PETgailun fx

1、PET儀器基礎(chǔ)知識點(diǎn)Chapter 1PET是什么、中英文全稱、功能作用、成像過程、原理、與CT及MRI的區(qū)別。答：PET(Positron Emission Tomography) 正電子發(fā)射斷層成像功能作用：是一種尖端的醫(yī)療成像設(shè)備，能夠早期檢測癌癥，進(jìn)行癌癥的分期以及原發(fā)病灶的搜尋；對重大疾病如心臟系統(tǒng)疾病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的預(yù)防和治療中獨(dú)特價(jià)值。 利用生物體所需代謝物質(zhì)(氨基酸、脂肪、葡萄糖等)或治療疾病的藥物作為示蹤劑 反映示蹤劑在生物體中的代謝過程和生物體內(nèi)的生化變化，提供生物體代謝和功能變化信息 在分子水平上反映生物體的生理或病理變化成像過程：放射性示蹤劑18FDG（氟代脫氧葡萄糖）

2、參與體內(nèi)新陳代謝在腫瘤組 織處滯留 正電子湮滅，產(chǎn)生一對光子 探測器 檢測到正負(fù)電子發(fā)生湮滅高能光子-可見光光子-電脈沖信號 電子學(xué)，信號處理 圖像重建，體內(nèi)核素分布正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)掃描（Positron Emision Tomography 簡稱PET）：該技術(shù)是利用回旋加速器加速帶電粒子轟擊靶核，通過核反應(yīng)產(chǎn)生帶正電子的放射性核素，并合成顯像劑，引入體內(nèi)定位于靶器官，它們在衰變過程中發(fā)射帶正電荷的電子，這種正電子在組織中運(yùn)行很短距離后，即與周圍物質(zhì)中的電子相互作用，發(fā)生湮沒輻射，發(fā)射出方向相反，能量相等的兩光子。PET成像是采用一系列成對的互成180排列后接符合線路的探頭，在體外探測示蹤劑

3、所產(chǎn)生之湮沒輻射的光子，采集的信息通過計(jì)算機(jī)處理，顯示出靶器官的斷層圖象并給出定量生理參數(shù)。電腦斷層掃描（Computed Tomography 簡稱(CT) :它是用X射線照射人體，由于人體內(nèi)不同的組織或器官擁有不同的密度與厚度，故其對X射線產(chǎn)生不同程度的衰減作用，從而形成不同組織或器官的灰階影像對比分布圖，進(jìn)而以病灶的相對位置、形狀和大小等改變來判斷病情。CT由于有電腦的輔助運(yùn)算，所以其所呈現(xiàn)的為斷層切面且分辨率高的影像。磁共振造影術(shù)（Magnetic Resonance Imaging）簡稱 MRI由于人體內(nèi)含有非常豐富的氫原子（即質(zhì)子），且每一個(gè)氫原子核都如同是一個(gè)小小磁鐵，而人體內(nèi)不

4、同物質(zhì)、組織或器官彼此之間所含的氫原子核密度皆不相同，因此 MRI是利用均勻的強(qiáng)磁場和可改變區(qū)域磁場強(qiáng)度的特定頻率的射頻脈沖，經(jīng)由各種脈沖程序的控制，使得氫原子核產(chǎn)生磁矩的回旋動(dòng)力的變化，然后依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，轉(zhuǎn)換成電流信號并記錄下來，最后由電腦處理而形成不同物質(zhì)、組織或器官的灰階影像對比分布圖，其所呈現(xiàn)的為斷層切面且分辨率高的影像，所提供的也是屬于人體解剖結(jié)構(gòu)方面的資訊。PS：比較PET與CT/MR相比較，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)，前者以功能顯像見長，后者以精確反映形態(tài)、結(jié)構(gòu)改變見長，具有互補(bǔ)性。PET主要是探測疾病發(fā)生、發(fā)展過程度的功能、代謝改變，從理論上講它要較以反映形態(tài)改變的CT/MR能更

5、早期地檢出病變的存在，在功能方面，特別在受體顯像方面，PET具有CT/MR無法比擬優(yōu)勢。PET從分子水平出發(fā)，把組織病理學(xué)檢查延伸為組織局部生物化學(xué)的顯示，確定病變的性質(zhì)及惡性的程度，預(yù)測病程并直接指導(dǎo)治療，這是目前CT、MRI等影像技術(shù)所不及的，但是PET所提供的圖像是人體生理代謝的圖像，在臨床解剖學(xué)意義上它無法與CT、MRI等影像技術(shù)比較。再有，PET、CT檢查是放射檢查，從某種意義上說，這種檢查對人體健康會帶來一定的不良影響，而MRI成像的磁場強(qiáng)度范圍內(nèi)，對人體健康不致帶來不良影響，所以是一種非損傷性檢查，但是對于裝有心臟起搏器及被檢部位有金屬植入的患者則不能進(jìn)行MRI檢查。相對于單模成

6、像，PET/CT的優(yōu)勢和問題？PET/MRI的優(yōu)缺點(diǎn)？答： PET-CT： 優(yōu)勢：同時(shí)獲得解剖結(jié)構(gòu)圖像和功能圖像CT數(shù)據(jù)可以用于衰減校正，省去透射掃描時(shí)間CT掃描要比PET透射掃描快很多(20sec. vs. 20 min)CT數(shù)據(jù)噪聲要小于PET透射掃描數(shù)據(jù)CT圖像可用于散射校正及PET圖像分辨率提高問題：Image Registration 圖像配準(zhǔn)PET和CT不是同時(shí)掃描，需要進(jìn)行圖像配準(zhǔn)病人的運(yùn)動(dòng)、心跳、呼吸狀態(tài)不同Attenuation Correction衰減修正CT射線為低能射線(30120keV)，組織對CT射線和PET高能光子的衰減不一致，用于PET衰減校正，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，會

7、導(dǎo)致誤差病人運(yùn)動(dòng)、心跳和呼吸 PET-MRI：優(yōu)勢：高質(zhì)量的軟組織成像，可識別腫瘤高發(fā)的軟組織PET和MRI的同步造影可以消除非同步掃描帶來的圖像不匹配消除CT的輻射傷害 問題：PMT在磁場中工作 要保證不會受到干擾衰減校正要探尋合適的方法體內(nèi)留有金屬物品者不宜接受MRI。 Chapter 2核素Nuclide定義、基本粒子概念、能級與躍遷概念(例)。答：核素 具有一定數(shù)目質(zhì)子和一定數(shù)目中子的一種原子；基本粒子 即在不改變物質(zhì)屬性的前提下的最小體積物質(zhì)。它是組成各種各樣物體的基礎(chǔ)。能級 由玻爾的理論發(fā)展而來的現(xiàn)代量子物理學(xué)認(rèn)為原子的可能狀態(tài)是不連續(xù)的，因此各狀態(tài)對應(yīng)能量也是不連續(xù)的。這些能量值

8、就是能級。躍遷 量子力學(xué)體系狀態(tài)發(fā)生跳躍式變化的過程。原子在光的照射下從高（低）能態(tài)跳到低（高）能態(tài)發(fā)射（吸收）光子的過程就是典型的量子躍遷。影響原子核穩(wěn)定的因素有哪些？答： 原子核的穩(wěn)定性主要與以下幾點(diǎn)因素有關(guān)： 1、比結(jié)合能: 原子核結(jié)合能與核子數(shù)之比，也叫平均結(jié)合能 比結(jié)合能越大，表示核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定 2、中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)之比 Z<20，N/Z =1 核素穩(wěn)定 20<Z<90的核素，1<N/Z <1.6 核素 穩(wěn)定 90<Z, 不穩(wěn)定，易裂變 當(dāng)原子核質(zhì)量數(shù)較小時(shí)，N=Z附近原子核較穩(wěn)定當(dāng)原子核質(zhì)量數(shù)較大時(shí)，N=1.5Z附近原子核較穩(wěn)定

9、。 3、原子核質(zhì)量數(shù)的奇偶性4、穩(wěn)定核素：偶偶 166, 偶Z奇N 56, 奇偶 53, 奇奇 9 5、幻數(shù) Imaginary number: 核中質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)是某個(gè)特定數(shù)值 或兩者均為這一數(shù)值時(shí)，原子核的穩(wěn)定性大與比平均值 2、8、20、28、50、82、126 Alpha, beta, gamma衰變的定義及其產(chǎn)物，產(chǎn)生的射線的穿透力大小比較。答：1、不穩(wěn)定的核素能自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌怂鼗蜃园l(fā)地發(fā)生核能態(tài)變化，同時(shí)伴有射線的發(fā)射，這一變化過程稱為放射性衰變（nuclear decay）；2、發(fā)射射線的種類： 、中子、特征X線或俄歇電子等。3、穿透力大小比較： 中子>/X射線>

10、>PS ：電離能力：/X射線<< 具有連續(xù)能譜；正電子衰變只有人工核素才會發(fā)生 電子俘獲X ray、gamma ray、俄歇電子、內(nèi)轉(zhuǎn)換電子之間的聯(lián)系與區(qū)別？答： X ray、gamma ray兩者均屬于原子退激時(shí)產(chǎn)生的電磁波，但是產(chǎn)生的機(jī)理不同，前者是在電子發(fā)生躍遷時(shí)，能量以X射線釋放；后者指正負(fù)電子發(fā)生湮滅時(shí)，能量以gamma 光子的形式釋放。 俄歇電子、內(nèi)轉(zhuǎn)換電子兩者均是原子退激時(shí)產(chǎn)生的電子，兩者機(jī)理也不相同。原子衰變時(shí)一個(gè)內(nèi)層電子被原子核俘獲后，外層電子會立即填補(bǔ)這一空位，能量以發(fā)射特征X 射線的形式放出，也可以使另一外層電子電離成為自由電子，這種被電離出的電子稱為俄

11、歇電子；而當(dāng)核外存在電子時(shí)，原子核還可以把能量傳遞給某個(gè)殼層電子（如K層電子）使電子發(fā)射出來，實(shí)現(xiàn)退激，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換。放射核素的制備裝置有哪幾種？ 答： 核反應(yīng)堆 回旋加速器：利用磁場使帶電粒子作回旋運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)中經(jīng)高頻電場反復(fù)加速的裝置 同位素發(fā)生器：裝有某種放射性母體核素、分離得到該母體核素衰變生成的高純放射性子體核素的裝置。PS：質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不相同的同一元素的不同原子互稱為同位素(isotope)粒子與物質(zhì)的相互作用有哪幾種，各有何特點(diǎn)？答： 激發(fā) 由于帶電粒子或光子等作用于物質(zhì)，使得原子的軌道電子獲能，由低能級向高能級躍遷的過程。特點(diǎn)：整個(gè)原子處于激發(fā)態(tài);退激時(shí)可發(fā)射特征X

12、射線和俄歇電子。 電離 帶電粒子(、)與物質(zhì)相互作用，使得核外電子e-脫離軌道成為自由電子的過程 特點(diǎn)：失去核外電子e-的原子帶正電荷，兩者形成一離子對;自由電子還可使其它原子發(fā)生電離：次級電離。 散射 帶電粒子與物質(zhì)的原子核系統(tǒng)碰撞而改變運(yùn)動(dòng)方向和/或能量的過程 。特點(diǎn)：僅改變運(yùn)動(dòng)方向能量不變者為彈性碰撞 Elastic；散射作用強(qiáng)弱與帶電粒子的質(zhì)量成反比。 韌致輻射 Braking radiation 高速入射粒子通過物質(zhì)原子核電場時(shí)受到突然阻滯，運(yùn)動(dòng)方向和速度都發(fā)生變化，能量減低，多余的能量以X射線的形式輻射出來。 特點(diǎn)：實(shí)為一種非彈性散射 釋放的能力與物體的原子序數(shù)的平方成正比，與帶電

13、粒子的質(zhì)量成反比，并隨著帶電粒子的能量增大而增大 湮滅輻射 +粒子與物體中運(yùn)行一段距離，能量耗盡時(shí)與物質(zhì)中的自由電子（e-）結(jié)合，正負(fù)兩個(gè)電子的靜止質(zhì)量（1.02MeV）轉(zhuǎn)化為兩個(gè)方向相反、能量各為0.511MeV的光子而自身消失。 特點(diǎn)：電子轉(zhuǎn)化為光子，僅發(fā)生在正負(fù)光子間。 吸收輻射 帶電粒子通過物質(zhì)時(shí)，與物體相互作用，能量不斷損失，當(dāng)射線能量耗盡后，帶電粒子就停留在物質(zhì)中，射線則不再存在。特點(diǎn)：射線被吸收前在物質(zhì)中所行徑的路程稱為射程；射程與射線的種類、射線能量、介質(zhì)密度有關(guān)。Tracer principle的定義和意義。答： 放射性核素示蹤技術(shù)：以放射性核素或其標(biāo)記化合物作為示蹤劑(tr

14、acer)，應(yīng)用射線探測設(shè)備來檢測其行蹤，以研究示蹤物在生物體系中的分布及其變化規(guī)律的一門技術(shù)。意義：核醫(yī)學(xué)診斷與研究的方法學(xué)基礎(chǔ)；核醫(yī)學(xué)任何診斷技術(shù)和方法都是建立在示蹤技術(shù)的基礎(chǔ)上的核素示蹤技術(shù)看到了機(jī)體內(nèi)分子的變化。PS：原理ü 同一性、代表性同一元素的同位素具有相同的化學(xué)性狀，同樣參與轉(zhuǎn)化過程，因此基本上能夠反映被研究物質(zhì)的行為。被標(biāo)記的物質(zhì)也能代表非標(biāo)記物的行為。ü 可測性自發(fā)地放射出射線，利用高靈敏度的儀器能進(jìn)行定量、定位、定性探測，動(dòng)態(tài)觀察各種物質(zhì)在生物體內(nèi)的量變規(guī)律。 特點(diǎn)： ü 靈敏度高：可以測定10-1410-18 g；ü 合乎生理?xiàng)l件

15、，不影響生物體原來的狀態(tài)，能反映機(jī)體真實(shí)的情況；ü 提供分子水平的研究手段；ü 相對簡便、實(shí)驗(yàn)誤差小，可避免反復(fù)分離、純化造成的損失；ü 具有一定的放射性，需要適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)。Chapter 3PET探測器中，閃爍晶體、光導(dǎo)、光電倍增器件三部分各自的作用。答：閃爍晶體作為探測器系統(tǒng)的最前端，將捕獲的高能gamma光子轉(zhuǎn)化為可見光，從而可以被光電倍增管轉(zhuǎn)化放大。光導(dǎo)的作用是將方形的閃爍晶體與圓形的光電被征管相匹配，同時(shí)優(yōu)化光收集。光電倍增器件的作用是利用光電效應(yīng)將光線轉(zhuǎn)化為可控的電量，同時(shí)有很高的增益。閃爍晶體發(fā)光的機(jī)制是什么？答： 對于摻雜晶體，內(nèi)部的雜質(zhì)和晶格缺陷在

16、禁帶中產(chǎn)生一些孤立能級，起俘獲中心的作用。當(dāng)入射粒子通過閃爍晶體后，產(chǎn)生激子、電子和空穴，它們都能夠自由地經(jīng)過晶格運(yùn)動(dòng)，直至被俘獲中心俘獲，這時(shí)俘獲中心的電子從基態(tài)到達(dá)激發(fā)態(tài)。之后俘獲中心受激電子躍回基態(tài)而發(fā)射光子，選擇合適的激活劑，就可以使輻射光子在可見光范圍。PMT的結(jié)構(gòu)（包括哪三極，各自的功用）。答：光電陰極 作用：經(jīng)入射的光子作用后可以生成光電流倍增極 作用：對光陰及產(chǎn)生的光電流進(jìn)行放大，獲得很高的增益。光電陽極 作用：輸出端，輸出電流。PMT TTS的物理定義和數(shù)學(xué)表達(dá)？答：渡越時(shí)間分布（TTS）: transit time spread (TTS): When a photocat

17、hode is fully illuminated with single photons, the transit time of each photoelectron pulse has a fluctuation. This fluctuation is called TTS.當(dāng)一個(gè)光陰極充分受到一個(gè)光子照射，每個(gè)光電子脈沖的傳輸時(shí)間會有一個(gè)波動(dòng)，這個(gè)波動(dòng)就是渡越時(shí)間分布。!？數(shù)學(xué)表達(dá)：PMT暗電流的原因，其中主要因素是哪幾項(xiàng)。答： 1、熱離子發(fā)射電流 2、漏電電流3、場發(fā)射電流4、玻璃閃爍產(chǎn)生的電流5、殘余氣體的離子發(fā)射6、由環(huán)境中的噪聲射線或者光線作用產(chǎn)生的電流PS：暗電流定義：在完

18、全黑暗的環(huán)境下，PMT中仍舊有微小的電流能夠識別PMT, PSPMT, MCP, APD, SiPM幾種器件的照片，對各自的性能特點(diǎn)有大致了解。答：PMT（長管）在包括極弱光領(lǐng)域的廣闊范圍里，光電倍增管的陽極輸出電流對入射光通量的線性是很好的。PSPMT （柵格） 使用具有位置敏感性能的電子倍增極，各極間二次電子發(fā)射的飛行空間很小。微通道板PMT（MCP-PMT）ü 電流增益特性呈指數(shù)型，存在飽和特性，有恢復(fù)時(shí)間（期間信號增益一般很弱。）ü 光電面-倍增極-陽極間短，減小電子飛行距離ü 倍增極二次電子沿管軸平行飛行ü 電場強(qiáng)度較高ü 在與管軸平

19、行的一定強(qiáng)度磁場中仍可以正常工作（垂直則不可） APD雪崩光電二極管優(yōu)點(diǎn):高量子效率 (>70% for 400600 nm) 光譜響應(yīng)帶寬大偏置電壓低 (below breakdown voltage)結(jié)構(gòu)緊湊堅(jiān)固像素很小，可單個(gè)耦合。 對磁場不敏感輸出電流正比于輸入的光子量缺點(diǎn):增益比PMT低 (102 vs 106 ) 增益對溫度和電壓波動(dòng)敏感過剩噪聲系數(shù)高SiPM硅光電倍增管ü 低工作電壓ü 高的增益和光子探測效率ü 較快的時(shí)間響應(yīng)ü 不受磁場影響ü 體積小ü 大批量生產(chǎn)時(shí)成本相對較低ü SiPM有很好的單光子

20、探測分辨率，TOF與DOI的定義，各自能帶來什么好處。答： Time-Of-Flight，TOF-PET SiPM 的高探測效率和快時(shí)間響應(yīng)表明，其可能提供一個(gè)好的時(shí)間分辨率和能量分辨率，因而，SiPM 同時(shí)可以作為光電轉(zhuǎn)換器件應(yīng)用于TOF 探測器中以獲得更好的時(shí)間性能。 Depth-Of-Interaction，DOI探測器DOI探測器可以在不犧牲系統(tǒng)靈敏度情況下提高圖像空間分辨率和均勻性，體積小巧的SiPM（相對于PMT）可以搭建出如圖所示的多層DOI探測器。Chapter 4PET探測器采集得到的信號中，我們需要提取哪些信息？答： 位置信息（Position）、能量信息（Energy）、

21、時(shí)間信息（Time）PET系統(tǒng)采集的事件(events)分為哪幾類，在做符合時(shí)，使用什么信息和什么方法來排除無效事件？答：事件種類：散射事件、隨機(jī)事件、真實(shí)事件。需要獲取 能量信息、時(shí)間信息、位置信息 可以利用提高能量分辨率和減小能量窗口判定是不是光子是否有正確的能量信息，從而進(jìn)行挑選；利用位置信息、提高時(shí)間分辨率和減小時(shí)間符合窗口判斷是否光子是否成對，盡量排除偶然符合。系統(tǒng)時(shí)間分辨率、能量分辨率、計(jì)數(shù)率、靈敏度代表什么樣的性能？答：時(shí)間分辨率：表征一對伽馬光子到達(dá)時(shí)間差測量的不準(zhǔn)確性，代表了PET系統(tǒng)排除隨機(jī)符合計(jì)數(shù)的能力。能量分辨率：表征系統(tǒng)判定所測光子是直接來自湮滅還是來自散射的不準(zhǔn)確性

22、，代表了PET系統(tǒng)對散射符合計(jì)數(shù)的的甄別能力。？計(jì)數(shù)率：是指1個(gè)光子通過探測器晶體時(shí)，能夠被記錄下來的幾率。代表了系統(tǒng)探測光子的效率靈敏度：系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)單位輻射劑量條件下所謂得的符合計(jì)數(shù)。代表了體統(tǒng)探測符合事件的效率。影響空間分辨率的因素有哪些，各自如何定義，表達(dá)成經(jīng)驗(yàn)公式是怎樣？答：空間分辨率反應(yīng)了探測器區(qū)分兩個(gè)點(diǎn)的能力用點(diǎn)源伸展函數(shù)的半高寬（FWHM）表示，單位為mm。Ø Ri 探測器固有分辨率 intrinsic resolutionØ Rp 正子范圍 positron rangeØ Ra 非共線性 non-colinearityØ Rl 探測

23、器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) detector interaction/decodingØ Rs 點(diǎn)源大小 (測量用射源空間分布的半高寬，理想為0）Ø KR 重建算法，范圍為1.21.5PET系統(tǒng)校正有哪些？答： PET系統(tǒng)校正 衰減校正 Attenuation correction 散射符合校正 Scatter correction 探測器靈敏度校正(歸一化) Normalization 隨機(jī)符合校正 Random correction 同位素衰變校正 Decay correction 死時(shí)間校正 Dead time correction 幾何校正衰減校正的實(shí)現(xiàn)原理？答：？如圖，用橢圓或其

24、它簡單幾何近似估計(jì)人體輪廓，由此可以計(jì)算得到任意一條LOR與人體輪廓相交的弦長，衰減系數(shù)用弦上各部分衰減系數(shù)的微分和積分求得，即， 衰減方程則為散射校正與散射拒絕，隨機(jī)校正與隨機(jī)拒絕各在定義和方法上有何不同？答：散射校正：組織中正電子湮滅產(chǎn)生的兩個(gè)光子在到達(dá)探測器之前其中之一或全部發(fā)生了康普頓散射而偏移了原來的運(yùn)行軌跡，且無法用能量窗方法有效去除，造成錯(cuò)誤的符合信息，影響圖像對比度。將前述有效的錯(cuò)誤符合信息進(jìn)行校正即為散射校正。散射拒絕：組織中正電子湮滅產(chǎn)生的光子在到達(dá)探測器之前可能發(fā)生了康普頓散射能量發(fā)生變化，分布在非511keV左右，為防止和非成對光子符合，可以用能量窗方法有效去除錯(cuò)誤的符合信息，此過程為散射拒絕。校正方法：雙能量窗法；解析法；卷積扣除法；蒙特卡羅模擬法；兩個(gè)或兩個(gè)以上沒有關(guān)聯(lián)的光子被同時(shí)探測到而造成的符合計(jì)數(shù)，且無法用時(shí)間符合窗方法有效去除，對前述有效的錯(cuò)誤符合信息進(jìn)行校正后采用的過程即為隨機(jī)校正。反之判斷該符合信息錯(cuò)誤而用時(shí)間符合窗方法有效去除的過程即為隨機(jī)拒