正电子探测设备进展

吴文凯教授
中国医学科学院协和医科大学肿瘤医院核医学科

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医学影像设备对疾病的早期发现,治疗方案确认以及治疗效果的判断具有重要的临床价值。随着普通X线,超声,CT和MRI等以解剖结构为基础的诊断设备的发展,反映功能和代谢的设备也在突飞猛进。从1999年以来这一领域更是出现了质的改变。为此很有必要对功能影像设备的进展和现状进行分析研究,提出适合中国实际需求的建议。

核医学影像设备通常分为探测单光子放射性药物分布的设备即:伽玛相机和单光子发射计算机断层仪(SPECT),探测发射正电子放射性药物分布的设备即:正电子断层扫描仪(PET)。现在的SPECT已经能够完成相当一部分PET的工作,以往的分类方法已经随着新型设备不断涌现而无所适从,远远不适应当今功能代谢设备的实际情况。核医学影像设备实际可分为单光子探测设备、正电子探测设备和混合性探测设备,其中混合型包括具有正电子探测功能的SPECT和具有多模式成像功能的PET。我们把正电子探测和混合性探测设备统归为正电子符合探测设备,这一名称更能反映目前设备实际情况。本文从正电子符合探测设备的探测系统、图像重建系统和临床应用等方面的进展进行分析和介绍。

1.正电子符合探测设备的分类:

按照探测结构将正电子符合探测设备分成:环形结构正电子符合探测设备和具有单光子探测功能的符合探测设备两种。各类设备分类见表1。

表1. 正电子探测设备分类

分类 具有单光子探测功能符合探测设备 环形符合探测设备
超高能准直器 双(三)探头符合探测 扇形探测器符合探测 多探头对符合探测 多晶体多环符合探测
主要功能 能够探测单光子和正电子 能够探测单光子和正电子 只能够探测正电子 只能探测正电子 只能探测正电子
探测能力 18mm 8-11mm 8mm 6-8mm 4-5mm
临床应用 心脏疾病 肿瘤,神经系统和心脏 肿瘤,神经系统和心脏 肿瘤,神经系统和心脏 肿瘤,神经系统和心脏

正电子探测设备与X线CT相比,由于放射性核素受人体组织衰减严重,衰减校正方法复杂、成本较高,致使它的图像分辨率远不及CT。如果把两者结合采用X线进行正电子衰减校正能够显著提高深部图像分辨率;利用X线CT图像进行同机图像融合可以提高临床诊断准确率。表2比较了具有CT功能的正电子探测设备及单纯正电子探测设备的临床特性。

表2 具有X线CT功能的正电子探测设备

  具有X线CT正电子探测设备 单纯正电子探测设备
区别 CT具有定位或诊断功能无定位功能 无定位功能
临床应用 进行同机图像融合 单纯正电子探测设备
进行3D适形调强放疗模拟定位 采用放射性同位素进行衰减校正
采用X线进行衰减校正  

由此可见,将表1和表2两种分类方法相结合才能够更好体现现阶段核医学产品的分类。具有X线CT正电子探测设备代表了核医学产品发展的方向。

2.探测器进展

探测器是正电子探测设备重要的组成部分,探测器通常由滤过器、隔离器、晶体、光电倍增管(PMT)和后续电子处理系统构成。不同材料的晶体对探测器性能有不同的影响。表3对不同晶体性能进行了比较。

表3. 不同晶体性能比较

晶体/性能 NaI BGO LSO GSO 备注
捕获光子率 15% 40% 30% 25% 捕获率越大越好
光输出量 100% 25% 75% 35% 光输出量越大越好
能量分辨率 10% 20% 20% 12% 数值越小分辨率越高
衰减常数 230 300 50 60 越小越好
各向一致性 稍差  
放射性  

从表3可以看出不同的晶体具有各自的优点。NaI最大优点是光输出量最大,可以采用小直径PMT,以提高系统固有的分辨率;BGO晶体密度最大,所以能够明显提高系统的计数率。LSO晶体光余辉最小,在大剂量时能够明显提高计数率。

图1. 3D 采集时LSO晶体和BGO晶体计数比较



图1. 3D 采集时LSO晶体和BGO晶体计数比较

从图1可以明显看出在小剂量时BGO晶体计数明显高于LSO晶体;但是,当采用非常大剂量时LSO晶体计数率大于BGO。对于GSO有和LSO相同的特性,但是LSO晶体比较适合N-13和C-11短半衰期正电子核素探测,而BGO更适合于F-18正电子核素的探测。