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    PET系統(tǒng)中Lu-176本底輻射的影響

    2018-01-18 08:39:51戴甜甜魏清陽
    同位素 2018年1期
    關(guān)鍵詞:單光子光子晶體

    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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