PET/CT技术进展

专栏一- PET/CT设 备的临床应用和管理编者按: PET. PET/CT进入中国仅十几年就已经取得骄人业绩，但重引进、重配置，轻管理、轻科研的状况也值得引起业界高度重视。本专栏特约复旦大学附属华山医院PET中心主任许震生教授担任栏目主编，专栏作者涵盖企业和医院的工作人员，也包括香港和台湾地区的研究人员，从PET/CT的进展、 研究、应用到管理进行了全面论述。许教授认为，加强业界交流、信息共享、加强人才培养是当前极为紧迫的任务,亦是确保正电子放射影像事业能更快更好更平衡发展的重要手段。希望本专栏能够为此提供-一个良好的交流互动平台，供读者探讨。PET/CT技术进 展.Technology Development of PET/CT王文艇，钱锋[摘要]本文着重介绍近几年PET/CT中PET的技术进展。新晶体材料的(西门子(中国)有限公司医疗业应 用使得PET/CT在分辨率和灵敏度等方面有了显著提高，飞行时间技术务领域，分子影像产品部，上(TOF改善了PET数据的信噪比，最新型的HD PET技术则让PET获得了全视海201318)野一致的高清图像。文章最后简要描述了目前商业PET/CT的临床应用。[关键词] PETICT;闪烁晶体;飞行时间技术; HD PET;扫捕仪[中图分类号]R814.42 [文献标志码]A三[文章编号1 1674- 132009080001 -04Abstract: This study introduced the recent PET technology development of PET/CT. The application of new sinilalor sinificanl'y improved the resoluion and许震生sensitivity of PET/CT, the technology of time of flight (TOF) increased the signal-WANG Wen -Ting, QIAN Fengto-noise ratio of PET data, and the streanlined high-defination (HD) technology(Deparment of MoleculeImaging, Healthcare Sector,offered uniform resolution across the entire field of view and enhanced the qualitySiemens Limited China,of images. At last, the clinical practice of current PET/CT was bielly described.Shanghai 201318, China)Key words: PET/CT; siniltorTOF;:HD PET;scanner0前言的意义。患者和显像中心运作所获得的最大便利是:一次预约，一次到医院检查，相关的医师就可获得疾病解剖和功能世界上首台PET/CT原型机始于1998年，它联合一台状态的完整评估。自首台商用PET/CT于2001年5月安装之单排CT扫描仪(SOMATOM AR.SP ; Siemens医疗部)和-后，所有主要的医疗影像设备生产商都生产了至少- -款PET/台PET ( ECAT ART ; CPS Innovations)安装在同一个旋转CT,这项技术出人意料地被核医学和放射科迅速接受。2006机架内，并且使用同一张CT检查床"。数据采集和图像重年之后PET/CT的销售全面取代了单独的PET。与最初的原建则分别在各自的计算机系统上进行。同机配准的CT图型机一体化的方式不同，目前市场上的PETCT包含前后排像，使得PET图像的解读更加精确和富于信心，并可帮助确列.各自独立的一台多层螺旋CT和一台PET扫描仪。检查时,认"F-FDC非特异摄取，因此提高了图像解读的准确性。使患者首先通过CT扫描仪然后再进入PET的视野。CT 和PET用PET/CT，异常摄取的区域可定位到淋巴结之类的特殊形采用同-个数据采集工作站。PET/CT 的整体工作性能取决于态结构上。CT图像的解读也可通过相关的PET扫描结果予各个独立组件: CT组件, PET组件,电脑硬件和综合软件系以修正:阴性CT图像上I°F-FDG摄取的升高仍有指示疾病统的功能等。在经讨许名年缓慢但却稳定的发展之后，CT在收稿日期: 2009-07-31栏目主编:许震生，高级政工师，华东理工大学商学院MBA讲座教过去中国煤化工!著的进步。PET 在过去本文作者:王文艇，硕士，西门子医疗集团分子影像产品部市场专员。的十年|YHCNMHG展,这些进步包括硬件钱锋，博士，西门子医疗集团临床协作研究员。作者邮箱: wang.wenting@siemens. com和软件两方面，如:新型的闪烁体、更好的空间分辨率、更高的灵敏度、更精确的重建技术，最近重新引人了飞行时间2空间分辨率的提高测量，以及全视野-致的高精度图像技术等。正电子显像在空间、时间和对比分辨率上有一定的限1 PET的新型闪烁晶体制，但这些性能在特定的显像条件下可得到提高。正电子的射程和光子的非共线性减低分辨率的程度是由湮灭正电子能光子分量是闪烁体内通过光电效应相互作用发生湮灭光量和探头孔径分别确定的。事实上，临床显像的分辨率还受子的比例，相较于可能在探测器内产生多发交互点的康普顿探测器元件、模块编码方案、重建算法和平滑滤波之类的其散射而言，光电效应才是我们需要的。上世纪70年代，PET他因素影响。对于给定扫描的几何条件、PET 生物标记物如探测器经历了从铊激活碘化钠(Nal)向锗酸铋(BGO)的"F-FDG以及显像程序之后，可达到的空间分辨率将首先取转变，后者是一种具有更高密度和更大光输出量的闪烁体。决于探测器元件的大小。图1A (右)显示的是一名头颈部癌大多数安装于九十年代的PET都是以BCO模块探测器为基症患者即F_-FDG PETICT扫描的冠状面4。该检查是在一-台础的。九十年代后期，掺入了铈的硅酸钆(CSO)和硅酸镥ISO晶体为6.4mm x 6.4mm的扫描仪上进行的(图1A，左)。(LSO)之类新的更快的闪烁晶体提高了PET的临床显像性该检查确认了患者左颈部病变的性质，该患者最先表现为肉能叫。GSO和ISO都比BG0拥有更短的衰减时间，是后者眼发现的增大结节，起初被认为是囊肿，但后来发现其中包.的1/6~1/7，从而可减少系统的死时间并提高计数率性能。表含鳞状上皮细胞癌。患者还经历了随机的组织活检，并且去1总结了这些晶体的物理参数。除了左侧扁桃体，但也未能找到原发肿瘤。患者随后接受了表1 PET晶体物理性能对比第二次"F-FDC PET/CT检查，使用扫描仪具有高分辨率的特性NaIBGO4mmx 4mm ISO晶体(图1B,左)。高分辨扫描的结果如图密度(g/mL)3.677.13.46.71B(右),右侧结节的SUV达到3.7,以及左侧结节的高摄取。有效原子数746661患者进行了左颈部根治性淋巴清扫术和包括切除右侧扁桃体衰减距离(cm)1.051.16在内的右颈部的改良性淋巴清扫术。右侧扁桃体鉴定为原发衰减时间(02)23030035~4530~60肿瘤，提示病变已经跨过了中线并且出现了易令人误解的左光子/MeV38,0008,20028.00010,000侧淋巴结转移。高分辨率PET/CT因此改变了该患者的治疗光子产额(%Na)001575策略，术后无瘤存活已超过两年。这个病例表明，在不增加潮解有无晶体体积条件下，减小元件的大小在临床显像中可发挥重要对于临床显像而言更重要的是使用更快的闪烁体以缩小作用。4mm正方形LSO晶体及由此所得到的小体积尺寸使得符合时间窗，进而减少随机符合率。新闪烁体增加的光输出系统的容积分辨率较以前提高了250%。基于该技术的应用，提高了能量分辨率,因为可见光光子数目的增加减少了能量PET/CT具备了超高系统计数率、超高的空间采样和各向同性测量中的统计涨落。但是，其他物理效应也会对发射过程的空间分辨率。有影响，而且能量分辨率的提高不是一个简单的可见光子数目决定的。由于模块可以被切割成更小的晶体，更高的光输2.出同样提高了一个探测模块的定位精度，进而提高空间分辨率。BGO、 LSO和CSO晶体不易潮解，易于进行探测器的加工和包装。CSO在某种程度上比BCO或LSO更脆弱、更难加工。LSO具有大约280 Bq/mL的内在放射性活度，单光8X8单元/模块318 MBq: 60min代谢子发射能量范围在88- 400keV,这样-一个有放射性的组件对B6.4■X6.4m于511 keV的符合计数影响很小。LSO 晶体的主要优势是快3.7、速扫描，LSO PET/CT 全身扫描时间仅需7~15min，而传统8.7BGO PET/CT全身扫描时间约需30min。LSO PET/CT的高病人流通量可明显提高医院的经济效益,加快设备的投资回报。另一方面，快速全身扫描使病人受检时因身体位移造成图像13X13单元/模块414 MBq; 90min 代谢质量受到影响的因素大大减少，因此明显提高了诊断的准确性。LSO PETICT的快速扫描特别适合于VIP患者危重患者、中国煤化工:()低分辨年扫描儿童患者等不适于长时间接受检查的病人。展示了;YHCN M H G发病灶位于左侧。 因此计划进行左颈部清扫术。(B)高分辨率扫描还显示了右侧LSO和LYSO快速闪烁晶引起了人们对PET飞行时间的摄取，提示为双侧病灶，扫描图上标出了SUV。患者因此(TOF, Time of Flight )方面的兴趣。Philips 推出了首台应用也进行了对侧颈部清扫术，术后两侧病变都得到了证实用。TOF的商用PET/CT- Genimi T。具有快速闪烁晶体和电子线路的设备可在一-定分辨率之内测敏患者体内由正电子湮灭3灵敏度的提高产生的一对光子到达探测器的时间差异，以此来确认正电子湮灭的位置。例如，-台符合时间分辨率为500ps的扫描仪，PET本质上是3D显像方法，使用符合探测的电子准直在湮灭位置上的空间不确定性就是7.5em。这种不确定性导替代了单光子显像所需要的物理准直。由于受晶体性能限制，致不能将湮灭定位于一个2mm的体素中(并且因此抵消了首台多环BCO晶体PET仍使用了隔栅一铅或 钨制隔板放在重建的作用)，但这仍好于没有-点时间信息并且将可能性了探测器环之间(2D显像模式)。隔栅的目的在于限制人射平均地分配于响应线上所有体素的情况。与之不同的是， 湮光子的角度，使探测器不能接受横断面以外散射而来的光子,灭发生最可能的位置是在不确定分布的中心。TOF分辨率改以此来降低噪声,但这样会使系统的灵敏度大大降低。由于善时，空间的不确定性减少并且信噪比以极大的倍数增加。LSO和GSO为基础的扫描仪在1990年代后期出现,情况发TOF PET在1980年代早期被开发，当时使用的是快速但对生了改变，这些设备可以较小的符合时间窗( 4.5-6ns)和更511keV光子截止能力不佳的闪烁体。直到最近，既快又灵高的能發阈值( 400 -450 keV)运行，而BGO晶体扫描仪时敏的內烁体的出现之后，这种兴趣重新燃起。基于IS0或者间窗是10~12ns、能量阈值是350keV。注射370 MBq (10mCi)LYSO晶体的新型TOF PET必须有良好的时间分辨率和稳定下-FDC以3D模式采集可显著改善全身显像的质量。性，以避免频繁的探头校准。扫描仪的灵敏度还可通过添加更多的探测器材料获得提高。平面灵敏度可以通过增大闪烁体厚度予以提高，厚度增5全视野- -致的高精度(HD )囹像技术长50%(20mm/30mm)可以使灵敏度增加40%。增加轴向长度(增加晶体环数目)而不改变厚度,可使体积灵敏度增传统PET图像由于受探测器的影像，视野中心图像清加75% (无隔栅3D采集)。因此添加额外的探测环可更有效晰，而视野外周分辨能力差。最近，一种可以提高图像均匀地利用增加的LSO体积，当然在这种情况下，由于需要更多度、分辨率和信噪比的图像技术(Siemens Biogaph HD)投探测器，光电倍增管的数目也需要增加。在注射放射性示踪人商业应用。该技术在快速闪烁晶体LS0以及超高速电子线剂后，患者接受了来自所有湮灭光子的辐射剂量,而不仅仅路的基础上应用了点扩散函数( Point Spread Function, PSF )。是来自显像视野之内的，因此，轴向覆盖范围越大，发射出点扩散函数用于描述一个图像系统对于一个点源或点物体的的射线利用率越高，对于给定体积的闪烁体而言利用率也越响应，通常用于像显微镜、眼科学和天文学(比如哈勃望远高。对于大多数PET/CT而言，PET的轴向覆盖范围是大约镜)这类高精图像设备上，以获得高精度的图像。如图2所16cm (24环),有- -种设计轴向长度为18cm (39环或44环),示，在传统PET技术中，如果光子来自于视野中间，响应线而最近的设备则能达到21.8 cm (52环)。后者包含32000个(Line of reponse, LOR )可以准确地落在光子所进入的晶体上。.以上个(4x4x20) mm3的LSO晶体，并且在一一个床位就可如果光子离FOV越远，响应线位置的计算就越不准确，因为以采集109层2mm厚的横断面凹。该光子将以一定角度穿透晶体进入另一个晶体发光。HD技具有21.8 cm的轴向覆盖范围的PET/CR,允许采用增术整合了数百万个精确测量的点扩散函数(PSF )。使用精确加病人通量的快速扫描程序。由于过去几年中CT和PET性的点扩散函数将响应线( LOR )与它们的真实几何位置准确能的进步，总扫描时间从单纯PET扫描的45-60min减少到对位，显著地降低了图像模糊与失真。PET/CT扫描的10-15min。 从颅底到大腿根部的CT扫描现在HD技术是-种高分辨率的PET技术，在整个视野内都可在15-20s完成，具有延长轴向视野(FOV)的PET/CT的可提供更清晰的图像，可提供小病灶的清晰影像，具有更大PET扫描需要5个床位，每个床位2-3min。FOV 的扩大不仅的疾病分期能力和治疗准确度，可让医生更有把握确定淋巴由于其内在灵敏度的增加而减少了每个床位的采集时间，而结、腹部、头颈部和脑部的小病灶,从而更早地提供针对性且覆盖标准全身显像范围需要的床位数也减少。的治疗方案。高清晰度的影像对于监控手术或治疗后的患者非常重要。影像清晰度可使医生能够发现小的早期复发的头4 PET飞行时间.预部恶I中国煤化工台疗后解剖结构变形的患者YHCNMHG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及复发的监测等方面具有重要意义。肿瘤组织的重要特点之-就是生长迅速、代谢旺盛，特别是葡萄糖酵解速率显著增高。因此，代谢显像是诊断早期恶性肿瘤的最灵敏的方法之-。PET可-次进行全身断层显像，这也是其它显像设备所无法实现的。除了发现原发部位困2 HD技术可以获得均勾的高清图像。(A) 传统的PET病变,还可以发现全身各部位软组织器官及骨骼有无转移病在整个FOV内使用一样的重建原理，并不把探测器的几何变,对肿瘤的分期非常有利，并可提供准确的穿刺或组织活构造和响应线(LOR)的错位考虑进去。这导致了围像边缘检的部位，协助临床医生制订最佳的治疗方案。PET可以对失真，离FOV越远图像越模糊。(B)采用PSF技术可以精确治疔后肿瘤残留或复发进行早期诊断,并与治疗后纤维化、描述啕应线位置，以此定位正电子湮灭事件。坏死进行鉴别，同时根据治疗后病灶分布情况进行再分期。通过快速的全身PET/CT扫描，为不明原因的转移性肿瘤寻6 PET/CT的临床应用找原发病灶,确定代谢活跃的病灶范围，为放射治疗提供更合理、准确的定位，降低治疗的副作用。全球范围内有五家PET/CT制造商:西门子医疗.CE医疗、PET/CT心肌显像对冠心病特别是心肌缺血具有独特诊断日立医疗、飞利浦和东芝医疗公司。表2总结的是由西门子价值, 不仅可直观观察心肌缺血程度，还可估计病变的范围。分子影像、GE医疗和飞利浦提供的PET/CT机型的特点"。"N~NH, 是常用的、较为理想的心肌血流显像剂，PN-NH, 心PET组件的规格和性能根据厂商不同而变化，Biograph HI-肌血流灌注显像反映心肌细胞的灌注状态以及反映心肌梗死REZ TruePoint (表2,西门子医疗)在3D模式能提供4mm后侧支循环建立的血流灌注状态，提供心肌灌注和存活的直的空间分辨率，可于6、16、 40或64层CT组合。Discovery接信息。用"N-NH,心肌血流灌注显像与P -FDG心肌代谢ST(表2, GE医疗)使用BGO探测器，可与4、8或者16显像(在葡萄糖负荷状态下)进行对比分析,若表现为灌注-层CT组合。Discovery STE也使用BCO探测器，晶体切割比代谢不匹配，即为存活心肌的标志;若灌注-代谢相匹配，Discovery ST小，与8或者16层CT组合; Discovery VCT是则无存活心肌。此法为目前公认的评价存活心肌的“金标准”。配置了64排CT的Discovery STE。Gemini GXL(表2，飞利PET/CT可灵敏地探测到功能性癫痫病灶，帕金森氏病和浦医疗)具有GSO探测器，是一种根据使用情况CT和PET阿尔海默氏病(Alzheimer's)。致痫灶在癫痫发作期表现为高可在实体上分开的开放型设计; Gemini TF,可配置16层或代谢灶，或与周围正常脑组织相似;发作间期则为低代谢灶。者64层CT。所有的型号现在都为70cm的探头孔径，方便致痫灶大多位于内侧皮质，部分患者可同时在额叶、顶叶、放疗患者以治疗体位进行扫描。PET/CT临床应用广泛，目前枕叶等部位。帕金森氏病又称震颤麻痹, CT和MRI常无特主要用于对肿瘤、神经系统、心脏等疾病早期诊断,特别是征性改变，"p -FDG PETICT则可见大脑皮层广泛代谢降低，表2西门子医疗、 GE医疗和飞利浦 医疗PET/CT 机型的特点生产制造商西门子医疗GE医疗飞利浦医疗图片山机型Biograph6, 16, 40, 64 .Discovery sT, stE, VCT, RXGEMINI tF探测器晶体LSOBGO、LYSOLYSO(6.4x 6.4 x 25)mm'、(4x4 x 20)mm'(4.7 x 6.3 x 30)mm(BGO). (4.2x 6.2x 30)mm' (LYSO) (4x 4 x 22)mm'显像模式3D (无隔栅)2D(隔柵)/3D(无隔栅)CT种类6, 16, 40, 64层CT8, 16, 64层中国煤化工16, 64层CT轴向视野轴向视野18cm、轴向视野21.6cm (TrueV)轴向视野15.THCNMHG轴向视野18cm符合时间窗4.5ns符合时间窗11.7ns符合时间窗6ns符合时间窗下转第32页4面12个本底ROI的位置应符合NEMA标准。各球体五个层准确测定LSO晶体的固有本底计数率。面的本底感兴趣区可在其中-一个层面勾画完毕后，其它层面由于NEMANU2-200版标准中没有PET/CT融合精度的勾画均采取全选、复制、粘贴的方式,以保证全部计算层测试方法，采用点源模型可以有效测试由于机械和软硬件引面的-致性。起的PET成像与CT成像融合偏移。LSO晶体的固有本底计数率测试表明:采用一次单一床NEMA NU 2-2001版标准的目的是评价PET的性能。厂位6min PET/CT空白扫描即可得到所需要的LSO晶体本底计家可引用这些标准化的测试详细叙述他们产品的性能水平。数值。LSO晶体的固有本底真计数( net truess )约为5counts/由于这些测试对于工业生产是实用的,故用户可以用于比较，计数率非常低(Scounts/s)。由于临床显像时的真计数不同厂家的断层仪。测试中使用的器件或方法对于大多数使一般有几千甚至上万个counts/s (以受检者每千克体重注射用者是可行的。因此,这一标准化的测试步骤也可以被用户3.7- 7.4MBq显像剂后60- -80min显像计算),高于本底计数率用于断层仪安装前后的验收测试。部分测试可用于质量控制。几百倍甚至千倍以上。表明LS0固有的本底放射性对临床显[参考文献]像条件下真符合计数的影响是微乎其微的，完全可以忽略不[1] National Elccmical Manuactures Asociation. NEMA NU2- 2001.计。但在NEMA测试时，部份指标如灵敏度是在低计数情况Performance Measurements of Positron Emission Tomographs{S].下进行测试，这时就需要考虑消除LSO晶体本底的影响。[.n.]:NEMA Standards Publication, 2001.PET/CT融合精度的测试结果表明模型点源在PET/CT扫[2] 贺小红,等正电子发射计算机断层仪性能测试[J.国外医学-放描视野中所处的位置不同,图像融合精度存在明显的差别。射医学核医学分,999.23/1);11.这些误差可能综合了PET/CT显像系统硬件和软件两方面的因(3]贺小红,等PET性能测量- 2001版NEMA标准[].国外医学-放素。PET/CT图像融合精度可能与检查床的负重存在相关性凹。射医学核医学分册, 2003, 25(3):145.因此，在检查床负重状态下对PET/CT显像图像融合精度进[4]贺小红等PET性能测量2001版NEMA标准(续)JI.国外医学-行测量和评价，比单纯用模型测试更接近临床显像的真实情放射医学核医学分册, 2003, 26(2):104.况，能更有效地检测PETICT图像融合误差。主要用于仪器安[5]贺小红,等. "F-FDG正电子显像质量保证[].国外医学-放射医装、验收、日常质量控制，或重大维修以后，对仪器检查床学核医学分册, 2004, 2(8):1251.及其支撑系统的机械性能，以及检查床的机械中心与扫描视6]李小华,等.Discovery ST PET性能测试与NEMA标准的应用0].野电子中心- ~致性的检测与评价;也可以用于动态评价该性中华核医学杂志, 2006, 26(2):104.能的变化过程及不同型号PET/CT 图像融合性能的比较。[7]李小华,等Siemens Biograph 16HR的NEMA标准PET性能测试综合以上所述, PET成像质量衰减与散射校正精度测试].中国医学物理学杂志2008, 25(2):569.之模型的备置与数据处理是所有性能指标中最难、最复杂的。[8]李小华,等PET的成像质量衰减和散射校正精度测试[].医疗卫对于有本底辐射的LS0晶体PET/CT来说，采用NEMA生装备,2008.29(10):108.标准对进行PET性能指标测试时，必须消除固有本底放射性[9]贺小红等,PET/CT显像图像融合精度测试研究[].中国医学物的影响，需要控制测试放射源的最低活度，使其所产生的计理学杂志,2009,25(2):569.数率大于或等于两倍LSO晶体固有本底计数率7.0。为了使[10]欧阳习,等.用户环境下LSO晶体PET/CT的本底计数测试[].南NEMA标准能够用于LS0晶体PET/CT性能测试，必须首先方医科大学学报, 2009, 29(4):819.上接第4页顶叶更明显，°F-多巴胺显像可见基底神经节摄取明显降低。[3] Melcher CL，Schweitzer Js. Cerium - doped lutetium阿尔海默氏病早期典型表现为顶叶及扣带回代谢减低，多为oxyorthosilicate: a fast, eficient new sinilato'oJ,JEEE Trans双侧，进展期上述区域低代谢范围进-一步扩大，降低更明显，Nucl Sei,1992,39:502-505.且出现额叶代谢降低，而基底神经节、中央前后回、视状裂[4] Townsend DW .Dual-modality Imaging combining anatomy and等较少累及。临床确诊或病理确诊的Alzheimer's中，97% 的funcionD]J Nucl Med,2008.49:938-955.PET/CT有异常表现。[5] Jakoby BW Becier Y.Watson CC, e al. Physical performance andclinical workflow of a new LSO HI-REZ PET/CT scannerJ].[1] Beyer T.Townsend DW ,Brun T.et al. A combined PET/CT.2006.5:3130-3134.scanner for clinical oncologyU1. J Nucl Me2,000,41:1369-1379.(6] Sur|中国煤化工Imance oflhilips Gemini[2] Takagji K,Fukazawa T.Cerium- activated Gd2SiO5 single crysalTF IYHc N M H Gecnrion for is ime-of-scinilatoro[]_Appl Phys Lt,1983,42:43-45.fight imaging cpbiliJIJ Nucl Med.2007,48:471-480.