PET-CT工作原理及应用

张秀文 张永寿 刘乃智

正电子发射体层显像(positron emission tomography,PET)与X线计算机体层摄影(X-ray computed tomography,CT)有机结合后形成一种先进的核医学影像设备，CT扫描器提供高质量的解剖图像，PET扫描器提供高质量的功能图像。PET能够识别病变组织的生理、生化变化，具有很强的功能显像优点。但PET图像存在核医学影像固有的不清晰缺点，空间分辨率低。将PET和螺旋CT在一台设备上进行功能组合，利用螺旋CT的X射线对PET进行衰减校正和解剖定位，同时采用融合图像制定放射治疗计划。将PET与CT融合在一起，赋予功能影像精细的解剖结构在一幅PET-CT图像上，获得丰富的分子代谢功能信息的同时，又可了解肿瘤与脏器及其他组织的解剖关系[1-2]。

1 PET-CT的基本原理及临床意义

1.1 PET的基本原理

PET系统的主要部件包括机架、环形探测器、符合电路、检查床及工作站等。探测系统是整个正电子发射显像系统中的主要部分，其采用的块状探测结构有利于消除散射、提高计数率。许多块结构组成1个环，再由数十个环构成整个探测器。每个块结构由约为36个锗酸铋(BGO)晶体组成，晶体之后又带有4个光电倍增管(PMT)。BGO晶体将高能光子转换为可见光，PMT将光信号转换成电信号，电信号再被转换成时间脉冲信号，探头层间符合线路对每个探头信号的时间耦合性进行检验判定，排除其他来源射线的干扰，经运算给出正电子的位置，计算机采用散射、偶然符合信号校正及光子飞行时间计算等技术，完成图像重建。重建后的图像将PET的整体分辨率提高至2 mm左右。

PET的显像过程为：将发射正电子的放射性核素(如碳、氟、氧和氮的同位素：11C、18F、15O、13N)等)标记到能够参与人体组织血流或代谢过程的化合物上，将标有带正电子化合物的放射性核素注射到受检者体内，让受检者在PET的有效视野范围内进行PET。放射核素发射出的正电子在体内移动大约1 mm后与组织中的负电子结合发生湮灭辐射。产生2个能量相等(511 keV)、方向相反的γ光子。由于2个光子在体内的路径不同，到达2个探测器的时间有一定差别，如果在规定时间窗内(0～15 μs)探头系统探测到2个互成180o(士0.25o)的光子时即为一个符合事件，探测器便分别送出1个时间脉冲，脉冲处理器将脉冲变为方波，符合电路对其进行数据分类后送入工作站进行图像重建，随即得到人体各部位横断面、冠状断面和矢状断面的影像[3-4]。

PET采用符合探测技术进行电子准直校正，极大减少了随机符合事件和本底，电子准直器具有非常高的灵敏度和分辨率。BGO晶体的大小与灵敏度成正相关性。块状结构的PET探头。能进行二维或三维采集。二维采集是在环与环之间隔置铅板或钨板，以减少散射对图像质量的影响，二维图像重建时只对临近数个环(2～3个环)内的计数进行符合计算，其分辨率高，计数率低；三维数据采集则不同。取消了环与环之间的间隔，在所有环内进行符合计算，明显地提高了计数率，但散射严重，图像分辨率也较低，且数据重组时要进行大量的数据运算。2种采集方法的另一个重要区别是灵敏度不同，三维采集的灵敏度在视野中心为最高。

1.2 CT的工作原理

CT的基本原理是图像重建，根据人体各种组织对X射线吸收不等这一特性，将人体某一选定层面分成许多立方体小块(也称体素)X射线穿过体素后，测得的密度或灰度值称为像素。X射线束穿过选定层面，探测器接收到沿X射线束方向排列的各体素吸收X射线后衰减值的总和为已知值，形成该总量的各体素X射线衰减值为未知值，当X射线发生源和探测器围绕人体做圆弧或圆周相对运动时，用迭代方法求出每一体素的X射线衰减值并进行图像重建，得到该层面不同密度组织的黑白影像[5]。

螺旋CT突破了传统CT的设计，采用滑环技术，将电源电缆和一些信号线与固定机架内不同金属环相连运动的X射线管和探测器滑动电刷与金属环导联。球管和探测器不受电缆长度限制，沿人体长轴连续匀速旋转，扫描床同步匀速递进，扫描轨迹呈螺旋状前进，可快速、不间断地完成容积扫描。多层螺旋CT的特点是探测器多层排列，是高速度、高空间分辨率的最佳结合。多层螺旋CT能高速完成较大范围的容积扫描，图像质量好，成像速度快，具有很高的纵向分辨率和很好的时间分辨率，拓宽了CT的应用范围，患者接受的射线剂量明显减少，X线球管的使用寿命明显延长，提高了低对比分辨率和空间分辨率，明显减少了噪声、伪影及硬化效应。同时，可根据不同层厚自动调节X射线锥形线束的宽度，经过准直的X射线束聚焦在相应数目的探测器上，探测器通过电子开关与4个数据采集系统(data acquisition system,DAS)相连。每个DAS能独立采集完成1套图像，按照DAS与探测器匹配方式不同，通过电子切换可以选择性地获得1层、2层或4层图像，每层厚度可自由选择0.5 mm、1.0 mm、1.25 mm或5 mm、10 mm。采集的数据既可做常规图像显示，也可在工作站进行后处理完成三维立体重建、多层面重建、器官表面重建等，并能实时显示。

1.3 PET-CT的临床意义

PET-CT集高敏感性、高特异性的先进核医学技术与高清晰度、高组织分辨率于一身，其融合图像对疾病的早期诊断、病灶定性、手术和放射计划治疗定位、小病变的诊断与鉴别以及一些目前尚不清楚的代谢疾病研究和受体疾病研究具有重要价值，是目前核医学影像学的最新发展方向[4]。

PET-CT提供的预测和治疗处理信息比单独PET和CT多得多，它超越了单独PET和CT的现有领域，既能完成CT的功能，又能完成PET的功能。PET-CT融合图像能够很好地描述疾病对生物化学过程的作用，鉴别生理和病理性摄取，能在疾病得到解剖证据前检测出早期发病征兆，甚至能探测到极小的亚临床型肿瘤，为临床确定放疗的计划靶区、检测治疗过程中药物和放疗效果提供最佳的治疗方案和筛选最有效治疗药物。解剖定位与功能显像对于病变部位的定性诊断能力、肿瘤的诊断和分期、指导治疗、评价疗效、提高临床治愈率有着重要价值[5]。PET-CT适用于精细放疗，能极大提高放疗计划的准确性，并能为γ刀、X刀、机器人手术及冷冻手术等定位。

PET-CT的真正价值不仅仅在于疾病诊断，作为更深层次的临床检查手段，PET-CT采用放射性药物标记的基因能够达到基因成像的目的，可在分子水平上研究组织细胞代谢、蛋白质合成和基因变化的情况提供生物化学活动、分子新陈代谢以及不同器官和组织的生理学及病理学信息，从生命活动的本质上诊断疾病，及早发现组织代谢功能异常，对目前仍不清楚的代谢疾病研究和受体疾病研究同样有着非常重要的意义。

2 PET－CT的图像融合

PET与CT2种不同成像原理的设备同机组合不是其功能的简单相加，而是在此基础上进行图像融合，融合后的图像既有精细的解剖结构又有丰富的生理.生化功能信息，能为确定和查找肿瘤及其他病灶的精确位置定量、定性诊断提供依据。并可用X射线对核医学图像进行衰减校正[6]。

PET-CT的核心是融合，图像融合是指将相同或不同成像方式的图像经过一定的变换处理，使其空间位置和空间坐标达到匹配。图像融台处理系统利用各自成像方式的特点对2种图像进行空间配准与结合，将影像数据注册后合成为一个单一的影像[7]。PET-CT同机融合(硬件融合、非影像对位)具有相同的定位坐标系统，对患者扫描时不必改变位置，即可进行PET-CT同机采集，避免了由于患者移位所造成的误差。采集后2种图像不必进行对位、转换及配准，计算机图像融合软件便可方便地进行二维、三维的精确融合，融合后的图像同时显示出人体解剖结构和器官的代谢活动，简化了整个图像融合过程中的技术难度、避免了复杂的标记方法和采集后的大量运算，并在一定程度上解决了时间、空间的配准问题，图像可靠性极大提高。PET在成像过程中由于受康普顿效应、散射、偶然符合事件及死时间等衰减因素的影响，采集的数据与实际情况不一致，出现图像质量失真，必须采用有效措施进行校正才能得到更真实的医学影像。同位素校正得到的穿透图像系统分辨率通常为12 mm，而X射线方法的穿透图像系统分辨率为1 mm左右，图像信息量远大于同位素方法。用CT图像对PET进行衰减校正，使PET图像的清晰度大为提高，图像质量明显优于同位素穿透源校正的效果，提高分辨率25%以上，提高校正效率30%，且易于操作。校正后的PET图像与CT图像进行融合，经信息互补后得到更多的解剖结构和生理功能关系的信息，对于肿瘤患者手术和放射治疗定位具有极其重要的临床意义。三维采集的灵敏度在视野中心为最高，PETCT拥有3个图像处理工作站，其中2个超高速图像处理工作站分别对PET和CT采集的大量数据进行处理和图像重建，另外1个工作站进行PET-CT的图像融合。PET-CT采用迭代图像重建方法进行三维立体、多层面、器官表面等多种重建，迭代方法计算复杂，但精确度高，重建的图像可同时显示横断、冠状、矢状及任意斜面的层面，并可任意改变重建的位置和层厚，为临床诊治提供更多的信息。

3 PET-CT的维护保养项目和方法

PET-CT仪器的维护和保养是核医学科及医学工程科常规工作中的重要组成部分，是保证检查能够顺利进行和准确可靠的基本方法。通过对西门子biograph 16 PET-CT仪器的日常维护和保养经验，总结和分析PET-CT的一般维护保养项目和方法。

3.1 PET-CT的维护和保养

做好PET-CT的维护保养能确保设备安全、稳定运行，提高完好率，降低故障率，延长设备的使用寿命，获得良好的同机融合图像，取得满意的诊治效果[8]。设备的维护保养主要包括工作环境的维护、机器的保养和仪器的检测校正3方面[3-4]。

3.1.1 工作环境的维护

PET-CT机房应配备足够功率的空调，温度维持在20～22 ℃。PET水冷机24 h工作，温度设定在(19.0±1) ℃，压力为31 psi；CT水冷机压力在0.2 MPa左右，＜0.1 MPa时要及时加水。节假日或晚间要安排人员值班或巡视，发现机房温度超出规定范围，要及时调整或报告。机房的湿度保持在40%～60%为宜，若湿度过大易导致硅酸镥(LSO)晶体潮解或电路短路；若机房内太干燥则使灰尘增多，仪器表面易产生静电而损坏机器。因此，机房内要配置去湿机和加湿器。

3.1.2 PET-CT的保养

预防性的机器保养可将故障的发生率降低，保证系统性能稳定。结合类似设备的日常维修经验以及PET-CT特有的注意事项做以下工作：①及时给机架或检查床的运动部件和轴承添加合格的润滑油；②定期检测、更换或清洁CT滑环上的碳刷；③清洁或更换设备上的空气过滤器；④检测水冷机水压是否在正常范围内；⑤检查各部位的螺丝是否拧紧；⑥限位开关是否有效；⑦各接插件连接是否牢靠。

3.1.3 PET-CT的检测校正

PET-CT使用一段时间需定期对设备进行性能测试和校正以确定设备的工作状态，通过校正使偏移的参数重新回到标准要求的范围之内。检测校正也称为设备的质量控制，质量控制可按照时间间隔划分为日、周、月、季和年质量控制方式，每种质量控制方式的检测内容有所不同[9-10]。

(1)CT的检测校正

CT的性能检测主要是稳定性测试、CT剂量指数(CTDI)测试和低对比度测试[5]。稳定性测试的附件为水模、层厚体模和金属丝模。检查项目为：定位灯精度、实际断层厚度、均匀性、躁声、调制传递函数(MTF)、检查床运动精度。其中调制传递函数(MTF)表征空间分辨率描述了针对理想传递情况下图像中所示的具有不同局部频率的条状图形的对比度幅度。床位测试在没有曝光情况下进行，测试时检查床上需放置70 kg重量，要求移动距离300 mm，误差≤±1.0 mm。CT剂量指数测试一般在机器安装调试后检测验收时由技术监督部门执行。CT剂量指数可采用美国Radical公司生产的2026多用剂量仪和体模检测。低对比度测试必须设置足够的专用扫描和重建参数，使用低对比度模体，将模体组件按正常体部检查高度安装在检查床上送至扫描中心。低对比度测量直接受到CT系统中躁声的影响，评估常采用目测检验方法，因此需选择合适的窗宽和窗位以提高图像的显示，测试结果应符合目前国内试行的标准。

(2)PET的检测校正

目前，国家对PET设备尚无严格的检测规程和标准，可参照现有验证方法(符合IEC60601-4、ISO9001，并经过TUV和CSA认证)，对PET探头或探测组件进行检测，确定无晶体损坏或电子设备故障后再作PET的三维校正、归一化和FOV偏移校正[7]。PET探头及探测组件的检测和机架偏移校正用棒源来执行，发现损坏的晶体或探测组件要及时更换，PET与CT扫描中心的X、Y、Z轴偏差一般＜2 mm。归一化用于对PET探头响应情况的各种变化进行归一化，包括计算校准因子(ECF)，其中需要执行PET-CT检查以便包括衰减校正，获得标准质量控制扫描，以便与平时质量控制扫描比较。归一化和日常质量控制都使用68Ge均匀性模体，实施校正时应输入该模体体积、启用时间和放射能活度49.95 MBq，否则会影响标准化摄取值(standardized uptake value，SUV)的准确性。目前，Siemens Biograph 16 PET-CT系统校正的结果要求灵敏度≥5%，均匀度≤10%。

4 结语

PET-CT不是简单的PET与CT的机械合并，而是二者的有机结合。只有认真做好仪器设备各项指标的质量控制和风险控制才能使设备始终保持完好的性能状态，从而获得最佳的影像质量，而设备的工作状态是否良好与设备的维护保养是分不开的。首先应该清楚设备对环境的要求，在日常维护的过程中要十分用心，保持设备环境要求合格。工程技术人员要熟悉设备的每一个环节，平时勤于保养，不放过任何一个可能的隐患，才能更好的保证设备的运转[11-13]。

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