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多探头闪烁相机符合探测显像设备
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摘要：FDG显像研究人体的代谢过程已经有多年的历史，但由于设备昂贵及放射性药物的限制该技术未能普及。最近开发出既可以探测湮灭辐射，又可以探测单光子辐射的新的显像设备。尽管该设备的灵敏度仍较低，但用叠代法重建和衰减校正技术使图像质量有明显改善。将低分辨率的CT系统与多探头ECT系统整合于同一台设备，在符合显像时进行衰减校正和图像融合。将解剖和功能图像显示在一幅图像上，提高了病灶的定位能力。这套设备的开发，为需要进行正电子显像的使用者提供了更宽阔的选择余地。 1953年，Brownell和Sweet指出利用正电子衰变的湮灭辐射可以进行符合显像。但一直到1975年才出现了可以研究体内生理变化的较高灵敏度的PET设备。将多个小的探测器排列成六角形或圆形进行符合探测，从而发展为现今具有优良显像能力的PET显像仪。但是，由于PET昂贵的价格及后期投入，仅用于正电子显像而使它的应用受到限制。在多晶体系统发展的同时，Karp等人发明了一种大面积NaI（TL）晶体的PET系统。它提高了计数率和探测效率。然而，这一系统仍只能用于正电子显像。由于上述原因，制造商将PET技术移植到双探头显像系统中，以提供一种既可进行单光子显像又可进行正电子符合显像的多功能ECT系统。实际上1958年ANGER等人就报道采用双探头相机做正电子符合电路显像。1975年MUEHLLEHNER 等人在大幅度改进相机电子部分后开发了Searle正电子相机。由于当时相机的计数率以及计算机的速度和运算方法限制了该系统在临床中的应用。在过去6年中，制造商们将符合探测装置应用于可旋转的双探头相机。这种双探头符合线路（DHC）技术可将正电子显像从少数几个PET中心扩展到更多的选购符合显像设备的区域。 |
闪烁相机技术的发展511keV光子显像的要求迫使制造商改变他们研制闪烁相机的重点。以往大多数的核药物能量都低于200keV，他们在低能显像方面投入了很大的精力。而由于湮灭辐射产生511keV的光子，因此将精力转移到研制带有符合显像功能的闪烁相机上很有必要。 首先，必须扩展相机脉冲高度分析的能量范围。一些系统通过调节脉冲高度分析器的高压使采集窗与光电峰匹配来扩大能量的探测范围。另一些系统通过设置单一高压，使用脉冲高度分析器重新定标的技术减低高压从而引入一种高能模式。这种方法在同时采集高、低能量光子时（双核素显像），对低能量（201Tl的70keV）探测有困难。但现在使用超高能准直器的双核素显像（140和511keV）已经成功。 泛源均匀性依赖于能量性广为人知，普通ECT具有中低能范围的线性及均匀度校正图以保证所使用的各种核素有均匀性良好的图像。对于511keV的光子，需要将中低能范围的线性及均匀度校正图扩展到高能量范围。不同的厂家有不同的解决方案，可以简单的通过中能图生成新的高能图，或将二者相结合（如中能线性图与高能均匀图）。 在探测511keV时会穿透探头盖产生辐射泄漏（强度衰减为1/10时铅厚度为13.5mm，相比而言140keV为0.9mm），制造商为系统提供了可以屏蔽高能射线的装置。在新设备的检测验收时，这是应当注意的项目。 在探测511keV光子的技术出现前，闪烁相机均采用3/8英寸（9.5mm）的晶体，因为它在低能时具有良好的固有空间分辨率。此厚度的晶体在140keV时的光峰效率为84%，但在511keV时的光峰效率仅为13%。为了增强511keV的探测效率制造商又推出了5/8英寸（15.9mm）和3/4英寸（19.1mm）厚度的晶体。图1所示为诊断能量范围的晶体厚度能量效率曲线。对于符合显像来说，效率问题远比单光子显像重要，因为符合显像必须同时探测到湮灭辐射产生的一对光子。因此，探测一个符合事件的能力是2个探头的探测能力的乘积。对于3/8英寸晶体的符合探测效率为13%×13%=1.69%，5/8英寸晶体的探测效率为21%×21%=4.41%，增加因子为2.6，与此同时单探头增加因子只为1.6。如果只考虑高能探测，那么晶体厚度越厚越好。但我们的目的是发展既可用于低能又可用于高能的显像系统，因此在增加晶体厚度的同时，必须考虑低能采集时的固有空间分辨率。表1显示了Millennium VG 3/8英寸和5/8英寸晶体的固有空间分辨率。当使用低能高分辨准直器在10厘米处的空气中，测量每种能量的差别时，两种厚度晶体的空间分辨率仅相差0.2厘米。除非相机探头离所测物体很近，决定分辨率范围的是准直器而非晶体。但晶体厚度超过3/4英寸以后，采集低能时晶体的固有分辨率成为影响系统空间分辨率的主要因素，而且系统的空间分辨率下降很明显。 对于符合显像的相机技术而言最重要的是提高采集计数的能力。正如同后面所要讨论的，闪烁相机必须能够处理很高的单能计数率而达到临床可以接受的程度。511keV光子的吸收特性在这当中起很大的作用，从而可以产生非常强的信号。例如，511keV光子作用在晶体上产生4倍于140keV光子的光能。利用这一原理，可在采集与晶体相互作用所产生电脉冲之前进行筛选。这很早就应用于单光子显像中，可将持续1微秒左右的信号减少至40到200纳秒。这种方法在能量分辨率部分损失的同时减少了每一闪烁事件的死时间。相似的技术以往也应用于单光子计数的高计数率模式中。另外，有制造商在NaI（Tl）-PET仪中使用了一种技术，即限制处理每一事件的光电倍增管的数目（与发生事件最近的光电倍增管及邻近的6个光电倍增管）。这使得机器单个区域内光子能量吸收的测量不会受到其他区域所吸收的光子的影响。因此可在同一时间进行多个发生事件信号的探测和处理。对于大多数低计数率的γ相机无需采用此技术。 最后符合显像中，两个探头间符合电路的符合时间窗要设置为10-15ns。这可以鉴别出两个探头同时记录到的反应事件（彼此在5到7.5ns之间）。 |
双探头闪烁相机符合显像的基本原理个探头成180度相对，并与传统的SPECT一样围绕检查区域旋转。没有使用常规的多孔准直器，以便不同角度的符合光子都能够和晶体作用。当产生了一个正电子后，伴随着湮灭辐射产生的两个光子从反应的地点以180度的相反方向向外发散。如果一个探头探测到其中的一个光子，2个探头间的符合时间窗开启后，在这一段时间内另一个探头探测到一个光子，则记录下一次符合事件（相当于同时记录到两个独立的事件）。两个探头同时捕获到两个反应的光子。而且正电子的衰变位于两个探测点的连线上。因此每一次符合事件均包括探头旋转轨道中探头的位置，（确定一个参考的坐标系统），每个探头上每个光子反应的坐标，和每个探测事件的PHA窗（后面将讨论脉冲高度分析）。 理想状况下，一次湮灭辐射的两个光子只能引起一个事件被记录。如图2B，我们称其为真符合。然而，由于显像处理的几何因素，如图2C，许多湮灭光子没有到达探头。这个几何因素以及正常的光子散射、衰减和探头的低探测效率，导致许多光子只被一个探头探测到，而其对应的另一个光子未被反方向的另一探头探测。每个探头接收到100个或更多的单独事件，才会有一个可用的符合事件。那就是为什么需要高计数率的相机来探测符合事件，从而达到临床所要求的灵敏度。高计数率的缺点是：在提高单个计数率的同时，也会在符合时间窗内探测到由2个独立湮灭辐射产生的光子。这将会导致一次位置错误的无效事件即随机符合被记录（图2D）。因此，在符合探测过程中，总符合率是真符合和随机符合之和（图2E）。目前仍无法区分真符合及随机符合。对于显像的质量来说，随机符合产生的本底甚至比符合显像或单光子显像产生的散射光子影响更大。然而由于随机事件是真正的随机，不管两个光子到达探头的时间差别有多大，它们发生的几率相同。所以可以应用一个独立的延迟时间窗来测量随机符合率，进而可利用这一数据对实时窗内的随机事件进行校正。 在符合显像中也应考虑到散射因素。如果显像区域内一对湮灭光子的其中之一发生康普顿散射并到达了探头（图2F），这两个光子仍在符合时间窗内被记录下来，并且导致一次位置错误的无效事件被记录。如同单光子显像一样，PHA将排除大角度的散射，但对小角度的散射无效。与单光子显像不同，散射事件并不仅仅来自身体。 在DHC显像中同样有几何效应的问题。图3所示将点源置于视野中央时，可获得最大的点源灵敏度。当放射性点源在平行且等距于两个探头的平面上移动时，点源位于探头中心的灵敏度最高，视野周边的灵敏度最低。这是因为视野周边的光子射向探头的角度小，中心的角度大。在做图像重建时需要有灵敏度范围校正来弥补周边灵敏度下降的问题。 使用厚度为5/8英寸的NaI晶体对18F的点状源采集的能谱如图4B所示。光电峰值为511keV（能量分辨率为7.5%），康普顿散射的上界在340keV，本底散射峰在170keV。理想的情况是：位于511keV的光子被两个探头的晶体同时接受，进入PHA（W1）。由于NaI晶体对高能光子的探测效率很低，需要采用其它方法提高计数率。例如，可以将晶体接收到的康普顿散射的一部分光子包含在内（图4A）。根据湮灭辐射的原理，这是可以接受的。湮灭辐射产生的光子及位置是与两个探头相互作用确定的，因此，可以通过测量一个探头上的511keV光子作用和另一个探头上康普顿散射光子作用，记录一次湮灭辐射事件（图4A和B）。在PHA上，康普顿光子可以用100-340keV的一个或多个窗记录下来（W2）（图4B）。一些制造商使用单个窗口包括了整个能量范围，另一些厂家使用的单个窗口只包括了部分能量范围（如200-340keV），还有一些厂家提供了额外的通用PHA的多个窗口。包括湮灭光子的部分吸收造成的符合事件也可以提高灵敏度（图4A反应3）。但是，在低能窗记录到的一部分事件是由于体内的散射而失去部分能量的光子。这些事件就意味着光电峰-康普顿符合和康普顿-康普顿符合不可避免地导致对比度降低，分辨率下降。表2显示了用GE Millennium VG对一20cm长、直径为22cm的含有均匀的18F的圆柱体显像时，包括了这些额外事件时相应增加的灵敏度。 表2使用5/8英寸晶体对18F进行多窗符合测量固有分辨率和相对灵敏度的变化
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