高能正電子成像的物理及相關(guān)技術(shù)問(wèn)題中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國(guó)協(xié)和醫(yī)科課件

1、高能正電子成像的物理及相關(guān)技術(shù) 問(wèn)題中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國(guó)協(xié)和醫(yī)科 1 高能正電子成像及醫(yī)學(xué)應(yīng)用 中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院 中國(guó)協(xié)和醫(yī)科大學(xué) 腫瘤醫(yī)院 陳盛祖 高能正電子成像的物理及相關(guān)技術(shù) 問(wèn)題中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國(guó)協(xié)和醫(yī)科 2 CT與常規(guī)與常規(guī)X線體層比較線體層比較 CT常規(guī)常規(guī) X 線線 數(shù)字化圖像數(shù)字化圖像模擬圖像模擬圖像 圖像重建，三維斷層圖像重建，三維斷層幾何聚焦，二維幾何聚焦，二維 X光片光片 密度分辨好密度分辨好（0.5%）密度分辨差密度分辨差 空間分辨一般空間分辨一般空間分辨好空間分辨好（0.25mm） 成像劑量較高成像劑量較高成像劑量低成像劑量低 高能正電子成像的物理及相關(guān)技術(shù) 問(wèn)題中國(guó)醫(yī)學(xué)

2、科學(xué)院中國(guó)協(xié)和醫(yī)科 3 CT Scan Patient X Report: Normal 高能正電子成像的物理及相關(guān)技術(shù) 問(wèn)題中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國(guó)協(xié)和醫(yī)科 4 Monitoring Therapy with PET Effects of therapy on tumor metabolism seen in hours. Anatomic change (size reduction) will take weeks. 高能正電子成像的物理及相關(guān)技術(shù) 問(wèn)題中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國(guó)協(xié)和醫(yī)科 5 Monitoring Therapy with PET Effects of therapy on tumor

3、 metabolism seen in hours. Anatomic change (size reduction) will take weeks. 高能正電子成像的物理及相關(guān)技術(shù) 問(wèn)題中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國(guó)協(xié)和醫(yī)科 6 高能正電子成像高能正電子成像 的定義及分類(lèi)的定義及分類(lèi) 高能正電子成像的物理及相關(guān)技術(shù) 問(wèn)題中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國(guó)協(xié)和醫(yī)科 7 高能正電子準(zhǔn)直成像高能正電子準(zhǔn)直成像 High Energy Positron Collimation Imaging 正電子發(fā)射斷層正電子發(fā)射斷層 Positron Emission Tomography 符合探測(cè)成像符合探測(cè)成像 Coincidenc

4、e Detection Imaging 高能正電子成像的物理及相關(guān)技術(shù) 問(wèn)題中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國(guó)協(xié)和醫(yī)科 8 歷史歷史 正電子掃描機(jī)正電子掃描機(jī) 1954年年 單光子及符合探測(cè)，平面像單光子及符合探測(cè)，平面像 正電子伽瑪照相機(jī)正電子伽瑪照相機(jī) 1959年年 正電子發(fā)射斷層（正電子發(fā)射斷層（PET） 1976年年 分子符合探測(cè)（分子符合探測(cè)（MCD） 1994年年 高能正電子成像的物理及相關(guān)技術(shù) 問(wèn)題中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國(guó)協(xié)和醫(yī)科 9 正電子的物理特性正電子的物理特性 正電子發(fā)現(xiàn)于1934年 正電子帶一個(gè)正電荷 正電子有一定的能量和射程 正電子只能瞬間存在 正電子由+衰變產(chǎn)生 正電子與電子結(jié)合產(chǎn)生湮滅

5、輻射 高能正電子成像的物理及相關(guān)技術(shù) 問(wèn)題中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國(guó)協(xié)和醫(yī)科 10 正電子的湮滅輻射正電子的湮滅輻射 （Annihilation） 正電子與組織中電子結(jié)合產(chǎn)生湮滅輻射 湮滅輻射產(chǎn)生2個(gè)511KeV的光子 能量守恒 2個(gè)光子互成180(0.25） 動(dòng)量守恒 湮滅輻射光子用符合探測(cè)法探測(cè) 高能正電子成像的物理及相關(guān)技術(shù) 問(wèn)題中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國(guó)協(xié)和醫(yī)科 11 Positron Annihilation Positron travels 1-3mm (depending on energy) before annihilation. Annihilation process conserves

6、: - Energy (photons are 511KeV). - Momentum (photons are almost exactly colinear). Simultaneous detection of two 511KeV photons - event along line between detectors. n n b b+ + b b- - 1-3mm 511KeV 511KeV 高能正電子成像的物理及相關(guān)技術(shù) 問(wèn)題中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國(guó)協(xié)和醫(yī)科 12 Coincidence Detection Events occurring anywhere on line betwe

7、en detectors contribute coincidence counts to detector pair. Recorded counts are proportional to line integral of activity between the detectors. DET 1 DET 2 Pulse Processing AND Pulse Processing 高能正電子成像的物理及相關(guān)技術(shù) 問(wèn)題中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國(guó)協(xié)和醫(yī)科 13 R PMT PMT COINCIDENCE PROCESSING DETECTOR RING Projection Data Collec

8、tion Processing Electronics Processing Electronics Coincidence Processor Data Sorting, Histogram Image Recon Computer Images 高能正電子成像的物理及相關(guān)技術(shù) 問(wèn)題中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國(guó)協(xié)和醫(yī)科 14 F-18的物理特性的物理特性 衰變類(lèi)型：+衰變，電子俘獲（EC） 半衰期：109.8分 主要射線：511KeV的光子 正電子能量：Max 633KeV,平均203KeV 符合時(shí)間：10-9秒 高能正電子成像的物理及相關(guān)技術(shù) 問(wèn)題中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國(guó)協(xié)和醫(yī)科 15 511KeV 光子

9、的物理特性光子的物理特性 穿透能力強(qiáng) 為99mTc的3.65倍, 131I的1.6倍 衰減系數(shù)： =0.096cm-1 (水) 99mTc為0.14cm-1 半吸收厚度： 511KeV：7.14cm (水), 4.1 mm (鉛) 140KeV：5.0 cm (水), 0.17mm (鉛) 康普頓散射： 511KeV：170341KeV 60% 140KeV：130KeV 80% 高能正電子成像的物理及相關(guān)技術(shù) 問(wèn)題中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國(guó)協(xié)和醫(yī)科 16 符合探測(cè)事件的類(lèi)型符合探測(cè)事件的類(lèi)型 單光子(single, singles) 真符合(true coincidence) 隨機(jī)符合(random

10、 coincidence) 散射符合(scatter coincidence) 散射符合也是真符合，只是改變了方向 高能正電子成像的物理及相關(guān)技術(shù) 問(wèn)題中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國(guó)協(xié)和醫(yī)科 17 3-D Detection Provides Highest Geometrical Efficiency Lowest is Collimated (0.3 X) Detector Detector 2 Intermediate is 2-Dimensional (1 X) Highest is 3-Dimensional (5 X) Accepts only perpendicular events Acc

11、epts transverse events Accepts transverse and caudal/cephalic events Detector 2 Detector 1 Detector 1 高能正電子成像的物理及相關(guān)技術(shù) 問(wèn)題中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國(guó)協(xié)和醫(yī)科 18 高能正電子成像的晶體和材料高能正電子成像的晶體和材料 鍺酸鉍晶體(bismuth germinate, BGO) 碘化鈉晶體(NaI) 硅酸镥(lutetium oxyorthosillicate, LSO) 硅酸釔(yttrium oxyorthosillicate, YSO) 硅酸釓(gadolinium orthosi

12、llicate, GSO ) 半導(dǎo)體,銻鋅鎘(cadmium zinc telluride, CZT) 三明治晶體(sandwich YSO/LSO, 12cm ) 高能正電子成像的物理及相關(guān)技術(shù) 問(wèn)題中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國(guó)協(xié)和醫(yī)科 19 各種晶體性能的比較各種晶體性能的比較 性能 BGO LSO YSO GSO NaI 密度(g/cm3) 7.13 7.4 4.54 6.71 3.67 有效原子序數(shù) 74 66 34 60* 51 衰減系數(shù)(cm-1) 0.96 0.87 0.43* 0.67 0.34 衰變常數(shù)(ns) 300 40 7065 230 光輸出量(%) 15 60 120 35

13、100 能量分辨(%) 10 1218 7.5 9 7.8 注:晶體主要要求:靈敏度、最大計(jì)數(shù)率、能量分辨 高能正電子成像的物理及相關(guān)技術(shù) 問(wèn)題中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國(guó)協(xié)和醫(yī)科 20 1英寸晶體的優(yōu)勢(shì)英寸晶體的優(yōu)勢(shì) 高能正電子成像的物理及相關(guān)技術(shù) 問(wèn)題中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國(guó)協(xié)和醫(yī)科 21 1” Starbrite Crystal Design 高能正電子成像的物理及相關(guān)技術(shù) 問(wèn)題中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國(guó)協(xié)和醫(yī)科 22 Crystal Stopping Power 3/ 8” 5/ 8” 1” Photofraction 61% 511 keV efficiency 37 % Photofraction 51%

14、 511 keV efficiency 17% Photofraction 47% 511 keV efficiency 9% Problem: Stopping Power Solution: Thicker Crystals 高能正電子成像的物理及相關(guān)技術(shù) 問(wèn)題中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國(guó)協(xié)和醫(yī)科 23 PET/CT的發(fā)明是醫(yī)學(xué)影像學(xué)的發(fā)明是醫(yī)學(xué)影像學(xué) 的又一次革命的又一次革命 高能正電子成像的物理及相關(guān)技術(shù) 問(wèn)題中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國(guó)協(xié)和醫(yī)科 24 CT與PET比較 CTPET 透射斷層透射斷層 TCT發(fā)射斷層發(fā)射斷層 ECT X 射線射線射線射線 空間分辨空間分辨1mm空間分辨空間分辨5mm 圖像重

15、建圖像重建圖像重建圖像重建 解剖解剖功能功能 高能正電子成像的物理及相關(guān)技術(shù) 問(wèn)題中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國(guó)協(xié)和醫(yī)科 25 高能正電子成像的物理及相關(guān)技術(shù) 問(wèn)題中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國(guó)協(xié)和醫(yī)科 26 First Installation in Zurich March 2001 Discovery LSDiscovery LS 高能正電子成像的物理及相關(guān)技術(shù) 問(wèn)題中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國(guó)協(xié)和醫(yī)科 27 高能正電子成像的物理及相關(guān)技術(shù) 問(wèn)題中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國(guó)協(xié)和醫(yī)科 28 PET/CT的特點(diǎn) CT與PET硬件、軟件同機(jī)融合 解剖圖像與功能圖像同機(jī)融合 同一幅圖象既有精細(xì)的解剖結(jié)構(gòu)又有豐 富生理、生化分子功能信息 可

16、用于腫瘤診斷、治療及預(yù)后隨診全過(guò) 程 高靈敏度、高特異性、高準(zhǔn)確性 PET、CT單獨(dú)能實(shí)現(xiàn)的，PET/CT一定能 實(shí)現(xiàn)；PET/CT能實(shí)現(xiàn)的，PET或CT單獨(dú) 不一定能實(shí)現(xiàn) 高能正電子成像的物理及相關(guān)技術(shù) 問(wèn)題中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國(guó)協(xié)和醫(yī)科 29 PET/CT的發(fā)展歷史的發(fā)展歷史 1953年 正電子探測(cè)腦腫瘤 1963年 發(fā)射斷層 1973年 Hounsfield發(fā)明CT 1976年 PET用于臨床 1991年 螺旋CT問(wèn)世 1995年 Townsend研制PET/CT, NCI Grant 2000年 PET/CT在北美放射學(xué)會(huì)問(wèn)世 2001年 PET/CT用于臨床 2002年 LSO PET/CT UPMC 高能正電子成像的物理及相關(guān)技術(shù) 問(wèn)題中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院中國(guó)協(xié)和醫(yī)科 30 IMAGE FUSION 2000 2001 2002 PET/CT 13 33 55 PET/MRI 14 25 21 SPECT/CT 11 8 14 SPECT/MRI 5 18 6 49 SNM 高能正電子成像的