核医学仪器ECT的原理和应用

核医学仪器ECT的原理和应用

目录

摘要 (1)

Abstract (1)

一、核医学仪器概述 (2)

二、核医学仪器SPECT的原理和应用 (2)

2.1 SPECT的原理 (2)

2.1.1 SPECT的结构和基本组成 (2)

2.1.2 SPECT的原理 (2)

2.2 SPECT的应用 (3)

1

2.3 SPECT的新进展 (3)

2.3.1 利用FIX显像提高了对肿瘤的鉴别能力 (3)

2.3.2 SPECT也能生成正电子符合图像 (4)

2.3.3 SPECT灵敏度进一步提高 (4)

2.3.4整机结构的变化 (4)

2.3.5利用不同机型图像的进行融合 (5)

2.3.6衰减校正 (6)

2.3.7探测器实现数字化 (7)

2.3.8新型探测器进入实用阶段 (7)

2.3.9新型准直器进入实用阶段 (7)

2.4 关于SPECT-CT (8)

三、核医学仪器PET的原理及应用 (8)

3.1 PET概述 (8)

2

3.2 PET的原理 (9)

2.

3.3 PET探测器 (9)

3.3.1 PET探测器的现状 (9)

2

3.3.2 PET探测器的发展趋势 (11)

3,4,5,6

3.4 关于PET/CT、SPECT/PET (13)

3.4.1 PET/CT设备概况 (13)

3.4.2 PET—CT的工作原理 (13)

3.4.3 PET与PET—CT的比较 (14)

3.4.4 PET／CT的临床应用 (14)

3.4.5 SPECT/PET--带有符合线路的SPECT (14)

四、总结和展望 (15)

参考文献 (15)

核医学仪器ECT的原理和应用

摘要

自从进人20世纪90年代以来，医学影像技术得到重大发展。在以解剖结构为基础的X射线计算机断层成像(XCT)及磁共振成像(MRI)技术发展的同时，以人体功能代谢为成像基础，反映脏器功能、组织生化代谢和细胞基因变化的功能分子影像设备，即单光子ECT和正电子符合成像(PET)也得到了迅猛发展。核医学正日益成为医学科学现代化的重要标志之一。最初，核医学领域广泛使用的成像仪器曾经是伽马照相机。但是，当今最具有代表性的设备是探测发射正电子放射性药物分布的正电子发射断层成像仪(PET)和探测单光子放射性药物分布的单光子发射计算机断层成像仪(SPECT)。本文就核医学仪器ECT的原理和应用展开了探讨。

关键词：ECT ；PET；SPECT；断层成像

Abstract

Since the ninety's of twenty-first century, medical imaging technology has made a significant development. While the technologies of X-Ray Computed Tomography based on anatomical structure and Nuclear Magnetic Resonance Imaging developing, the molecular imaging technique, that is ECT and PET, has also made rapid development at the same time, whose imaging based on Metabolism of the human body functions, reflecting organic function, tissue biochemical metabolism and changes in cell gene. Nuclear medicine is increasingly becoming one of important symbols of modern medical science. Initially, the field of nuclear medicine imaging equipment widely used in gamma cameras used to be. But today the most representative positron emission device is to detect the distribution of radioactive drugs positron emission tomography imaging device (PET) and single photon radiopharmaceuticals distribution of detection of single photon emission computed tomography imaging device (SPECT). In this paper, the principle of nuclear medicine instrumentation and application of ECT to start the study

Key words: ECT；PET；SPECT；Tomography

一、核医学仪器概述

核医学仪器是用于医学目的的探测和记录放射性核素放出射线的种类、数量、能量、时间变化和空间分布的仪器。具体可分为核医学显像设备、核医学功能测定设备、γ计数器、活度计、污染、测量监测仪等。

传统核医学显像设备包括闪烁扫描机、γ照相机、单光子发射计算机断层成像（Single Photon Emission Computed Tomography, SPECT）以及正电子发射计算机断层成像（Positron Electronic Tomography, PET）。随着技术的不断成熟和新材料的应用，其设备研制不断发展，近几年，相继应用于临床的核医学设备有SPECT/CT、SPECT/PET和PET/CT。本文将对其相应的设备的原理和应用进行归纳。

二、核医学仪器SPECT的原理和应用

2.1 SPECT的原理

2.1.1 SPECT的结构和基本组成

我们知道γ照相机的结构包括探头、机架系统、检查床、后续电路、数据连接传输线路和图像记录显示系统。而探头的基本组成包括准直器、探测晶体、光导、光电倍增管矩阵等。

而SPECT多是以旋转探头的γ照相机为基础，加上计算机而构成。但在设计上较γ照相机有更高的要求，如PMT(光电倍增管)的磁屏蔽需要增强，以克服地球磁场变化对PMT放大倍数的影响；对系统的均匀性、线性、稳定性要求有所提高；更换易于使用的旋转机架和低衰减检查床；相配套的计算机和SPECT 专业软件等。

2.1.2 SPECT的原理

γ射线从患者体内发射到探头表面后，经过准直器限制和排除散射。斜射或干扰探测器的γ射线，投射到探测晶体表面转换成低能且大量的可见光子，可见光子在光电倍增管（PMT）的放大作用后，通过位置电路（X、Y信号，对应用于γ射线作用点）和能量电路（Z脉冲，X、Y脉冲的总和反映γ射线的能量）的定位，最后利用脉冲高度分析器（PHA）进行窗位置和宽度的设定，可以通过PHA的脉冲传输至几率系统，形成一个γ射线的定点记录。

注意这里准直器主要作用就是限制进入探头视野内射线的入射方向和范围，阻挡视野外γ射线进入探测器。其性能一般由孔数、孔径、孔长、间壁厚度和准直器材料决定。

而SPECT的质量控制内容包括：空间线性、图像均匀性、空间分辨率、计数率特性、固有能量分辨率、平面源灵敏度、多能窗一致性、均匀性校正、旋转中心校正多探头匹配、断层均匀性测试、断层空间分辨率以及SPECT总体性能测试等。

2.2 SPECT的应用

70年代末期，SPECT开始应用于临床，我国从1983年开始引进和应用SPECT．目前我国SPECT的总数已近300台，其增长趋势高于X射线CT和MRI。SPECT在心、肺、脑，骨骼等主要脏器的临床应用价值。特别是与X射线CT、MRI、超声等其他影像技术比较有其固有的优势。（1）SPECT不仅显示脏器和病变的位置、形态、大小等解剖结构．更重要的是同时提供脏器和病变的血流、功能和引流等方面的信息，这有助于疾病的早期诊断；（2）具有多种动态显像方式，使脏器和病变的血流和功能情况得以动态而定量地显示，能给出很多功能参敏；（3） SPECT多因脏器或病变特异性聚集某一种显像剂而显影．因此影像常具有较高的特异性。

2.3 SPECT的新进展1

2.3.1 利用FIX显像提高了对肿瘤的鉴别能力

正电子发射体(18F，150，13N，11C)可标记非常接近体内的生物活性分子。18F有适合的半衰期(110min)，18FDG(18氟一脱氧葡萄糖)可以显示器官和组织的葡萄糖代谢，是最常用的肿瘤显像剂。

FDG—PET利用良恶性细胞代谢的差别达到肿瘤显像的目的。FDG显像有多种适应症：鉴别良恶性肿瘤、恶性病灶分期、检出复发的恶性病灶、观察治疗效果，从而提高了诊断效能和减少侵入性检查。

最初的FDG—PET显像是由多环锗酸铋探测器组成的专用PET完成的，现在已经开发出多功能ECT，它既能够做常规的单光子显像，也能够做正电子(如FDG)显像，并且现已有了SPECT／CT和PET／CT(Hybrid Camera)的混合型机型。

2.3.2 SPECT也能生成正电子符合图像

带准直器的FDG—SPECT比PET的灵敏度和分辨率低的多，因此许多厂家以符合线路测试的方式提高灵敏度和分辨率。这是另一项有重大价值的技术突破。PET由于其设备昂贵，维护费用高。一般医院添置PET装置几乎是不可能的。双探头SPECT问世不久即出现了兼有PET功能的双探头SPECT。现在这种机型已经由多家公司生产。基本技术措施是增加时间符合判断电路。此外，有些SPECT产品还允许同时使用511keV高能放射性核素，生成不同能量的双同位煮图像，这对心脏的研究有时很有意义。产品要增加高能准直器，碘化钠晶体厚度由9mm增加到12.5mm，以保证能量为51IkeV光子的探测效率。目前临床最常用于18F成像。

2.3.3 SPECT灵敏度进一步提高

虽然带准直器的FDG—SPECT与PET相比分辨率和灵敏度相差较大，许多厂家开始改进双探头SPECT，以符合探测方式提高分辨率和灵敏度。符合线路显像是一种无准直器3-D体积采集，因此有可能成为检出毫米级病灶的方法其空问分辨率仅仅受限于固有分辨率。例如VC (GE公司)装备了狭缝准直器SEPTAL(间隔为40mm×4mm，间隙为10mm)，并有多层滤波器(锌、铅、铜)以减少来自视野以外的射线和减少散射效应。数据采集是3min转一圈，以尽量减少放射性衰减的影响。该系统的空间分辨率：空气中空间分辨率(FWHM)4．5mm，这和专用PET非常接近。FDG一符合线路显像(3／8英寸)对小病灶的检出和超高能准直器SPECT类似，其灵敏度为89cpm／uci，在L／B=5／1时模型试验的最小检出为1.35cm，使用5／8英寸的晶体灵敏度可达189cpm／uci，检出接近10mm，为了进一步提高灵敏度，厂家对晶体加以改造，装配了1英寸的晶体，而且对晶体进行特殊的加工，这样能够在不牺牲低能单光子显像分辨率的前提下，明显提高符合探测的效率，灵敏度可达30kcps／uci，分辨率5.0mm。

2.3.4整机结构的变化

现在的SPECT具有装备多探测器(探头)的机型。有使用二个、三个、四个探头的机型，也有使用环状探测器的机型。探测器的增多可以多角度采集光子信号，整机灵敏度太大提高。由于双探头的SPECT应是最好的一种机型，它具有多种用途，除断层成像外，同时具有二维图像的照相机的所有功能和快速进行全

身骨扫描的功能等。大多数的双探头SPECT，两个探头之间的角度是在90°—180°可任意改变的。从最大限度采集光子信息观点看，环状探测器的机型可能是最好的。这类SPECT由闪烁晶体和光电倍增管构成的探测器围成环形。这种SPECT 的最大计数率可达1000kcps以上。这类产品的缺点是不能快速生成平面图像，也不能做骨全身扫描。

机型结构的改进提高了整机灵敏度，同时也使SPECT的其它技术指标得到提高。在作断层图像时，探头绕人体旋转的轨迹对图像重建质量有很大影响。人体的横断面近似为椭圆形。而早期SPECT探头绕人体旋转的轨迹为圆形。探头旋转时，探头表面到人体表面的距离的变化，明显影响重建图像的分辨率。现在，探头绕人体旋转的轨迹改为椭圆形旋转轨迹后，分辨率提高了1．5mm～2．5mm，均匀性也有明显改善。探测器绕人体旋转时的理想轨迹是探测面和人体始终保持最贴近，这就是靠探测人体断面轮廓实现的人体轮廓运动轨迹。

2.3.5利用不同机型图像的进行融合

图像融合是把有价值的生理、生化信息与精确的解剖结构结合在一起，给临床医生提供更加全面和准确的资料。这样合理利用医学信息资源，不仅可以弥补信息不完整、部分信息不准确或不确定引起的缺陷，而且使临床诊断和治疗、放疗的定位和计划设计、外科手术和疗效评估等更加全面和精确。随着医学图像信息集成利用的需求日益强烈，近二十年来，图像融合的研究蓬勃发展，成为医学图像处理的一大热点。

医学影像大致分为功能影像(核医学影像)和解剖结构影像(CT、MRI、X线投照和B超)。功能影像能具有如下特点：它拥有早期、安全、无创、灵敏度高等特点，核医学图像主要缺陷是信息量小，图像分辨率低，特别是缺乏解剖学信息，而这些缺陷很难通过核医学本身来解决。解剖结构影像与功能影像正好互补，其解剖结构的影像分辨率非常高，但其对病变的检出时间、特异性、灵敏度、无创及安全等方面不如功能影像。GE公司于2000年正式推出的SPECT／CT即HAWKEYE，将CT球管和探测器安装在双探头具有符合探测功能的SPECT系统的旋转机架上，使病人在一次检查中，既可得到受检者的功能影像，又可同时得到其解剖结构影像(CT图像)，充分利用二种影像的优势，并可立即进行图像融合，为临床提供高分辨率、高灵敏度、高特异性的医学影像。CT图像不仅可以用来与ECT图像融合，还可以由CT值计算软组织及骨骼的衰减系数，对ECT 图像进行衰减校正。衰减校正和FDG显像分别先后进行，病人无须重新摆位。

如果在检查过程中病人没有移动，透射和发射图像的对位十分准确。另外。X射线球管的强光子流产生高质量的衰减校正图像，保证了校正数据的可靠性。不仅ECT图像质量明显提高，而且有解剖图像傲定位的参考。这款设备有比较合理的性能／价格比。现在，同时产生XCT图像及SPECT图像的设备已成为许多厂家的正式产品，效果显然比用两台设备产生两种图像再融台更好。

2.3.6衰减校正

衰减校正对符合图像的意义更为重要，符合显像的衰减效应导致局部的不均匀、高密度结构的畸变以及边缘效应。SPECT符合线路显像和专用PET通过对衰减伪影的校正改善了图像的质量，增加了对比度。使用衰减校正的优点：(1)改善了解剖边界的影像，图像更容易读，定位准确；(2)衰减校正的图像没有畸变，而且不同深度病灶亮度相似。现在产品中多数采用线放射源进行衰减校正。目前，大多厂家采用放射性同位素153Gd制作线源。为了降低造价，也有厂家采用长半衰期的放射性同位素铯137Gs。以GE为代表的厂家开发出使用放射性穿透源测量衰减的方法——全能量衰减校正，即不论所用放射性示踪剂为低能、中能还是高能，Hawkeye均可对其进行衰减校正，从而达到从根本上改善核医学断层影像质量的目的。而高能核素非均匀衰减校正法则无法进行全能量衰减校正，一般其能对TC-99m-MIBI和F-18 PET功能显像进行衰减校正。且需根据不同能量来选用不同的高能核素进行衰减校正，如对心肌的衰减校正，需用某一种放射源进行衰减校正，而对PET功能显像则需另外一种高能核素。采用X射线CT图像进行全能量衰减校正将是核医学图像进行衰减校正发展的方向。它有如下的优点：

(1)使用放射性X设线穿透源测量衰减的方法不用放射性核素校正，放射性核素均有半衰期，一般1~1.5年即需更换，国内无法生产，需进口，而放射性核素人关手续繁琐，短期不易更换，而且在使用中由于核素衰减也要进行校正源自身的校正，所以操作过程更加复杂。

(2)用X设线CT进行衰减校正，若不加高压电．则不会发出射线。丽高能核素，所放出的高能射线极具穿透力，不易防护，既使用非常厚的金属(铅)进行屏蔽，也难以完全屏蔽其射线，因此，若长期安装在机架上，则严重影响核医学影像的质量，且易对工作人员造成损伤。但若经常更换高能核素校正源，又存在以下几点问题：(a)校正源非常沉重。不易更换。(b)使仪器受损的可能性增大。

(c)使更换校正源的工作人员受到不必要的照射。

(3)衰减校正法大大提高了所得核医学断层影像的信息量，是传统高能核素衰减校正影像信息量的50000倍。

(4)衰减校正法所得断层影像分辨率最大，分辨率为：2mm，可以进行精确的解剖定位。而传统高能核素衰减影像最大分辨率为：12mm，难以进行解剖定位。

(5)衰减校正法使所得影像的信息量远远高于传统核医学断层影像，从而使散射线对图像质量的影响可以忽略。从根本上解决了散射对核医学影像的不良影响。

2.3.7探测器实现数字化

以前的ECT成像过程中所有光电倍增管的输出都是模拟信号，经加权处理形成坐标信号及能量信号，也都是模拟的。然后才变换成数字信号送给计算机。现在是以探测器数字化为基础的。即每个光电倍增管的输出都直接加一个模拟／数字(A／D)变换器，后续的信号加工处理全部以数字方式进行。

2.3.8新型探测器进入实用阶段

最近几年，和以往相机所用探测器(碘化钠晶体加光电倍增管组)完全不同的几种新型探测器。

其中主要有：

(1)一块LSO晶体加一只超小型PS光电倍增管组成的探测器。

(2)半导体型探测器。半导体型探测器所用的材料有许多种，其中已经实现商品化的是美国DI．GIRAD公司开发成功的用碲化镉锌晶体(Cadmium—Zinc—Telluride，CZT)半导体材料作探测器。该公司已经用这种探测制造出了多种新型的放射性核素成像装置。

2.3.9新型准直器进入实用阶段

新型准直器已经由手工制造的薄型准直器，发展到80年代末的微孔铸造准直器，这种准直器的准直孔分布均匀，孔形一致，孔径可以小到1，0mm，颇受用户欢迎。探测器的系统分辨率主要决定于准直器分辨率和固有空间分辨率。过去，准直器分辨率大大低于固有分辨率，使整机的系统分辨率很低。现在，准直器的分辨率已经接近或高于固有分辨率，导致系统分辨率明显提高，使图像质量

达到了新水平。

90年代出现了一系列重要的新型准直器，例如锥束型准直器(Conebeam Collimator)、扇束型准直器，和多焦距汇聚型准直器(Multifocal Converging Collimator)等。得到推广应用的主要是锥束准直器和扇束准直器。新型准直器可以显著提高图像中心视野的灵敏度，这对脑成像和心脏成像非常有用。而探测器固有性能的提高，直接影响重建图像空间分辨率的提高。

2.4 关于SPECT-CT

第一台正式SPECT-CT于1999年制造(GE Healthcare，Chalfont St Giles，Bucks，UK)。它由双探头碘化钠照相机和X射线管组成，此X射线管可使低剂量CT达到2.5 mA的最大管电流，CT影像在解剖学定位的同时，也可以对原始图像进行衰减校正。SPECT-CT提供了大量但并非无意义的补充信息，因为SPECT影像上放射性核素异常浓聚部位可在CT图像上定位，而CT影像上解剖学的异常也能灵敏地提示SPECT示踪剂的异常浓聚。在诊断价值的研究中发现，CT影像中的病变部位与SPECT放射性核素异常浓聚处精确符合，因此SPECT—CT相较于低分辨率SPECT而言，提高了诊断特异性。通过CT进行衰减校正的优点在于信噪比低，采集速度增加，CT影像不受SPECT放射性核素的影响。至2005年底，世界各地已共有超过700台的SPECT-CT。

三、核医学仪器PET的原理及应用

3.1 PET概述

PET 是正电子放射层析技术( Positron Emission Tomography) 的英文缩写,它是将放射性同位素作为示踪物质,直接注入生物体,然后在体外从不同角度完成采集和测量生物体内的放射性信息分布,利用现代计算机技术完成图像重建的三维成像技术。

随着技术的发展和设备的研制，相继出现了PET/CT、SPECT/PET。其中PET 是最早、最经典、最成熟的正电子显像设备，有探测器、电子装置和计算机影像处理系统组成；PET/CT是最新的、也是发展最快的正电子显像设备；SPECT/PET 是正电子符合探测设备，是利用双探头或多探头SPECT符合线路模式，在电子复核时间窗的控制下，同时采集湮没辐射511KeV γ光子。在SPECT/PET机械准直器改用电子准直器。

3.2 PET的原理2

在PET 技术中,人们利用注入患者体内的某种放射性核素所发出的射线来形成所研究或诊断器官或器官系统的生理功能影像。用来产生图像的辐射源即核示踪物质为正电子同位素。众所周知,正电子同位素不稳定,将自发地释放出正电子,即核衰变。这个正电子运动一段距离后,和生物体的负电子碰撞结合产生湮灭辐射反应,根据能量和动量守恒定律,湮没反应将产生一对伽马射线,这一对伽马射线的运行方向几乎是相反的,即成约为180°,其次另一个重要特性是它们的时间特性,它们是同时产生的,如图1

图1 正负电子湮没反应的物理原理

如果我们在体外放置一对相向的探测器就可同时探测到这对伽马射线。常被称之为符合一致事件(Co-incidence event) ,也就是说电子湮没反应发生在这两个探测器的连线上。实际上的PET 系统是由一环或多环的探测器阵列组成。探测器的排列组合有很多种,这就是说对于我们感兴趣的区域中的任何一点来讲,可以得到无数条符合一致连线。把这些探测器采集的带有伽马射线的位置及能量信息的数据存储在存储设备中,然后通过计算机软件和硬件完成对这些数据的校正、滤波处理。最后通过计算机图象处理就可重建出这个点的图像。

3.3 PET探测器2

3.3.1 PET探测器的现状

第一代PET 探测器采用把单个闪烁晶体耦合在光电倍增管(PMT) 上的办

法,它是在1951 年由Wrenn和Sweet 首先提出的。探测器的性能优劣直接决定着PET 系统的好坏。PET 系统的空间分辨率常常用线扩展函数(LSF) 的半幅值全宽度(FWHM) 来描述。PET 系统中心位置的LSF 函数的形状是三角形,它的FWHM 值是探测器宽度的一半,也就是说减少探测器的宽度可以最大程度地提高系统的空间分辨率。近10 年来,PET 系统的分辨率从10～15mm 提高到3～5mm 左右,都是靠减小探测器的尺寸来取得的。随着采用的晶体的尺寸越来越小, 由于受到PMT 的尺寸上的限制,不可能采用单一的晶体耦合在PMT 上的方法。图2a 和图2b 显示了现在PET 系统常用的探测器的结构。它们分别表示BGO 晶体组成的矩阵阵列耦合在 2 ×2 光电倍增管阵列上或 2 个双光电倍增管阵列上。这种探测器的价格合理且能够紧密组合排列构建成PET 系统的探测器环。但是它的空间分辨率受到了PMT 尺寸的限制和BGO 晶体产生的光子统计涨落上的影响。为了克服这些缺点，山下贵司等提出了用一个位置灵敏型光电倍增管(PS - PMT) 来取代2×2 光电倍增管列阵或2 个双光电倍增管，如图2c 所示。它的基本原理是：伽马射线被闪烁晶体吸收后，产生光子，光子通过PS - PMT 的玻璃窗，激励光电阴极发射出光电子，光电子被各倍增级倍增放大，最后经阳极输出。阳极是电阻回路组成的网状结构，通过相应的电路来计算位置。

图2 常用的PET 探测器的三种结构

BGO 晶体的辐射长度为1. 13cm ，因此能保证高的探测效率，遗憾的是BGO 晶体的光输出量低和衰减时间长。为了获得更高空间分辨率和时间分辨率的探测器,使用新的闪烁晶体来代替BGO 的方法是最有效的方法之一。LSO 因光输出量强、密度大、衰减时间短的特性而成为替代BGO 晶体的首选闪烁晶体材料之一。

3.3.2 PET探测器的发展趋势

PET 探测器发展有两个重要的发展趋势：一是深度检出型(DOI) 探测器；另一个是利用半导体器件来代替PMT 构造探测器。

1.DOI 探测器

如图3 所示，如今的PET 系统,探测器一般地成环状配置。处于视野四周的伽马射线将斜入射到探测器的晶体上，这些伽马射线极有可能透射过这个晶体或产生康普顿散射与相邻的晶体产生作用。这些作用使得空间分辨率从中心到视野的四周位置呈下降趋势。为了解决PET 分辨率一致性的问题，提出了多种深度检出型探测器解决方案。

图3 PET 分辨率一致性问题

M. Schmand 等提出了由两层不同的闪烁晶体构成的DOI 探测器，见图4a。LSO 晶体阵列层、GSO晶体阵列层和导光管叠加放置在4 个光电倍增管上。它利用波形鉴别回路，依靠闪烁晶体衰减时间的差别来区分是由哪一层所产生的信号。由于GSO 晶体的衰减时间较长，所以GSO 晶体产生的信号较LSO 晶体产生的信号相比在时间上表现为更为滞后。图4b清楚地表明了这种类型的DOI 探测器是如何提高视野四周位置的空间分辨率的。

图5 BGO/ GSO 晶体构成的DOI 探测器

也有一些研究者试图利用输出脉冲分布的差别来鉴别作用深度的。对于BGO/ GSO 晶体组成的探测器〔3〕，由于BGO 晶体与GSO 晶体的光输出量差别很大，如图5 所示。因此只要选择一个合适的能量的阈值就可鉴别是BGO 事件还是GSO 事件。

日本滨松公司的清水、山下贵司和渡边光男等人，使用两个PS - PMT 同时耦合在BGO 晶体阵列的两端构成了一种新型探测器。如图6a 所示。这样伽马射线的作用深度可以通过计算两个PS - PMTs 的输出信号之比而得到。

图6 新型DOI 探测器

2 基于半导体器件的PET探测器

之所以用半导体器件来构造探测器主要是因为PMT 对磁场敏感;二是PMT 需要较高的电压,普通的PMT 需要- 1600V 左右，PS - PMT 需要- 800V 左右，而半导体器件只需要- 200V 左右的电压; 三是PET 的分辨率受到PMT 的尺寸限制，现代的工业技术还无法做出像半导体器件一样大小的PMT ;四是PMT 的价格昂贵。

利用Si - PD 或APD 等常规半导体器件加上闪烁晶体构造PET 探测器成为一个重要的研究方向。而且使用半导体器件,也为开发新型的DOI 探测器创造了条件。图6b 显示了由美国加州大学(UCLA) 的Moses 和Derenzo 设计的一种新

型PET 探测器。8 ×8的PIN - PD 阵列耦合在闪烁晶体阵列的一端，而闪烁晶体阵列的另一端耦合在光电倍增管上，因此利用PIN - PD 和PMT 的输出信号比，可以得到伽马射线的作用深度。

另一种新型PET 探测器是利用半导体材料,如CdTe ，CdZnTe 等。这种探测器的优点是直接把伽马射线转换成电子，而不再借助于闪烁晶体。最近的实验表明利用CdZnTe 可以获得高的能量分辨率，可惜的是它的时间分辨率极低。而PET 系统要求要有高的时间分辨率来消除随机噪声。利用CdZnTe 构造的PET 探测器要实用化，还有很长的一段路要走,最近的实验表明CdTe 形成的载流子的速度比CdZnTe 要快，因而有可能获得高的时间分辨率，在PET 应用领域，一些研究者预言CdTe 要取代CdZnTe。

3.4 关于PET/CT、SPECT/PET3,4,5,6

3.4.1 PET/CT设备概况

自从1998年8月第1台PET—CT安装于匹兹堡大学并在1998-2000年间原型机完成300例临床PET—CT显像后。2001年第1台商业性PET—CT问世。就技术内涵而言，目前PET—CT扫描系统并不是一个全新的影像诊断系统。它实际上是将PET和CT二套设备有机地组合在一起．其中包括了一台PET扫描仪。一台CT扫描仪以及将二种扫描图像进行连接和共同处理的计算机软件操作平台。三位一体成为单机复合影像系统。

PET—CT设备是将反映人体组织、脏器高分辨率解剖结构的CT和在蛋白质、RNA、DNA水平进行分子影像研究的PET两者有机融合在一起全新、最先进的功能分子影像设备。是近年来在所有大型医疗设备中增长速度最快的医疗影像设备。PET—CT目前主要用于对肿瘤、神经系统、心脏等疾病早期诊断、治疗方案的选择和对治疗效果进行监测。

3.4.2 PET—CT的工作原理

PET图像揭示人体内部的分子代谢活动。但是图像解剖结构不清楚：而CT 图像显示了人体组织的解剖结构。所以PET／CT从根本上解决了核医学图像解剖结构不清楚的缺陷。同时又采用CT图像对核医学图像进行全能量衰减校正。是核医学图像真正达到定量的目的并且提高诊断的准确性。实现了功能图像和解剖图像信息的互补。

3.4.3 PET与PET—CT的比较

PET和CT采用相同的定位系统。加上螺旋CT成像的灵活性．可将CT图像重建成和PET相同的层厚。真正实现了像素对像素的融合。克服了PET图像空间分辨率不足的问题。PET—CT与单纯PET机型相比有了很大的进步。PET—CT是在原有能够反映示踪剂体内分布的功能分子影像设备PET的基础上。与能够反映组织解剖结构的影像设备CT结合。同时提供PET图像与CT影像。并进行图像融合的影像设备。这种一体化机型将PET扫描仪与CT扫描仪装配在同一机架内。二者共用同一检查床。由同一计算机工作站控制．在受检者不动的前提下。一次检查就完成两项扫描。从图像质量来讲，可明显缩短显像时间、改善图像质量。

PET—CT是目前分子显像最先进的医疗设备。对改善医院的设备和提高医疗技术水平将是十分必要的。PET—CT现已更新到第二代，第二代PET—CT能够明显缩短检查时间。诊断的灵敏度和特异性显著提高。该设备通过强强联合的方式，将在细胞和分子水平反映生理和病理特点的功能分子影像技术——PET显像与在组织水平上反映生理和病理解剖结构变化的影像技术——CT相结合。同时提供PET图像与CT影像。并进行真正意义上的图像融合。

3.4.4 PET／CT的临床应用

PET—CT临床应用广泛。目前主要用于对肿瘤、神经系统、心脏等疾病早期诊断治疗方案选择和治疗效果监测。特别是在肿瘤的定性定位诊断．良恶性的鉴别诊断。临床分期与再分期、治疗方案的选择与疗效评价以及复发的监测等方面具有重要意义。与单纯PET相比。其具有图像采集时间更短，定位更加准确等优势。随着PET／CT设备硬件和软件的不断完善。PET／CT在临床的应用已经非常广泛。除对肿瘤诊断得到广大临床工作者认可外。对心血管系统和神经诊断也取得了突破性进展。

3.4.5 SPECT/PET--带有符合线路的SPECT

SPECT/PET是在双探头SPECT的基础上增加了探测双光子的符合线路，因此，这种类型的SPECT既可进行常规的单光子探测，同时又可以转换到符合探测状态进行双光子探测，也就是利用SPECT的双探头来采集FDG正电子药物在组织内经过湮没辐射后产生的180°正反两个方向的一对高能γ光子。从单光子探测转换到双光子探测一般只需5min，由于这种类型的SPECT不仅具有常规的

SPECT 功能，而且还具备PET 的符合探测功能，所以称之为SPECT-PET 。SPECT—PET 技术的首要条件必须是以数字式双探头SPECT 为基础，探头的每一个光电倍增管后面有一个数模转换器，并以软件来控制死时间，这样，计数率和灵敏度都得到了较大提高，分辨率也得到了改善。另外，SPECT- PET 探头的晶体厚度由原来的3／8英寸增加至5／8英寸，因为常规型SPECT 探头采用3／8英寸厚的晶体能充分捕捉核TC 所放出的γ射线，而SPECT-PET 探头采用5／8英寸厚的晶体，因为正电子湮没辐射放出的γ射线为511Kev 的高能射线，如果使用3／8英寸厚的晶体。那么一部分射线就会穿过晶体，灵敏度就会降低。即使采用5／8英寸厚的晶体，但实际上还不能充分地捕捉信号，所以灵敏度没有PET 高。但是，晶体厚度太厚，单光子采集时的图像分辨率就会大大降低，SPECT 的常规功能就会受到影响，因此，SPECT—PET 探头晶体厚度采用5／8英寸是合适的，这样既以单光子控测的图像质量影响不大，又能保证较好的双光子探测图像。从操作技能方面来说，为了保障单光子探测与符合探测的图像质量，进行单光子发射成像时，要把装有多孔准直器的探头尽可能接近患者进行采集，不然图像质量就会下降。使用符合线路成像时，两个探头必须始终成180°以采集相反方向的一对γ射线，这时，多孔准直器成了采集信号的障碍，因此不用多孔准直器，而换上符合成像时使用的特殊屏蔽装置，以减少被检视野之外的散射线，从而减少随机符合，提高图像质量。并且做符合探测时，两个探头应该拉开至最大限度，以保证旋转采集时能得到各个角度的信号。

99m 素从实用价值来评估，SPECT-PET 的售价在60万美元左右，而PET 系统倍价有250至300万美元之间，而SPECT—PET 既具备常规的SPECT 功能，又能实现部分PET 功能，且获了较好的临床效果，基本上能满足临床的要求。因此，SPECT—PET 不失为一种比较实用的机型。

四、总结和展望

纵观核医学影像仪器的发展历程，从闪烁扫描机、γ照相机、单光子发射计算机断层成像（SPECT ）以及正电子发射计算机断层成像（PET ），再到SPECT/CT 、SPECT/PET 和PET/CT 。随着新技术、新材料的不断出现以及计算机软件应用的发展，势必会把核医学影像带入到一个又一个新的高度。

参考文献

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