1、PET儀器基礎知識點Chapter 1PET是什么、中英文全稱、功能作用、成像過程、原理、與CT及MRI的區別。答：PET(Positron Emission Tomography) 正電子發射斷層成像功能作用：是一種尖端的醫療成像設備，能夠早期檢測癌癥，進行癌癥的分期以及原發病灶的搜尋；對重大疾病如心臟系統疾病和神經系統疾病的預防和治療中獨特價值。 利用生物體所需代謝物質(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、參與體內新陳代謝在腫瘤組 織處滯留 正電子湮滅，產生一對光子 探測器 檢測到正負電子發生湮滅高能光子-可見光光子-電脈沖信號 電子學，信號處理 圖像重建，體內核素分布正電子發射計算機掃描（Positron Emision Tomography 簡稱PET）：該技術是利用回旋加速器加速帶電粒子轟擊靶核，通過核反應產生帶正電子的放射性核素，并合成顯像劑，引入體內定位于靶器官，它們在衰變過程中發射帶正電荷的電子，這種正電子在組織中運行很短距離后，即與周圍物質中的電子相互作用，發生湮沒輻射，發射出方向相反，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、所產生之湮沒輻射的光子，采集的信息通過計算機處理，顯示出靶器官的斷層圖象并給出定量生理參數。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算，所以其所呈現的為斷層切面且分辨率高的影像。磁共振造影術（Magnetic Resonance Imaging）簡稱 MRI由于人體內含有非常豐富的氫原子（即質子），且每一個氫原子核都如同是一個小小磁鐵，而人體內不

4、同物質、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是利用均勻的強磁場和可改變區域磁場強度的特定頻率的射頻脈沖，經由各種脈沖程序的控制，使得氫原子核產生磁矩的回旋動力的變化，然后依據法拉第電磁感應定律，轉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、組織或器官的灰階影像對比分布圖，其所呈現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構方面的資訊。PS：比較PET與CT/MR相比較，兩者各有優缺點，前者以功能顯像見長，后者以精確反映形態、結構改變見長，具有互補性。PET主要是探測疾病發生、發展過程度的功能、代謝改變，從理論上講它要較以反映形態改變的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無法比擬優勢。PET從分子水平出發，把組織病理學檢查延伸為組織局部生物化學的顯示，確定病變的性質及惡性的程度，預測病程并直接指導治療，這是目前CT、MRI等影像技術所不及的，但是PET所提供的圖像是人體生理代謝的圖像，在臨床解剖學意義上它無法與CT、MRI等影像技術比較。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成像的磁場強度范圍內，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行MRI檢查。相對于單模成

6、像，PET/CT的優勢和問題？PET/MRI的優缺點？答： PET-CT： 優勢：同時獲得解剖結構圖像和功能圖像CT數據可以用于衰減校正，省去透射掃描時間CT掃描要比PET透射掃描快很多(20sec. vs. 20 min)CT數據噪聲要小于PET透射掃描數據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PET和CT不是同時掃描，需要進行圖像配準病人的運動、心跳、呼吸狀態不同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，需要進行轉換，會

7、導致誤差病人運動、心跳和呼吸 PET-MRI：優勢：高質量的軟組織成像，可識別腫瘤高發的軟組織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 具有一定數目質子和一定數目中子的一種原子；基本粒子 即在不改變物質屬性的前提下的最小體積物質。它是組成各種各樣物體的基礎。能級 由玻爾的理論發展而來的現代量子物理學認為原子的可能狀態是不連續的，因此各狀態對應能量也是不連續的。這些能量值

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

9、。 3、原子核質量數的奇偶性4、穩定核素：偶偶 166, 偶Z奇N 56, 奇偶 53, 奇奇 9 5、幻數 Imaginary number: 核中質子數、中子數是某個特定數值 或兩者均為這一數值時，原子核的穩定性大與比平均值 2、8、20、28、50、82、126 Alpha, beta, gamma衰變的定義及其產物，產生的射線的穿透力大小比較。答：1、不穩定的核素能自發地轉變為其他核素或自發地發生核能態變化，同時伴有射線的發射，這一變化過程稱為放射性衰變（nuclear decay）；2、發射射線的種類： 、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<< 具有連續能譜；正電子衰變只有人工核素才會發生 電子俘獲X ray、gamma ray、俄歇電子、內轉換電子之間的聯系與區別？答： X ray、gamma ray兩者均屬于原子退激時產生的電磁波，但是產生的機理不同，前者是在電子發生躍遷時，能量以X射線釋放；后者指正負電子發生湮滅時，能量以gamma 光子的形式釋放。 俄歇電子、內轉換電子兩者均是原子退激時產生的電子，兩者機理也不相同。原子衰變時一個內層電子被原子核俘獲后，外層電子會立即填補這一空位，能量以發射特征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；而當核外存在電子時，原子核還可以把能量傳遞給某個殼層電子（如K層電子）使電子發射出來，實現退激，這種現象稱為內轉換。放射核素的制備裝置有哪幾種？ 答： 核反應堆 回旋加速器：利用磁場使帶電粒子作回旋運動，在運動中經高頻電場反復加速的裝置 同位素發生器：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：質子數相同而中子數不相同的同一元素的不同原子互稱為同位素(isotope)粒子與物質的相互作用有哪幾種，各有何特點？答： 激發 由于帶電粒子或光子等作用于物質，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：整個原子處于激發態;退激時可發射特征X

12、射線和俄歇電子。 電離 帶電粒子(、)與物質相互作用，使得核外電子e-脫離軌道成為自由電子的過程 特點：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生電離：次級電離。 散射 帶電粒子與物質的原子核系統碰撞而改變運動方向和/或能量的過程 。特點：僅改變運動方向能量不變者為彈性碰撞 Elastic；散射作用強弱與帶電粒子的質量成反比。 韌致輻射 Braking radiation 高速入射粒子通過物質原子核電場時受到突然阻滯，運動方向和速度都發生變化，能量減低，多余的能量以X射線的形式輻射出來。 特點：實為一種非彈性散射 釋放的能力與物體的原子序數的平方成正比，與帶電

13、粒子的質量成反比，并隨著帶電粒子的能量增大而增大 湮滅輻射 +粒子與物體中運行一段距離，能量耗盡時與物質中的自由電子（e-）結合，正負兩個電子的靜止質量（1.02MeV）轉化為兩個方向相反、能量各為0.511MeV的光子而自身消失。 特點：電子轉化為光子，僅發生在正負光子間。 吸收輻射 帶電粒子通過物質時，與物體相互作用，能量不斷損失，當射線能量耗盡后，帶電粒子就停留在物質中，射線則不再存在。特點：射線被吸收前在物質中所行徑的路程稱為射程；射程與射線的種類、射線能量、介質密度有關。Tracer principle的定義和意義。答： 放射性核素示蹤技術：以放射性核素或其標記化合物作為示蹤劑(tr

14、acer)，應用射線探測設備來檢測其行蹤，以研究示蹤物在生物體系中的分布及其變化規律的一門技術。意義：核醫學診斷與研究的方法學基礎；核醫學任何診斷技術和方法都是建立在示蹤技術的基礎上的核素示蹤技術看到了機體內分子的變化。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性狀，同樣參與轉化過程，因此基本上能夠反映被研究物質的行為。被標記的物質也能代表非標記物的行為。ü 可測性自發地放射出射線，利用高靈敏度的儀器能進行定量、定位、定性探測，動態觀察各種物質在生物體內的量變規律。 特點： ü 靈敏度高：可以測定10-1410-18 g；ü 合乎生理條件

15、，不影響生物體原來的狀態，能反映機體真實的情況；ü 提供分子水平的研究手段；ü 相對簡便、實驗誤差小，可避免反復分離、純化造成的損失；ü 具有一定的放射性，需要適當的防護。Chapter 3PET探測器中，閃爍晶體、光導、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的最前端，將捕獲的高能gamma光子轉化為可見光，從而可以被光電倍增管轉化放大。光導的作用是將方形的閃爍晶體與圓形的光電被征管相匹配，同時優化光收集。光電倍增器件的作用是利用光電效應將光線轉化為可控的電量，同時有很高的增益。閃爍晶體發光的機制是什么？答： 對于摻雜晶體，內部的雜質和晶格缺陷在

16、禁帶中產生一些孤立能級，起俘獲中心的作用。當入射粒子通過閃爍晶體后，產生激子、電子和空穴，它們都能夠自由地經過晶格運動，直至被俘獲中心俘獲，這時俘獲中心的電子從基態到達激發態。之后俘獲中心受激電子躍回基態而發射光子，選擇合適的激活劑，就可以使輻射光子在可見光范圍。PMT的結構（包括哪三極，各自的功用）。答：光電陰極 作用：經入射的光子作用后可以生成光電流倍增極 作用：對光陰及產生的光電流進行放大，獲得很高的增益。光電陽極 作用：輸出端，輸出電流。PMT TTS的物理定義和數學表達？答：渡越時間分布（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.當一個光陰極充分受到一個光子照射，每個光電子脈沖的傳輸時間會有一個波動，這個波動就是渡越時間分布。!？數學表達：PMT暗電流的原因，其中主要因素是哪幾項。答： 1、熱離子發射電流 2、漏電電流3、場發射電流4、玻璃閃爍產生的電流5、殘余氣體的離子發射6、由環境中的噪聲射線或者光線作用產生的電流PS：暗電流定義：在完

18、全黑暗的環境下，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，對各自的性能特點有大致了解。答：PMT（長管）在包括極弱光領域的廣闊范圍里，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型，存在飽和特性，有恢復時間（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 電場強度較高ü 在與管軸平

19、行的一定強度磁場中仍可以正常工作（垂直則不可） APD雪崩光電二極管優點:高量子效率 (>70% for 400600 nm) 光譜響應帶寬大偏置電壓低 (below breakdown voltage)結構緊湊堅固像素很小，可單個耦合。 對磁場不敏感輸出電流正比于輸入的光子量缺點:增益比PMT低 (102 vs 106 ) 增益對溫度和電壓波動敏感過剩噪聲系數高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 較快的時間響應ü 不受磁場影響ü 體積小ü 大批量生產時成本相對較低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間響應表明，其可能提供一個好的時間分辨率和能量分辨率，因而，SiPM 同時可以作為光電轉換器件應用于TOF 探測器中以獲得更好的時間性能。 Depth-Of-Interaction，DOI探測器DOI探測器可以在不犧牲系統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、時間信息（Time）PET系統采集的事件(events)分為哪幾類，在做符合時，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、隨機事件、真實事件。需要獲取 能量信息、時間信息、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，從而進行挑選；利用位置信息、提高時間分辨率和減小時間符合窗口判斷是否光子是否成對，盡量排除偶然符合。系統時間分辨率、能量分辨率、計數率、靈敏度代表什么樣的性能？答：時間分辨率：表征一對伽馬光子到達時間差測量的不準確性，代表了PET系統排除隨機符合計數的能力。能量分辨率：表征系統判定所測光子是直接來自湮滅還是來自散射的不準確性

22、，代表了PET系統對散射符合計數的的甄別能力。？計數率：是指1個光子通過探測器晶體時，能夠被記錄下來的幾率。代表了系統探測光子的效率靈敏度：系統在單位時間內單位輻射劑量條件下所謂得的符合計數。代表了體統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，表達成經驗公式是怎樣？答：空間分辨率反應了探測器區分兩個點的能力用點源伸展函數的半高寬（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、器結構設計 detector interaction/decodingØ Rs 點源大小 (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系統校正有哪些？答： PET系統校正 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 隨機符合校正 Random correction 同位素衰變校正 Decay correction 死時間校正 Dead time correction 幾何校正衰減校正的實現原理？答：？如圖，用橢圓或其

24、它簡單幾何近似估計人體輪廓，由此可以計算得到任意一條LOR與人體輪廓相交的弦長，衰減系數用弦上各部分衰減系數的微分和積分求得，即， 衰減方程則為散射校正與散射拒絕，隨機校正與隨機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生的兩個光子在到達探測器之前其中之一或全部發生了康普頓散射而偏移了原來的運行軌跡，且無法用能量窗方法有效去除，造成錯誤的符合信息，影響圖像對比度。將前述有效的錯誤符合信息進行校正即為散射校正。散射拒絕：組織中正電子湮滅產生的光子在到達探測器之前可能發生了康普頓散射能量發生變化，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；兩個或兩個以上沒有關聯的光子被同時探測到而造成的符合計數，且無法用時間符合窗方法有效去除，對前述有效的錯誤符合信息進行校正后采用的過程即為隨機校正。反之判斷該符合信息錯誤而用時間符合窗方法有效去除的過程即為隨機拒