PET系統(tǒng)中Lu-176本底輻射的影響

戴甜甜，魏清陽

(1.中日友好醫(yī)院 放射腫瘤科，北京 100029；2.北京科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院 北京市工業(yè)波譜成像工程技術(shù)研究中心，北京 100083)

正電子發(fā)射斷層顯像(positron emission tomography, PET)能從分子水平反映腫瘤細(xì)胞的生物學(xué)行為[1-2]，主要應(yīng)用于臨床疾病的診斷，包括癌癥的早期診斷、心臟和腦部等代謝性疾病的輔助診斷[1]；也被用于臨床動(dòng)物成像、藥物開發(fā)、病理研究和基因表達(dá)等研究[3]。

PET通過探測(cè)放射性核素衰變產(chǎn)生的正電子湮滅后發(fā)出的511 keV伽馬光子對(duì)進(jìn)行三維成像。其探測(cè)系統(tǒng)主要采用由無機(jī)閃爍晶體和光電探測(cè)器組成的閃爍體探測(cè)器。早期PET探測(cè)器的閃爍體采用摻鉈碘化鈉(NaI(Tl))和鍺酸鉍(BGO)，20世紀(jì)80年代末，硅酸镥(LSO)應(yīng)用于PET[4]，隨后出現(xiàn)了其他含镥閃爍晶體，如硅酸釔镥(LYSO)和镥精細(xì)硅酸(LFS)。含镥閃爍晶體因其阻止本領(lǐng)高、光產(chǎn)額高、發(fā)光衰減時(shí)間較短，適合飛行時(shí)間功能的PET (TOF-PET)系統(tǒng)[5]，為現(xiàn)代PET探測(cè)器的首選晶體。但是天然镥元素含有放射性Lu-176同位素，其本底輻射對(duì)PET系統(tǒng)有一定的影響。本文主要對(duì)PET探測(cè)器中Lu-176本底輻射的特性，以及不利影響和應(yīng)用開發(fā)進(jìn)行介紹和討論。

1 Lu-176本底輻射的特性

圖1 Lu-176的衰變綱圖Fig.1 Decay scheme of Lu-176

天然镥元素中含有豐度2.6%的Lu-176同位素，為長(zhǎng)半衰期的放射性核素(T1/2～3.6×1010年[6])。Lu-176的衰變綱圖示于圖1，其主要衰變過程產(chǎn)生一個(gè)β粒子(最高能量為596 keV)和三個(gè)能量分別為307、202、88 keV的級(jí)聯(lián)γ光子。

含镥閃爍晶體的本底計(jì)數(shù)率可以通過Lu-176的含量和半衰期計(jì)算，例如1 mL含镥閃爍體的本底計(jì)數(shù)率R為：

(1)

式中，n為閃爍晶體分子式中镥元素的下標(biāo)；ρ為晶體密度，g/cm3；NA為阿伏伽德羅常數(shù)6.02×1023mol-1；M為摩爾質(zhì)量，g/mol；T1/2為镥的半衰期，s。以LSO(Lu2SiO5)為例，計(jì)算可得RLSO=307 Bq/mL。

Lu-176衰變產(chǎn)生的β粒子射程短，其能量主要沉積在發(fā)生衰變的晶體中；產(chǎn)生的γ光子穿透本領(lǐng)高，不僅可以在發(fā)生衰變的晶體中探測(cè)到，也可能逃逸被其他晶體探測(cè)到。因此，PET探測(cè)器中Lu-176本底輻射包括單光子事件、雙光子事件和多光子事件。一個(gè)Lu-176衰變產(chǎn)生的粒子只在同一個(gè)晶體陣列中被探測(cè)到，為單光子事件(圖2a)；衰變產(chǎn)生的γ光子逃逸被其他探測(cè)器晶體探測(cè)到，產(chǎn)生本底符合事件(圖2b)；在符合時(shí)間窗內(nèi)探測(cè)到的兩個(gè)獨(dú)立單光子事件，為本底隨機(jī)符合事件(圖2c)；一個(gè)γ光子逃逸的本底符合事件同時(shí)探測(cè)到另一個(gè)獨(dú)立單光子事件，為多光子事件(圖2d)。由于本底計(jì)數(shù)率低，本底隨機(jī)符合事件與多光子事件發(fā)生的概率較小。在有其他放射源存在的情況下，上述Lu-176本底輻射事件還會(huì)與放射源本身的射線粒子疊加，形成隨機(jī)符合或多符合事件。

基于GATE程序[7]模擬的InliView 3000[8]小動(dòng)物PET系統(tǒng)中镥本底輻射的能譜示于圖3。PET探測(cè)器中的單光子能譜為一個(gè)γ和β疊加的寬譜(圖3a)，本底符合事件的計(jì)數(shù)率約為5 000個(gè)/s；沒有TOF信息的本底符合事件能譜(圖3b)中，202、307 keV的峰位比單光子事件的峰位更明顯；具有TOF信息的本底符合事件能譜(圖3c)中，第一觸發(fā)事件和第二觸發(fā)事件可通過觸發(fā)時(shí)間區(qū)分，第二觸發(fā)事件為逃逸的γ光子，202、307 keV的光電峰最明顯。

a——單光子事件；b——雙光子事件(本底符合)；c——雙光子事件(本底隨機(jī)符合)；d——多光子事件圖2 PET系統(tǒng)中典型的Lu-176本底輻射事件a——The single-photon event；b——The double-photon event (true intrinsic coincidence)；c——The double-photon event (random intrinsic coincidence)；d——The multiple-photon eventFig.2 Typical intrinsic radiation lutetium events in the PET system

圖3 InliView 3000小動(dòng)物PET的Lu-176本底輻射的模擬能譜(能量分辨率為20%，511 keV)Fig.3 The simulated energy spectrums of Lu-176 background radiation in a small animal PET system InliView 3000 (energy resolution 20%, 511 keV)

2 Lu-176本底輻射的不利影響

在PET成像過程中，Lu-176本底輻射的影響已經(jīng)有諸多研究，多數(shù)情況下其影響可以忽略。但對(duì)于一些特殊研究，如低活度成像、長(zhǎng)軸向視野PET和PET/SPECT同時(shí)成像等，Lu-176本底輻射存在較大的影響。

2.1 常規(guī)PET成像

Lu-176本底輻射產(chǎn)生的單光子事件和符合事件會(huì)影響PET的系統(tǒng)性能。Lu-176本底輻射的單光子能譜寬，覆蓋了511 keV的光電峰，干擾無法完全避免。測(cè)量延遲符合或使用恰當(dāng)?shù)男拚椒╗9]可以修正本底隨機(jī)符合，但會(huì)改變系統(tǒng)的時(shí)間性能，增大探測(cè)器的死時(shí)間[10]。本底事件會(huì)在重建圖像中引入噪聲，如果未考慮Lu-176本底事件的影響，會(huì)過高估計(jì)使用美國(guó)電器制造商協(xié)會(huì)(NEMA)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量的散射事件比例[11-13]。

Lu-176本底事件的計(jì)數(shù)率依賴于能量窗的選取。基于含镥晶體的臨床PET系統(tǒng)推薦能窗為350～650 keV。多數(shù)镥本底輻射產(chǎn)生的瞬發(fā)γ光子能量為202、307 keV，低于能窗下閾350 keV，在此能窗下大部分Lu-176本底事件可以被剔除。Lu-176本底輻射比臨床掃描的藥物活度低很多[10]，不足以影響常規(guī)的臨床PET成像。

相比臨床系統(tǒng)，小動(dòng)物PET注射的藥物活度較低；為提高空間分辨率，探測(cè)器采用小尺寸晶體單元，能量分辨率降低。小動(dòng)物對(duì)511 keV的散射比例小，為了提高靈敏度，使用較寬的能窗，如250～750 keV。因此，Lu-176本底輻射對(duì)小動(dòng)物PET系統(tǒng)性能的影響不可忽視[10]。

2.2 低活度PET成像

某些PET成像需要在低活度水平下完成，注射活度可能低于1000 Bq，例如，細(xì)胞示蹤研究[14]、基因表達(dá)成像[15]或in-beam PET成像[16]等，Lu-176本底輻射增大了系統(tǒng)的最小可探測(cè)活度值。如果使用傳統(tǒng)能窗設(shè)置，該本底可能會(huì)影響成像性能[17-18]。為減小Lu-176本底輻射影響，可利用窄的能窗和符合時(shí)間窗減少镥本底隨機(jī)符合事件，但該方法減少了真實(shí)的符合事件，需找到一個(gè)適中的能窗和符合時(shí)間窗。另一種方法采用能量分辨率和時(shí)間分辨率高的PET系統(tǒng)進(jìn)行成像。2014年，Yoshida等[17]提出了結(jié)合飛行時(shí)間TOF和多符合信息減少Lu-176本底輻射的影響，可減少84%的固有隨機(jī)本底符合事件。

2.3 長(zhǎng)軸向視野PET

目前臨床PET探測(cè)器的軸向長(zhǎng)度約為15～22 cm[19]，進(jìn)行全身掃描需要多個(gè)床位。2016年，由Cherry等提出EXPLORER-PET項(xiàng)目，旨在開發(fā)一款2 m長(zhǎng)全身PET系統(tǒng)[20-21]，能夠一次在同一床位進(jìn)行全身成像，期望提高40倍靈敏度，將PET藥物劑量降低至目前常規(guī)劑量的1/40[20]。EXPLORER-PET將帶來全新的應(yīng)用，如全身藥動(dòng)力學(xué)參數(shù)成像和同位素示蹤全身干細(xì)胞祖細(xì)胞群系統(tǒng)成像等[19]。Lu-176本底輻射的單個(gè)事件計(jì)數(shù)率與探測(cè)器閃爍晶體數(shù)量近似成正比，EXPLORER-PET中Lu-176本底計(jì)數(shù)率至少為常規(guī)PET系統(tǒng)的10倍，在EXPLORER-PET中出現(xiàn)非常高的隨機(jī)Lu-176本底符合事件。在低劑量成像和高Lu-176本底輻射事件的情況下，Lu-176本底輻射事件的處理至關(guān)重要。Poon等[19]提出了對(duì)響應(yīng)線(LOR)采用可變符合時(shí)間窗減少Lu-176本底輻射導(dǎo)致的隨機(jī)事件。

2.4 PET/SPECT成像

3 Lu-176本底輻射的應(yīng)用開發(fā)

Lu-176本底輻射的有利應(yīng)用被不斷開發(fā)，西門子、聯(lián)影等公司將Lu-176本底輻射用于PET系統(tǒng)質(zhì)控[24]，有望替代Ge-68等放射源用于系統(tǒng)的日檢或周檢。不僅如此，Lu-176本底輻射還在以下多個(gè)方面取得應(yīng)用。

3.1 輔助PET探測(cè)器模塊的開發(fā)

Lu-176本底輻射可以替代Na-22、F-18、Cs-137等伽馬放射源輔助含镥閃爍晶體PET探測(cè)器模塊的設(shè)計(jì)，例如用于快速驗(yàn)證晶體表面處理和反射膜等設(shè)計(jì)方案，加快研發(fā)的進(jìn)程，減少研發(fā)成本以及實(shí)驗(yàn)過程中人員的輻射劑量。探測(cè)器模塊中Lu-176本底輻射可近似為一個(gè)泛場(chǎng)源，計(jì)數(shù)率足夠在幾分鐘內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)信噪比好的泛場(chǎng)圖像[25]。Lu-176本底輻射還可以輔助作用深度PET(DOI-PET)探測(cè)器的研究，閃爍晶體中Lu-176發(fā)出的β射線可測(cè)量雙端讀出DOI-PET的作用深度響應(yīng)函數(shù)[26]。未來還可能應(yīng)用于連續(xù)晶體探測(cè)器模塊的作用位置響應(yīng)函數(shù)標(biāo)定。

3.2 通道能量標(biāo)定

對(duì)于同一能量，PET探測(cè)器中不同晶體單元具有不同大小的輸出信號(hào)，需要對(duì)每一個(gè)晶體單元進(jìn)行能量刻度，以便設(shè)置正確的能窗。雪崩光電二極管(APD)或硅光電倍增管(SiPM)隨溫度變化發(fā)生增益漂移，光電倍增管(PMT)長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)出現(xiàn)老化等現(xiàn)象[27]，需要定期使用放射源進(jìn)行各個(gè)通道的能量標(biāo)定。镥本底輻射可替代放射源用于系統(tǒng)的自我校準(zhǔn)。Conti等[27]提出跟蹤Lu-176本底輻射的597 keV能峰的位置(三個(gè)γ光子的總和)，用于監(jiān)視系統(tǒng)中各通道增益的漂移，結(jié)果表明，基于Lu-176本底輻射的校準(zhǔn)方法與使用511 keV標(biāo)準(zhǔn)源的校準(zhǔn)方法是等價(jià)的。含镥閃爍晶體也可以被用作多個(gè)伽馬射線源對(duì)其他探測(cè)器模塊(包括非含镥晶體的模塊)進(jìn)行能量校準(zhǔn)或能量非線性響應(yīng)標(biāo)定。

3.3 TOF-PET的時(shí)間標(biāo)定

TOF-PET基于響應(yīng)上兩個(gè)光子的觸發(fā)時(shí)間差，限定正電子湮滅在響應(yīng)線上的發(fā)生位置，提高系統(tǒng)圖像的信噪比。對(duì)TOF-PET探測(cè)器各通道的時(shí)間校準(zhǔn)至關(guān)重要，目前已有多種方法可以實(shí)現(xiàn)PET探測(cè)器各通道的時(shí)間校正[28]，但這些方法都需要外部放射源。Rothfuss等[29]提出基于Lu-176本底輻射的方法，通過測(cè)定兩個(gè)晶體之間的Lu-176本底符合時(shí)間差，扣除根據(jù)兩個(gè)探測(cè)器距離計(jì)算的光子飛行時(shí)間，獲得兩根晶體的符合時(shí)間偏置，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)間校正，結(jié)果表明，采用Lu-176本底輻射進(jìn)行時(shí)間標(biāo)定與使用均勻伽馬源模型方法得到的性能一致。

3.4 生成衰減圖像

PET成像過程中，511 keV的射線有概率與成像物體發(fā)生康普頓散射和光電效應(yīng)，形成衰減效應(yīng)，影響重建圖像質(zhì)量。臨床PET系統(tǒng)衰減影響較大，圖像重建過程需進(jìn)行衰減校正，采用匹配的CT系統(tǒng)成像結(jié)果，或者在PET系統(tǒng)中使用透射源。Lu-176本底符合事件可被視為透射源，能夠在PET中產(chǎn)生掃描物體的透射圖像。在TOF-PET系統(tǒng)中，根據(jù)飛行時(shí)間信息和符合晶體對(duì)的距離，設(shè)置兩個(gè)不同的符合時(shí)間窗，能同時(shí)觀測(cè)到正電子湮滅事件和Lu-176本底符合事件。故通過重建算法可同時(shí)重建正電子發(fā)射圖像和Lu-176本底透射圖像。Rothfuss等[30]通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Lu-176本底在10 min生成頭部透射圖像，為不具備CT機(jī)或需要耦合CT的系統(tǒng)提供了衰減校正解決方案。透射圖像也可用于散射校正或發(fā)射和衰減的同時(shí)重建[30]。

3.5 系統(tǒng)的幾何標(biāo)定

Lu-176本底符合事件生成透射圖像的特性也可用于系統(tǒng)的幾何標(biāo)定。如小動(dòng)物PET/SPECT/CT系統(tǒng)(InliView 3000)采用基于LYSO的PET探測(cè)器，嵌入式準(zhǔn)直器SPECT與PET共用探測(cè)器，錐束CT基于CMOS探測(cè)器。利用镥本底輻射對(duì)SPECT準(zhǔn)直器成像，實(shí)現(xiàn)幾何校準(zhǔn)[31]。此外，通過對(duì)多鎢合金球模體進(jìn)行CT成像和Lu-176本底透射成像，能夠推導(dǎo)出PET系統(tǒng)和CT系統(tǒng)的幾何變換矩陣，實(shí)現(xiàn)PET/CT配準(zhǔn)[32]。該方法預(yù)期可替代傳統(tǒng)的多點(diǎn)源或多線源方法，使幾何校準(zhǔn)更加方便，減少操作人員的額外輻射劑量。

4 小結(jié)

含镥閃爍體因其良好的性能成為PET探測(cè)器的首選。常規(guī)的臨床PET成像中，通過設(shè)置能量窗和符合時(shí)間窗，可忽略Lu-176本底輻射對(duì)性能的影響。對(duì)于一些特殊的系統(tǒng)和應(yīng)用，如低活度成像、全身PET和基于PET探測(cè)器的SPECT成像等，Lu-176本底輻射的影響不可忽視，需要進(jìn)行評(píng)估和校正。Lu-176本底輻射可用于系統(tǒng)質(zhì)控、輔助探測(cè)器設(shè)計(jì)、能量刻度、時(shí)間刻度和系統(tǒng)幾何校正等。

隨著探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展，能量分辨率和符合時(shí)間分辨率等性能參數(shù)將進(jìn)一步提升，Lu-176本底輻射對(duì)PET系統(tǒng)的影響將進(jìn)一步減小，其應(yīng)用將被進(jìn)一步開發(fā)，實(shí)現(xiàn)利大于弊。

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