**部分仪器和代谢
第1章心脏正电子发射断层扫描基础
ChadR.R.N.Hunter，RobertA.deKemp
概述
正电子发射断层扫描（positron emission tomography，PET）是一种成像方式，它利用正电子湮灭的物理原理将光子分类为平行阵列，无须使用准直器，可大大提高灵敏度。成像开始前注射少量正电子发射放射性同位素（通常与有机部分结合，称为放射性示踪剂）后开始成像。放射性示踪剂将根据其*特的生物化学特性在全身分布，摄取量较高的区域提示该特定生物化学过程的程度较高。因此，显像区域即为示踪剂在该区域的生化摄取和提取。PET成像与CT或MRI的解剖成像之所以不同，就在于PET是利用受检者的生化功能成像，这是它被称为“功能成像”的原因。
示踪剂注人体内后，围绕患者一圈的探测器将探测到正电子湮灭过程发射光子（详见本章“PET成像中的基本放射物理学”），这一过程以时间为单位被记录下来，并整合和重建到一个以时段为单位的图像中（以帧为单位）。这样重建出来的图像是该时段患者体内示踪剂分布的三维结构图。对于给定的器官，记录多个连续时段的示踪剂活性，将其随时间变化而制订的*线称为时间-活性*线。各种组织和器官中的时间-活性*线可用于动力学建模，以进行器官或组织中代谢功能的定量分析。例如，血池区域和心肌中的时间-活性*线可以用于对心肌血流动力学的建模，以帮助检测冠状动脉疾病。
正电子湮没光子的检测是用闪烁晶体检测器与光子倍增器的组合来完成的，可以同时放大检测到的信号。闪烁是一个过程，将探测器中捕获的光子能量转换成大量低能量（通常是蓝光）光子，后者称为闪烁光子。而闪烁光的强度与被转换的光子的能量成正比，可用于区分实效光子和噪声（详见本章“辐射探测和PET探测器系统”）。*早的PET扫描仪之一是使用Nal（Tl）闪烁晶体的Donner 280-Crystal断层扫描仪。随着技术的改进，NaI（Tl）晶体逐渐被比其更致密的锗酸铋氧化物（BGO）晶体取代，因此晶体探测器可以做得更小，从而提高图像分辨率。BGO晶体是20世纪80—90年代使用的主要闪烁晶体。在20世纪90年代后期，氧硅酸镥（LSO）晶体探测器被开发用于PET，与BGO相比具有更优异的发光特性。目前，硅酸钇镥闪烁（LYSO）晶体也用于PET探测器系统，其特性与LSO晶体非常相似。
闪烁晶体的光输出太低，无法直接测量，必须进行放大。在PET扫描仪的早期发展中，光电倍增管（photomultiplier tube，PMT）被用来放大闪烁光。光电倍增管的一个局限性是它们对磁场敏感，因此不适合PET与MRI—体化融合机器的应用。此外，由于其体积较大，需要将多个晶体耦合到单个光电倍增管上。在21世纪初期，半导体技术的进步推动了用于PET的硅光电倍增管（silicon photomultiplier tube，SiPM）的开发，由于后者对磁场不敏感，故可将其用于PET/MRI系统。
此外，由于每个晶体的体积较小，单个晶体即可与单个硅光电倍增管加以耦合。
本章将讨论对PET探测器系统非常重要的基本放射物理学，如放射性衰变、正电子湮灭和光子散射。此外，还讨论与光子检测（即闪烁与光倍增）及影像重建相关的物理与工程。
PET成像中的基本放射物理学
正电子发射的放射性衰变和电子俘获
不稳定的原子核通过放射性衰变而稳定下来，用于PET成像的同位素，即通过正电子湮没、捕获电子的过程。正电子的存在*早是由保罗 狄拉克在20世纪30年代预测的，当时他注意到波动方程包含负解。在这一预测后不久，卡尔 D.安德森就探测到这些粒子。正电子是反物质的一种形式，具有与电子相同的性质（自旋和质量），但具有相反的库仑电荷。元素X通过正电子（p+）发射衰变为元素Y的过程在方程式中给出。在这个过程中，一个质子变成一个中子，并发射出一个正电子。
（1.1）
式中，A是核子数，Z是质子数，n是电子中微子。只有当子原子和母原子质量差的能量当量至少为1.022MeV或电子静止质量能量的2倍时，才能发生正电子发射。中微子和正电子发射时具有一定的初始动能，大部分发射能量流向正电子。由于两个粒子之间共享的能量不同，因此正电子有一个特征能量发射谱。如果没有达到*小能量阈值，则衰变模式将是电子捕获而不是正电子发射。
正电子湮没过程
PET探测器利用物理学或正电子湮没进行成像，本节将介绍正电子衰变和湮没的物理学。如上所述，正电子以一定的初始动能发射。由于正电子很少在传输过程中湮灭，它们必须*先减速，直到它们不再有足够的动能来克服库仑势（Coulomb potential）。当正电子行进时，它们通过被称为巴巴散射（Bhabha scattering）的正电子-电子相互作用逐渐失去能量。正电子在湮灭前所行进的距离根据正电子能量而变化，并且随机分布，该随机分布作为与湮灭点距离的双指数函数而减小。代表性的距离称为正电子射程，通常用分布的均方根（root mean square，RMS）表示（表1.1）。一旦失去足够的能量，正电子不能克服库仑势，正电子将与电子结合并经历湮灭反应，由此两种粒子都转化为电磁波（光子）大多数情况下，正电子和电子的动能与它们各自的静止质量能量相比非常小；因此，为了保持动量，产生了两个动量相等但相反的光子。这个过程如图1.1所示。
由于正电子和电子在湮灭时可能不是完全静止的，光子将有一个±0.5。的小角偏差。PET探测器依赖于这两个光子的共线性，这将在本章“辐射探测和PET探测器系统”中详细介绍。
PET成像中使用的重要同位素
PET成像的一个重要优点是大多数正电子发射同位素与生物中常见的元素相同（或相似）。因此，由这些同位素制成的PET示踪剂可以完美地反映所研究的生理功能。此外，大多数PET使用同位素与寿命较长的SPECT同位素相比具有较短的半衰期（后者如99mTc具有6小时的半衰期），这缩短了成像时间，即连续成像研究之间的时间（对于心脏病学中的静息/负荷研究很重要），并改善了剂量测定。表1.1列出了PET成像常用的同位素。
由于同位素UC、13N和150的半衰期较短，因此仅限于配备现场回旋加速器的机构。其他同位素，如18f、64Cu和89Zr的半衰期足够长，便于运输，因此在无回旋加速器的机构，采用公路或飞机运输，均可利用这些同位素行PET成像。
*常见的18F示踪剂是用18F取代脱氧葡萄糖分子中的羟基（OH-）形成2-脱氧-2-[18F]氟代葡萄糖（FDG）。FDG示踪剂作为葡萄糖的类似物，可用于表征显像葡萄糖摄取增加的组织，如快速生长的肿瘤细胞或已转换为无氧糖酵解的缺血组织。
辐射探测和PET探测器系统
核医学成像的目的是评估患者体内发生的特定生化过程。这可用于测量肿瘤组织的异常生长、心脏成像的血流特征、脑组织区域病变的异常摄取，以及更多的异常生化过程。所有这些都是通过测量患者体内不稳定同位素的辐射加以实现的。放射源是经放射性同位素标记的分子或放射性药物（称为放射性示踪剂），具有特定的化学性质，少量注射到患者体内，可以示踪研究对象的生理过程。为将这些辐射源发出的放射性物质以可用的形式呈现出来，需要将光子的角度加以量化，即将所有处于相同角度的光子集束在一起，也称为准直，以形成投影信息（其细节将在本章稍后讨论）。接下来应用各种断层摄影图像重建算法，将集束的光子信息转换成特定时间段内患者体内示踪剂分布的3D表现。为能高效准直人射光子，也应用如在单光子发射断层摄影（single-photon emission tomography，SPECT）中使用的同类物理准直器。物理准直通过使用铅或钨等致密材料通过吸收具有太偏人射角的光子，由于被准直器吸收了部分光子，这部分永久丢失，可对灵敏度产生不利影响。
PET探测器利用了正电子湮没的物理学原理。正电子湮没产生两个180°角分离的光子；因此，PET的成像物理中自然内置了“电子”准直。较旧的2DPET系统包括轴向相邻探测器环之间的物理准直。为了校准跨轴平面内的发射，放置在辐射源周围的探测器只需要寻找符合事件。形成投影信息所需的角度信息由连接两个探测器的响应线确定，因此准直固有地内置于PET探测器系统中。
闪烁探测器
所有现代PET扫描仪都使用晶体探测器系统，该系统围绕患者成环形分布，具有可探测和区分从患者体内发射的光子的重要特性。早期的PET探测器由NaI（Tl）晶体阵列组成，而后逐渐被BGO取代，*新广为应用的则是LSO和LYSO闪烁晶体辐射探测器。无论使用何种晶体探测器，其共同性质在于，PET成像所用探测器晶体对于从正电子湮灭过程发射的511keV光子具有高阻止能力，并且所有都是闪烁晶体。
闪烁是一个过程，其中较高能量的光子被吸收并转换成许多较低能量的光子，称为闪烁光子或闪烁光。假设没有损失，所有低能光子的总能量将与高能光子沉积的总能量成比例。因此，人射高能光子的能量可以通过产生的闪烁光的量来测量。理想的探测器能将所有人射光子能量转换为闪烁光。为了促进这一点，闪烁晶体选自对闪烁光透明的材料，以便准直闪烁光，并且具有511keV光子经由光电效应相互作用以吸收所有光子能量的高概率。人射光子能量的精确测量是必要的，以便从与探测器相互作用的伪光子（不是源自湮灭过程的光子）中去除噪声。
闪烁是一个三阶段过程：转换、传输和发光。闪烁晶体具有类似于半导体的带隙结构，由价带、导带和禁带（带隙）组成（图1.2）。在转换过程中，人射光子（y）与闪烁晶体相互作用，能量通过相互作用（如康普顿散射和光电效应）沉积在晶体中。康普顿散射仅导致部分人射光子的能量被沉积，而光电效应则是整个光子被吸收。这一过程在晶格中产生电子-空穴对，其中电子被激发到导带，而价带则留下空穴。在光电效应的情况下，空穴将出现在原子的*内层，使原子处于不稳定状态。当外层电子跃迁到内层填补空穴时，原子会重新稳定下来，并产生一种特征性X射线和（或）俄歇电子。这些特征性X射线继续与闪烁体相互作用，并且能激发松散束缚的电子以在晶格中形成额外的电子-空穴对。高能电子也通过散射与其他电子相互作用，并将一些电子提升到导带。这些效应的结果可以导致多个电子被提升到价带，从而产生多个电子-空穴对，这一过程称为转换。由于晶体的带隙结构，仅吸收由带隙能量限定的*小能量的电子将从价带提升到导带。电子-空穴对会通过晶体迁移并在传输阶段因非辐射重组（猝灭）而损失一些能量，从而降低了晶体的效率。在晶体中加人掺杂剂，以便在晶格内产生多个能级在禁带（带隙）范围内的陷阱。在发光阶段，陷阱内的电子-空穴对重组并产生具有特征闪烁光的光子。这一过程见图1.2。
表1.2总结了对PET成像很重要的闪烁晶体的特性。探测器效率描述了晶体如何将沉积的光子能量转换为电子-空穴对。具有高效率的闪烁体将提高能量分辨率并使光子的检测更准确。从转换到发光的过程需要有限的时间。如果第二个光子在这个过程中相互作用，来自第二个事件的光将被添加到**个事件中，导致堆积效应。由于该过程非常快（对于LYSO晶体，约为40纳秒），因此该效应仅对高计数率重要。如果晶体具有高光输出，则晶体的物理尺寸可以做得更小，以增加空间分辨率。此外，如果材料更坚固，则更容易制造小晶体。511keV光子的能量分辨率应尽可能高，故闪烁晶体往往是致密的，因此它们主要通过光电效应相互作用以完全吸收人射光子的能量。重要的是，闪烁光具有与PMT响应匹配的波长，PMT耦合具有与晶体相同
的折射率，并且晶体对闪烁光透明以避免光学损失。暴露于辐射的材料会随着时间的推移而降解；因此，闪烁晶体必须具有抗辐射性，以增加稳定性和寿命。由于一些晶体如NaI（Tl）在暴露于湿气时会劣化（具有吸湿性），因此非吸湿性晶体更理想，因为它们不需要气密密
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