重大PET技术成就的历史回顾及未来展望

2008-08-07 08:54:11来源: 飞利浦 关键字:放射性  CT  计数  模拟  数字  成像

  PET是Positron Emission Tomography的缩写,汉语名称为正电子发射计算机断层仪。PET与CT结合在一起,即组成了目前医学影像中超高档的产品PET/CT。 PET是利用放射性核素示踪剂,无创伤地进行显像以反映脏器的功能,血流和代谢变化。由于脏器的任何由疾病导致的解剖结构变化之前均会发生血流功能和代谢的变化,因此PET具有发现疾病早期的功能代谢改变的能力,为治疗赢得宝贵的时间。

  PET的发展,目前经历了近三十余年的时间。期间历经了数次重大的突破。本文主要从技术革新的角度,对这一历程作了简单回顾,并对未来PET技术可能的发展趋势作了预测。

  从表面看,PET扫描仪的外形在这些年并没有改变多少。但实际上PET所使用的技术和方法已经发生了革命性的变化。许多人对一些概念的提出、完善做出了重要的贡献,并努力使其具有实用性。PET的发展过程,就是不断提高空间分辨率、灵敏度、和PET系统的计数率特性的过程。另外,计算能力上的巨大进步(从模拟电路到复杂的数字电路的转换)也在现代PET系统中得到了广泛的应用,并且也对这些进展起到了促进作用。

  第一次突破:从局部显像到全身PET成像

  在80年代,许多PET研究集中在脑或者心脏,PET的设计在轴向视野的覆盖面上也限于这些器官的范围,数据采集在一个床位即可完成。尽管现在回头看将检查床连续移动、床位之间互相重叠通过扫描仪应该是一个很直观的想法,但当时提出和实施这个概念永久地改变了PET的应用范围。通过PET全身显像,打开了系统性疾病,尤其是原发和继发肿瘤诊断的大门。全身显像也因此直接促成初期PET全身肿瘤扫描的发展和相关检查费用在美国能够报销。更为令人激动的是,专家预见未来
PET全身扫描的比重还会增加,其在检测一些基于分子、DNA/RNA或者免疫作用的治疗,以及感染性疾病、不稳定斑块及炎症疾病中会起到关键作用。

  第二次突破:从二维PET到三维PET

  在具有能够进行全身显像的能力的初期,PET数据的采集方式为二维,使用的晶体主要是BGO(鍺酸铋,Bismuth Germanate,BGO)晶体。该晶体的特点是阻截511kev光子的能力强,但是其散射分数较高,晶体的时间分辨率也较差,为300ns之久。由于当时可供选择的晶体有限,使用BGO晶体的系统都在相邻的晶体环之间装有可以自动伸缩的铅挡板,以减少来自于周围晶体环的散射线。系统在进行二维方式数据采集时,铅挡板伸出,系统只接受来自于同一个和相近数个环的湮没辐射(Annihilation)数据并形成有效符合线。二维系统的特点是灵敏度、散射分数、随机符合低。由于灵敏度很低,用二维数据采集方式进行全身显像时,早期的系统需要近一小时左右的时间,患者不适度比较高,在进行全身扫描时提供的临床PET图像不够令人满意。临床实践证明二维数据采集方式最适合于局部显像,如心脏和脑组织的扫描。因此,核医学临床需要工业界提供扫描速度更快、散射和随机符合较低、图像质量更好的PET系统。这一需求强力推动了三维数据采集PET系统和新晶体的研发。


  虽在九十年代早期,人们就已经强烈意识到人体PET成像很大程度上一直受限于其二维采集方式的低灵敏度,但如何选择用于PET的晶体陷入一个两难困境。当时可供选择的晶体包括NaI(Tl)和 BGO(鍺酸铋,Bismuth Germanate,BGO),前者传统上用于伽马相机。两者都没有理想的特性。BGO有较高的阻止性能,对511kev光子提供好的探测效率,但其较慢的衰减时间和低光输出量导致其时间分辨率和能量分辨较差。基于BGO晶体的PET系统在三维模式时其图像质量很明显受限于其过长的死时间、高随机符合和高散射。NaI(Tl) 晶体能量分辨率很好(因此可以使用高能窗减少三维数据中的散射成分),并且成功应用到了数个纯三维系统中,但其时间分辨率仍然相对较差,死时间长,其阻止性能也相对比BGO要差。因此,新晶体,尤其是LSO【Cerium doped lutetium oxyorthosilicate(铈)硅酸镥】 及其相关的材料如LYSO【Cerium and yttrium doped lutetium oxyorthosilicate(钇、铈)硅酸镥】 ,就成了当时的一大突破。这些晶体密度高,更透明,更快,拥有杰出的时间分辨率和良好的能量分辨率,并且这些晶体的阻止性能比BGO只差一点。这些良好的晶体特点结合快速电路,显著提高了三维 PET扫描仪系统的性能。由于这些晶体要比BGO透明,因此新系统允许每个光电倍增管(PMT)解码定位更多的晶体探测单元,这样就部分地控制了在PET系统使用更多的晶体导致成本增加的不利趋势。

  九十年代后期出现的三维PET系统去除了在早期二维PET中使用的铅栅,使得探测环之间也可以发生符合事件,这样就在没有增加晶体容量的前提下,使得灵敏度有了5~7倍的提高。 同时良好的能量分辨率和时间分辨率,使BGO三维系统的缺点被基于快速新晶体如LSO和GSO的PET系统很好抑制。在新一代的PET系统,脉冲可以叠加在更短的时间内,三维 PET高灵敏度带来的优势得到更好的体现。另外,有许多人在改进现有二维系统以引入三维数据采集能力及探索更好利用三维数据方面做出了贡献,比如现在的市场上基于BGO晶体的系统,也整合了三维数据采集能力,但系统较高的散射分数的和较宽随机符合时间窗对图像质量的进一步提升造成了很大的障碍。从技术角度看,BGO晶体退出历史舞台是必然的。

  但毋庸置疑,现有的基于新一代晶体的PET系统,即使是在三维模式下,其最终的临床图像仍然不见得完全能实现其在分辨率方面的潜力(FWHH,一般为 4–6 mm)。因为灵敏度仍然是一些LSO-PET系统的主要的限制因素。为了达到临床要求的信噪比,其重建后的分辨率只能设定在8~12mm范围内。因此,如何提高系统的灵敏度的挑战仍然存在。

  另外,源于三维采集方式的数据,包含了大量的系统几何信息、散射及随机符合,如何在算法中包含繁多的校正因素,是一个很大的挑战。滤波反投影(Filtered backprojection)及基于该方法的三维重建算法,具有线性、运算速度快的特点,但在数据统计特性较差(源于原始数据量低和归一化、衰减校正、随机校正带来的影响)及不当采样过程中会产生显著的伪影。这些算法同时过于简单地用完美的类-点探头(point like detectors)的概念模拟系统的几何特征,同时对于包含不同计数的投影数据(projection elements)都用同样的权重进行处理。由于以上原因,迭代型算法获得发展,以精确模拟系统的几何特性(geometry),并在运算过程中引入了对晶体内散射(Intercrystal scatter)、深度效应(depth of interaction effects,DOI,为PET系统对FOV边缘区域LOR误定位的效应)和响应线(Line Of Response,LOR,任意两个晶体探测单元之间的虚拟线,该线上任意位置发生的湮没辐射生成的两个511kev光子理论上都可以被该对晶体单元探测到)上灵敏度不均匀等因素的校正。这些方法同时可以引入衰减校正,并用统计优化(即使某个参数的方差最小为目的进行的迭代过程)的方法进行归一化。通过众多努力,研发成功的迭代型算法较滤波反投影方法提供的图像在信噪比和分辨率之间更好的平衡(tradeoff),而且在滤波反投影方法中经常出现的条状伪影(如18F-FDG显像中膀胱周围)得到了很好消除。目前这些方法已经被广泛采用。其最大缺陷是这种算法的运算量巨大,并且随着PET晶体数目的增加相应增加的运算量,似乎超过了计算机技术进展提供的运算能力。.好在这些算法的快速改进版目前已经研发成功并更具有实用价值。

  第三次突破: 从三维PET到四维“飞行时间”PET

  在过去这些年,有几个时刻业界几乎认为PET技术已经达到了顶峰-也许重要的发现已经全部完成了。但实际上PET技术也许又将经历一波巨大的突破性技术浪潮,而且极有可能在未来的几年显著影响PET的发展。

  为了更好地理解本文的一些观点,首先简单介绍一下PET涉及的基本物理知识。当放射性的18-F源衰变时,产生一个正电子,并且和周围的原子和电子相作用,发生散射作用并迅速损失能量。 在一段极短的距离和时间内,正电子将与一个临近的电子发生“湮没辐射“(Annihilation),在此过程中两个粒子消失,生成两个背向的湮没辐射光子,能量都为511kev。 湮没辐射是爱因斯坦著名的质能方程E=mc^2的完美例子, 正电子和电子的质量(m)在该过程中转换为能量(E),转化系数为光速的平方。PET显示的正是正电子在体内湮没辐射的地点,但由于分子衰变的位
置与湮没辐射发生的位置非常小(该距离为正电子游程),因此,湮没地点的分布可以很好地模拟发射正电子的分子的分布。

  在传统PET技术,当两个511kev湮没辐射光子在预设的符合时间窗内被探测到时,系统会认为有一个“有效事件”发生。.正电子湮没辐射发生的原始位置,在射线命中的两块晶体所连成的响应线上。但在响应线(LOR)上具体哪个位置,却只有通过图像重建才可以确定。由于没有任何其他信息提供,重建算法在进行起始重建时,被迫假定湮没位置在响应线的所有位置的概率是一样的,这样就相当于把许多正确的信息放在了错误的位置上,由此导致了大量的噪声。

  在ToF PET中,两个湮没辐射的光子到达晶体的实际时间差可被测量并记录,距离响应线中心位置越远,两个光子到达晶体的时间差越大。利用该时间差,理论上可以确定湮没辐射的位置。但由于系统时间响应有一定的误差,因此所确定的淹没辐射的位置也不是一个精确的点,只能限定在以该点为中心的一定范围。但即便如此仍可对重建参数进行约束,将湮没辐射位置初步确定在数厘米范围内,进而对该事件的重建信息(位置、浓度)就可以进行更合理的权重分配。



  理论上,如果ToF PET系统的时间分辨率可以达到20ps,而且晶体切割合理,那么正电子湮没辐射范围的定位精度可以达到3mm,这几乎是PET在临床条件下的极限分辨率。以现代高级临床PET 晶体横截面大小4mm*4mm为例,如果需要利用ToF效果来将湮没辐射位置限定在5mm范围内,那么两个光子到达双侧晶体的时间差的测量精度必须限定在30ps范围之内(假定光速是300,000km/s)。这种情况下,PET将彻底去除图像重建的需要,采集数据后即可以直接显示,PET的计算机结构和工作流程有可能相应发生一些改变。目前ToF PET的系统时间分辨率还做不到30ps,但基于LSO和LYSO晶体的ToF PET系统目前已可以做到600皮秒时间分辨能力。稳定性也较好。

  ToF PET系统最大的优势在于提高了系统的信噪比。较之于非ToF系统,其在信噪比方面的提升可以用以下公式得出:

  其中D是被成像物体的直径,c是光速,Δt是系统的时间分辨率。

  理论计算可以直观看出,如果用300ps时间分辨率的ToF PET对40cm直径的患者进行显像, 预计可以得到3倍的信噪比提升。在稍差一些的情况,用600ps的系统对30cm直径的患者进行显像,信噪比的提升仍然可以达到1.8倍。

  许多人也许还记得ToF PET是八十年代中期热烈讨论的概念,但当时经过仔细研究又最终在临床PET上放弃了。那么为什么二十多年后ToF PET又有可行性了呢?差别就在于现在的ToF PET使用了新的晶体和超高速电路。在上个世纪九十年代,业界当时能获得的具有较好时间分辨率的晶体是BaF2(氟化钡)和CsF(氟化铯),基于这两种晶体的PET系统时间分辨率在550–750 ps 。但不幸的是,这类系统在时间分辨率方面得到的信噪比提升(公式1),远抵不上这些晶体的低探测效率(与BGO晶体相比较,相同放射性药物量,其计数、信噪比低)导致的信噪比损失。同时这些早期系统的稳定性也大不如意。近来研究发现新一代晶体如LSO和LYSO 具有良好的时间分辨率,阻止光子的性能优异,探测效率一流,因此,ToF技术重新复活是技术发展的必然,验证了事物的发展是螺旋式上升的这一哲理。另外,一种基于LaBr3 的ToF系统也在研发中,该系统显示了更好的时间分辨信息,同时拥有杰出的能量分辨率,但在灵敏度方面LaBr3 相对于LSO和 LYSO.较低。这些新晶体的出现,为人们重新开启了ToF技术的大门,并为PET图像质量的提升指出了一条可持续发展的道路,那就是不断缩小晶体、光电倍增管、电路及其他附属部分的时间损耗,提高整体的时间分辨能力,由此稳步提升PET的信噪比,提升临床图像的分辨率。

  保守估计,ToF PET对信噪比的提升程度超过了引入三维 PET后的效果,将来在PET的临床实践中必定会与传统非ToF技术产生巨大的差异,将使显像更快、注射剂量更低、信噪比或临床图像的分辨率更高。需要指出的是,ToF PET对图像质量的改进在肥胖患者要更显著(公式1中D更大)。考虑到肥胖患者的图像质量是一个重要的问题、肥胖患者逐年增加的数量、以及肥胖导致的一些其他问题可能需要PET扫描,ToF PET也许是一个我们目前还远远没有认识到其潜力的重要技术进展。

  将要来临的一次突破:全身PET/CT(MRI)?

  全身PET在肿瘤领域的成功应用提示PET适合于研究系统性疾病和治疗,因此,我们可以预计PET将在炎症、感染性疾病、血管性疾病、系统性疾病治疗监测(包括分子靶向治疗、细胞治疗、基因治疗)方面占据的位置越来越重要。众所周知,目前的人体全身扫描PET系统受限于其灵敏度,由此导致重建图像后的信噪比较低。因此,PET全身显像的重大突破被寄希望能显著提高灵敏度。这样的提升乍一看很难,但通过简单计算就可以知道是有很大可行性的。目前的三维 PET扫描仪的灵敏度在视野的中心大概为5%,换句话,源于视野中心放射源的淹没辐射光子对,不考虑衰减和散射,能够提供的有效事件为5%。在全部视野平均下来,以视野轴线长度15cm为例,目前三维PET系统的灵敏度大概为2.5% 。但另一方面,在某一时刻,人体只有少于八分之一的身体长度位于探测范围之内。这样,全身显像的有效灵敏度不到0.3%!但需要指出的是,如此之低的灵敏度并不是主要由于探头的探测效率有限。一般厚度为2-3cm的BGO和LSO晶体,其阻截511kev光子的量已经达到所有光子数量的70%–90%,因此提高探测器的效率带来的效果有限。目前看灵敏度的大幅度提升只有通过将更多的探测材料围绕在人体周围才能实现,以使人体发射出的大部分光子被晶体捕获。如果PET的轴向视野能够容纳人体的长度,即使目前三维成像的数据采集角度不变,那么其灵敏度也将达到5%,此类系统的灵敏度将会比现在的三维系统提高16倍,将会使信噪比在保持其余条件不变的条件下提高大概4倍左右。如果这样的系统能够拥有ToF性能,则另外可以得到2~3倍的信噪比提高。总体系统将会有几乎一个数量级的信噪比提升。这样的假设尚有些保守,因此如果开放所有的轴向视野的采集角度,形成真正的“全三维”采集,灵敏度会有进一步的提高。简单而言,信噪比如此大幅度的性能改善将可以使采集时间或注射放射药物量只需要目前系统的百分之一。目前使用长孔道扫描仪的趋势逐渐明显,已有报道Hamamatsu 使用68.5-cm 轴向视野的扫描仪,还有报道使用52cm平板LSO晶体的扫描仪在研发,另有模拟研究探讨长孔道扫描仪性能的报道。进一步的思路将很明显,人们会不由自主想象将全身PET与高分辨解剖成像模式整合在一起,为什么不利用已能在10-20min内进行全身MRI显像能力,将PET放在全身MRI内部呢?可以设想一下,将来也许获得带解剖细节的全身动态(动力学)研究、放射治疗需要的剂量学资料、以及细胞转运研究、实施PET示踪剂定量动力学建模程序,甚至在诊所,用左心室血池量作为输入函数分析远端组织,以避免了动脉血采样。这样一个系统最明显的障碍来自于逐渐控制费用的医疗环境。如果要不仅在高端医院使用这样的系统,那么就需要大幅度地降低这类系统的成本。抛却成本不谈,这样的系统需要的PET部分,即使以目前的PET技术也可以满足需要,因此将PET和MRI结合在一起的可能性看上去越来越大。

  实现以上提到PET性能的提升还有一些技术上的挑战,包括控制全身PET系统的散射符合(探测器的杰出能量分辨率,或者通过栅格对轴线采集角度限制)和随机符合,高速电路以处理巨量数据流,能在合理时间内提供高质量图像的快速、精确的迭代型算法。但所有这些挑战目前看都已经在我们的掌握中了。

关键字:放射性  CT  计数  模拟  数字  成像

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2008/0807/article_263.html
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