究的技術(shù)平臺(tái)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于疾病模型研究、基因工程與基因治療、藥物開發(fā)與評(píng)估以及代謝研究、神經(jīng)受體研究和腫瘤學(xué)研究等諸多方面。小動(dòng)物PET 本身也在探測(cè)器設(shè)計(jì)、電子學(xué)系統(tǒng)和圖像重建技術(shù)等領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。主流的小動(dòng)物PET 產(chǎn)品正在朝著更高分辨率、更好的圖像質(zhì)量以及更快的處理速度方向發(fā)展?？上驳氖?，國(guó)產(chǎn)的小動(dòng)物PET 產(chǎn)品已經(jīng)能夠在綜合性能指標(biāo)上達(dá)到、并在部分關(guān)鍵指標(biāo)上超過(guò)進(jìn)口設(shè)備。國(guó)產(chǎn)小動(dòng)物PET產(chǎn)品的出現(xiàn)，必將推動(dòng)小動(dòng)物PET 在我國(guó)的普及，從而帶動(dòng)我國(guó)相關(guān)研究領(lǐng)域的發(fā)展。

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