多模式成像系统
作者：李玉兰 金永杰
单位：清华大学工程物理系 北京 100084
关键词：
北京生物医学工程000213 1 PET/SPECT系统
这种系统最直接的实现办法就是给双探头SPECT增加时间符合电路，它的突出优点是价格比标准PET低廉。然而，探测能量分别为140keV和511keV的γ光子，对闪烁晶体的材料、厚度有不同的要求：为了获得足够幅度的脉冲信号，SPECT探头一般采用NaI(Tl)晶体，而它对511keV γ光子的阻挡能力却不及BGO；加大NaI(Tl)晶体厚度可以提高探测效率，但是又将导致探头的空间分辨率下降。所以这种两用系统很难兼顾PET和SPECT的要求，分辨率、灵敏度都比标准PET差得多。
为了克服以上缺点，人们正试图把两种分别适合探测140keV和511keVγ光子的探测材料叠加起来形成双层探测器[1]。前面的晶体探测140keV的γ光子，而对511keV的γ光子基本上是透明的；后面的晶体探测511keV的γ光子。发生在两层晶体中的事件靠脉冲波形(衰减时间长短)来识别常见的两种晶体的组合有：NaI(Tl)+BGO、NaI(Tl)+LSO、YSO+LSO等。
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比如，CTI正在设计一种双层晶体块[2]：前面的NaI(Tl)晶体厚3/8″，用来探测140keV的γ光子，供SPECT显像；后面的LSO晶体厚10mm，用来探测511keV的γ光子，供PET显像。这种符合晶体块的尺寸为52mm×52mm，切割成12×12的阵列，每小块4mm×4mm。7行10列共70个晶体块拼接成36cm×52cm的探头，采用象限共享(quadrant sharing)的方式通过光导与8×11只光电倍增管相耦合。两个探头相对地放置在旋转机架上，构成两用系统：既是能做核医学日常检查的标准SPECT，又是能进行18FDG显像的高性能PET。
2 PET/X-CT系统
在空间分辨率方面，PET图像比X-CT图像差，然而X-CT图像表现的只是人体的解剖结构，而PET独特的功能显像能力是X-CT所不具备的。例如利用18F标记的脱氧葡萄糖(18FDG)观察人脑的葡萄糖代谢，是当前诊断癫痫、老年痴呆等疾病，进行人脑功能和药物成瘾研究的唯一手段。将两类图像相融合(fusion),使它们互相取长补短，一直是医学界的期望。
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被融合的图像必须互相配准(coregistered),最理想的办法是在一次扫描中同步获得两种图像，因此需要研制兼有PET和X-CT的符合系统，这种系统对成像中可能发生运动的体段，如胸腔、腹腔的图像融合尤其有价值。美国彼斯堡大学和CTI公司研制的一种符合系统样机[2]采用Somatom的AR.SP型螺旋CT和Siemens的ECAT ART型连续旋转扫描PET部件，将PET部件安装在X-CT的旋转支撑结构上。扫描床可沿轴向运动100cm，足够覆盖病人从下颚到大腿根的部分。X-CT图像还可以为PET提供衰减校正因子，和基于模型的散射校正所需的解剖结构图，所以省去了PET的透射扫描放射源。该符合系统还可以在CT引导的活检中提供功能图像，在放疗计划中描绘出肿瘤的代谢旺盛度，为器官的18FDG吸收图像增加了精确定位信息，产生了显著的效果。
3 PET/MRI和PET/NMR系统
要把PET和MRI集成起来最大的挑战在于开发一个PET探测器，它能工作在几个特斯拉(T)的磁场中而性能没有明显的下降，并且不会在MR图像上造成明显的变形或伪象。技术上的难度包括：避免在PET前段使用导体或铁磁体，以保持主磁场的均匀性，最小化PET和磁共振信号间的相互干扰；另外，PET系统必须非常紧凑，以便可以放到大多数MR系统相对较小的孔内、且易于取放、能和MR扫描仪精确定位，以便能进行直接PET/MRI图像融合；最后还必须考虑系统的造价。
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在这方面，由Simon Cherry领导的UCLA研究小组以他们比较成熟的MicroPET[3]为基础走在了前列。他们研制了一套能与临床核磁共振成像扫描仪(MRI)及核磁共振谱仪(NMR)相兼容的PET扫描仪[4]。这是一个单层系统，探头由72个2×2×5mm的LSO晶体围绕成一个直径54mm的环，封装在有机荧光玻璃中。末端2×2mm的那一端耦合到一根长4米、直径2mm的光纤上。光纤另一端耦合到一个多通道PMT(MC-PMT,Philips XP1722)的一个象素上。这个MC-PMT有64个通道，排成一个8×8的阵列，每个通道都有各种的输出端；另外还有一个公共的阴极输出，这个输出可给出精确的能量和时间信息。整个系统使用了3个MC-PMT，每一个接到探测器环的1/3，也就是24个晶体块。PMT和相关的电子学线路被放入一个铝盒子以屏蔽环境的光线和RF辐射。这个系统能给出一个厚为1mm(FWHM)，横截面视野为28mm的成像层。对点源的测量证明PET系统重建后的分辨率为2.1mm，符合时间分辨率为26ns，能量分辨率为45%。同时获取的PET和MRI的图像并无明显的伪像和失真。
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另外，他们还同时从一个老鼠心脏获取了NMR谱和PET图像，实验装置见图1。实验证明：此系统可以同时获取生物系统在时间上相关的PET和NMR的信息；并且在高9.4T的磁场强度下，两种数据都无明显的伪像。
图1 从一个独立的灌注后的老鼠心脏同
时获取PET图像和NMR谱的实验设置
4 PET/SPECT/X-CT系统
科学家们还在探讨一种三模式的显像系统，即用同一个探测系统来同时实现发射成像(SPECT/PET)和透射成像(X-CT)，即PET/SPECT/X-CT成像系统。加拿大魁北克一所大学采取的设计如图2[5]：探测器采用一般环形PET的结构，一个可以收放的、聚焦到外部透射源所在位置的扇形束准直器被用作SPECT的空间定位和X-CT的散射剔除。每个探测器单元的电子学线路都必须能够提供：PET的符合能量；用于SPECT的中等能量γ射线的高能量分辨率的测量；用于CT的低能X射线的快速采集。探头由一薄层CsI(Tl)和厚的LSO及GSO层组成，并耦合到雪崩二极管(APD，如图3)。LSO/GSO对511keV的光子有很好的探测效率，并可提供DOI(Depth-of interaction)信息；而薄的CsI(Tl)用来测量低能X射线(X-CT)和中等能量的γ光子(SPECT，≤140keV)。一个3mm厚的CsI(Tl)基本可以全部吸收低能X射线，而对511keV的γ光子实质上是透明的。发生在不同探测材料的事件可以通过脉冲波形甄别来区分。60keV的X射线可以很轻易地从电子学噪声和140keV的γ事件中分别出来。当使用的成形时间常数大于250ns时，CsI(Tl)在140keV时能量分辨率可以达到11%，这能够很好地保证散射的剔除。在PET模式下，靠脉冲波形甄别，不管能量多大只要是发生在CsI(Tl)中的事件都很容易被识别出来；而LSO/GSO只有在入射511keV光子时才可识别。但考虑到：1.等于或小于140keV的光子并不能到达这三层探测器的底层；2.511keV的γ光子在CsI(Tl)中发生光电吸收的可能性很小(小于3%)，况且符合时间分辨率又很差，所以可以忽略不要。因此GSO/LSO可以给出PET的DOI信息。
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图2 PET/SPECT/X-CT扫描系统示意图
图3 基于APD的PET/SPECT/CT
多模式成像探测器
5 结束语
随着临床应用和科学研究的发展，对多种模式数据融合的要求越来越多。以前大部分的尝试是：先用不同模式的系统分别采集图像，然后再进行数据融合。这种基于计算机算法的方法在处理脑图像方面得到了成功的应用，但对身体其它部位，由于器官的运动，有难以克服的困难。而多模式成像系统可以在同一台机器上同时或间隔很短地获取功能的和解剖的图像，克服了以上问题，所以必将在21世纪的核医学占一席之地。
作者简介：李玉兰(1967—)，女，清华大学工程物理系讲师.
, 百拇医药
参考文献
[1] Dahlbom M,MacDonald L R,Eriksson L,et al.Performance of a YSO/LSO phoswich detector for use in a PET/SPECT system.IEEE Trans Nucl Sci,1997,44(3):1114
[2] Townsend DW,Beyer T,Brun T,et al.Multi-modality imaging devices.Proceedings of Future Directions in Nuclear Medicine Physics and Engineering,1999,26
[3] Cherry SR,Shao Y,Siverman RW,et al.Development of a PET detector system compatible with MRI/NMR system.IEEE Trans Nucl Sci,1997,44(3):1161
[4] Shao Y,Cherry SR,Farahani K,et al.MicroPET:a high resolution PET scanner for imaging small animals.IEEE Trans Nucl Sci,1997,44(3):1167
[5] Saoudi A,Lecomte R.New concept of multi-modality scanner.Proceedings of Future Directions in Nuclear Physics and Engineering,1999,60
(1999-06-28收稿), 百拇医药
单位：清华大学工程物理系 北京 100084
关键词：
北京生物医学工程000213 1 PET/SPECT系统
这种系统最直接的实现办法就是给双探头SPECT增加时间符合电路，它的突出优点是价格比标准PET低廉。然而，探测能量分别为140keV和511keV的γ光子，对闪烁晶体的材料、厚度有不同的要求：为了获得足够幅度的脉冲信号，SPECT探头一般采用NaI(Tl)晶体，而它对511keV γ光子的阻挡能力却不及BGO；加大NaI(Tl)晶体厚度可以提高探测效率，但是又将导致探头的空间分辨率下降。所以这种两用系统很难兼顾PET和SPECT的要求，分辨率、灵敏度都比标准PET差得多。
为了克服以上缺点，人们正试图把两种分别适合探测140keV和511keVγ光子的探测材料叠加起来形成双层探测器[1]。前面的晶体探测140keV的γ光子，而对511keV的γ光子基本上是透明的；后面的晶体探测511keV的γ光子。发生在两层晶体中的事件靠脉冲波形(衰减时间长短)来识别常见的两种晶体的组合有：NaI(Tl)+BGO、NaI(Tl)+LSO、YSO+LSO等。
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比如，CTI正在设计一种双层晶体块[2]：前面的NaI(Tl)晶体厚3/8″，用来探测140keV的γ光子，供SPECT显像；后面的LSO晶体厚10mm，用来探测511keV的γ光子，供PET显像。这种符合晶体块的尺寸为52mm×52mm，切割成12×12的阵列，每小块4mm×4mm。7行10列共70个晶体块拼接成36cm×52cm的探头，采用象限共享(quadrant sharing)的方式通过光导与8×11只光电倍增管相耦合。两个探头相对地放置在旋转机架上，构成两用系统：既是能做核医学日常检查的标准SPECT，又是能进行18FDG显像的高性能PET。
2 PET/X-CT系统
在空间分辨率方面，PET图像比X-CT图像差，然而X-CT图像表现的只是人体的解剖结构，而PET独特的功能显像能力是X-CT所不具备的。例如利用18F标记的脱氧葡萄糖(18FDG)观察人脑的葡萄糖代谢，是当前诊断癫痫、老年痴呆等疾病，进行人脑功能和药物成瘾研究的唯一手段。将两类图像相融合(fusion),使它们互相取长补短，一直是医学界的期望。
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被融合的图像必须互相配准(coregistered),最理想的办法是在一次扫描中同步获得两种图像，因此需要研制兼有PET和X-CT的符合系统，这种系统对成像中可能发生运动的体段，如胸腔、腹腔的图像融合尤其有价值。美国彼斯堡大学和CTI公司研制的一种符合系统样机[2]采用Somatom的AR.SP型螺旋CT和Siemens的ECAT ART型连续旋转扫描PET部件，将PET部件安装在X-CT的旋转支撑结构上。扫描床可沿轴向运动100cm，足够覆盖病人从下颚到大腿根的部分。X-CT图像还可以为PET提供衰减校正因子，和基于模型的散射校正所需的解剖结构图，所以省去了PET的透射扫描放射源。该符合系统还可以在CT引导的活检中提供功能图像，在放疗计划中描绘出肿瘤的代谢旺盛度，为器官的18FDG吸收图像增加了精确定位信息，产生了显著的效果。
3 PET/MRI和PET/NMR系统
要把PET和MRI集成起来最大的挑战在于开发一个PET探测器，它能工作在几个特斯拉(T)的磁场中而性能没有明显的下降，并且不会在MR图像上造成明显的变形或伪象。技术上的难度包括：避免在PET前段使用导体或铁磁体，以保持主磁场的均匀性，最小化PET和磁共振信号间的相互干扰；另外，PET系统必须非常紧凑，以便可以放到大多数MR系统相对较小的孔内、且易于取放、能和MR扫描仪精确定位，以便能进行直接PET/MRI图像融合；最后还必须考虑系统的造价。
, http://www.100md.com
在这方面，由Simon Cherry领导的UCLA研究小组以他们比较成熟的MicroPET[3]为基础走在了前列。他们研制了一套能与临床核磁共振成像扫描仪(MRI)及核磁共振谱仪(NMR)相兼容的PET扫描仪[4]。这是一个单层系统，探头由72个2×2×5mm的LSO晶体围绕成一个直径54mm的环，封装在有机荧光玻璃中。末端2×2mm的那一端耦合到一根长4米、直径2mm的光纤上。光纤另一端耦合到一个多通道PMT(MC-PMT,Philips XP1722)的一个象素上。这个MC-PMT有64个通道，排成一个8×8的阵列，每个通道都有各种的输出端；另外还有一个公共的阴极输出，这个输出可给出精确的能量和时间信息。整个系统使用了3个MC-PMT，每一个接到探测器环的1/3，也就是24个晶体块。PMT和相关的电子学线路被放入一个铝盒子以屏蔽环境的光线和RF辐射。这个系统能给出一个厚为1mm(FWHM)，横截面视野为28mm的成像层。对点源的测量证明PET系统重建后的分辨率为2.1mm，符合时间分辨率为26ns，能量分辨率为45%。同时获取的PET和MRI的图像并无明显的伪像和失真。
, 百拇医药
另外，他们还同时从一个老鼠心脏获取了NMR谱和PET图像，实验装置见图1。实验证明：此系统可以同时获取生物系统在时间上相关的PET和NMR的信息；并且在高9.4T的磁场强度下，两种数据都无明显的伪像。
图1 从一个独立的灌注后的老鼠心脏同
时获取PET图像和NMR谱的实验设置
4 PET/SPECT/X-CT系统
科学家们还在探讨一种三模式的显像系统，即用同一个探测系统来同时实现发射成像(SPECT/PET)和透射成像(X-CT)，即PET/SPECT/X-CT成像系统。加拿大魁北克一所大学采取的设计如图2[5]：探测器采用一般环形PET的结构，一个可以收放的、聚焦到外部透射源所在位置的扇形束准直器被用作SPECT的空间定位和X-CT的散射剔除。每个探测器单元的电子学线路都必须能够提供：PET的符合能量；用于SPECT的中等能量γ射线的高能量分辨率的测量；用于CT的低能X射线的快速采集。探头由一薄层CsI(Tl)和厚的LSO及GSO层组成，并耦合到雪崩二极管(APD，如图3)。LSO/GSO对511keV的光子有很好的探测效率，并可提供DOI(Depth-of interaction)信息；而薄的CsI(Tl)用来测量低能X射线(X-CT)和中等能量的γ光子(SPECT，≤140keV)。一个3mm厚的CsI(Tl)基本可以全部吸收低能X射线，而对511keV的γ光子实质上是透明的。发生在不同探测材料的事件可以通过脉冲波形甄别来区分。60keV的X射线可以很轻易地从电子学噪声和140keV的γ事件中分别出来。当使用的成形时间常数大于250ns时，CsI(Tl)在140keV时能量分辨率可以达到11%，这能够很好地保证散射的剔除。在PET模式下，靠脉冲波形甄别，不管能量多大只要是发生在CsI(Tl)中的事件都很容易被识别出来；而LSO/GSO只有在入射511keV光子时才可识别。但考虑到：1.等于或小于140keV的光子并不能到达这三层探测器的底层；2.511keV的γ光子在CsI(Tl)中发生光电吸收的可能性很小(小于3%)，况且符合时间分辨率又很差，所以可以忽略不要。因此GSO/LSO可以给出PET的DOI信息。
, http://www.100md.com
图2 PET/SPECT/X-CT扫描系统示意图
图3 基于APD的PET/SPECT/CT
多模式成像探测器
5 结束语
随着临床应用和科学研究的发展，对多种模式数据融合的要求越来越多。以前大部分的尝试是：先用不同模式的系统分别采集图像，然后再进行数据融合。这种基于计算机算法的方法在处理脑图像方面得到了成功的应用，但对身体其它部位，由于器官的运动，有难以克服的困难。而多模式成像系统可以在同一台机器上同时或间隔很短地获取功能的和解剖的图像，克服了以上问题，所以必将在21世纪的核医学占一席之地。
作者简介：李玉兰(1967—)，女，清华大学工程物理系讲师.
, 百拇医药
参考文献
[1] Dahlbom M,MacDonald L R,Eriksson L,et al.Performance of a YSO/LSO phoswich detector for use in a PET/SPECT system.IEEE Trans Nucl Sci,1997,44(3):1114
[2] Townsend DW,Beyer T,Brun T,et al.Multi-modality imaging devices.Proceedings of Future Directions in Nuclear Medicine Physics and Engineering,1999,26
[3] Cherry SR,Shao Y,Siverman RW,et al.Development of a PET detector system compatible with MRI/NMR system.IEEE Trans Nucl Sci,1997,44(3):1161
[4] Shao Y,Cherry SR,Farahani K,et al.MicroPET:a high resolution PET scanner for imaging small animals.IEEE Trans Nucl Sci,1997,44(3):1167
[5] Saoudi A,Lecomte R.New concept of multi-modality scanner.Proceedings of Future Directions in Nuclear Physics and Engineering,1999,60
(1999-06-28收稿), 百拇医药