符合线路显像原理及临床应用

南国知心

早在1958年Anger等人就首次报道采用双探头γ像机进行正电子符合线路显像，1995年SPECT/PET的出现，既可以进行常规的SPECT，又可以做正电子符合探测，随后出现了多系统兼容型ECT—SPECT/PET/CT（1999）和1英寸晶体的SPECT/PET/CT(2001),它不但解决了核医学图像的衰减校正问题，也在很大程度上克服了核医学图像缺乏解剖信息的缺点，第一次实现了最接近真实的两种医学图像的融合。

（一）多系统兼容型ECT的基本结构

1．脉冲高度分析器 (PHA)

正电子湮没辐射产生的γ光子为511keV，因此符合探测系统首先需要扩大可探测的γ光子的能量范围。扩大可探测的γ光子的能量范围有两种方法，其一为通过调节脉冲高度分析器的高压使采集窗与光电峰匹配；另一种方法是设置单一高压，使用脉冲高度分析器重新定标的技术减低高压，引入一种高能模式。

2．电子准直

配有符合线路的ECT是一种无机械准直器的双探头采集系统。符合探测系统使用电子准直器来保证接受的信号为来自同一次正电子湮没辐射的两个光子，即所谓的真符合事件。它利用湮没辐射产生的两个光子在一条直线上而方向相反的特点，采用电子时间窗（12～15ns）采集同时到达两个探头的光子。取消机械准直器后其符合探测的灵敏度可提高至少1000倍，使得采集信息量明显增加。

3．轴向滤波器

对于正电子探测设备常用的有两种探测模式：二维（2D）和三维（3D）采集模式。3D采集是在全视野进行电子对符合计算，可增加探测计数率，但降低了图像分辨率。3D采集适用于放射性活度较低的检查和需要快速扫描时的临床应用。为了进一步提高分辨率，在探头前安装垂直于检查床长轴的铅板组成的轴向滤波器，用来减少轴向视野外的511keV光子的散射。使用轴向滤波器获得的2D图像与专用PET的2D图像类似，图像质量有明显改善。在2D采集时，轴向滤波器可使探测到的电子对在较小视野范围内进行符合运算。2D采集虽然采集时间延长，但是图像分辨率较好，特别适宜较小的肿瘤病灶的探测，并且能够进行准确的定量和半定量分析。

4．晶体


SPECT的经验告诉我们，晶体的厚度直接影响光子的探测效率和分辨率。晶体越厚，对光子的阻截能力越强，探测效率越高，但是分辨率降低；晶体越薄，分辨率越好，但是对光子的阻截能力越差，探测效率降低。因此，较薄的晶体适合低能量光子，较厚的晶体适合高能量光子。不同厚度晶体的性能见表1。 表1 晶体的固有分辨率和光子阻截能力

晶体厚度	99mTc 140keV		18F 511keV
	光子阻截能力	分辨率(mm)	光子阻截能力	符合探测效率	分辨率(mm)
3/8英寸	84％	3.8	9％	1％	3.3
5/8英寸	95％	4.3	17％	3％	3.5
1 英寸	98%	5.0	37％	13％	4.3

多系统兼容型ECT是在SPECT基础上扩展其功能的。为了提高灵敏度工程技术人员对晶体加以改造。DISCOVERY VH 装配了经过特殊加工的1英寸晶体。对低能光子来说这个切割区仅仅作为光导，有减少散射的作用; 对于511kev光子来说，晶体的全层都是转换能量的闪烁体。这种设计大大提高了晶体对511kev光子的阻截能力，能够在不牺牲低能单光子显像分辨率的前提下，明显提高符合探测的效率。
基于1英寸晶体而全新设计的探头能提供最佳的图像，能完成所有核医学检查，从Tc-99m到FDG

南国知心

（二）图像采集

符合探测成像装置中最主要的部件是一个高精度的时间控制模块，它是符合线路的核心。双探头符合显像需要在两个探头之间设置符合时间窗，保证真符合的采集和鉴别。此时间窗控制模块不仅决定了探测的符合事件的多少，即符合探测的效率，同时也决定了符合探测的稳定性和精确度。在现代符合探测成像的SPECT中，这个时间窗一般确定在12-15ns。具体过程是：出现一次湮没辐射产生两个以180度相反方向运动的光子。如果其中之一被一个探头探测到，这时两个探头之间的符合时间窗打开，在窗时间内另一个探头接收到的一个光子，并且这两个光子作用在两个晶体位置的连线上，即被认为是一次有效的符合事件,即真符合。

如果由于几何位置的原因，来自一次符合事件的两个光子中，一个作用在探测范围以外，只有一个达到探头表面，这样的单个信号不被记录。正常的光子散射、信号衰减以及探测效率等因素均可造成“单个事件”。实际上每一个符合条件的光子伴随着上百个单个光子到达探头，因此双探头符合探测系统必须有很高的计数效率，方能够采集到足够的符合事件。但是高计数率同样可能增加随机事件的记录，即来自不同符合事件的两个光子在符合时间窗内被同时探测到，导致一次位置信息错误的无效事件，称为随机符合。目前尚无法区别真符合和随机符合事件。随机符合事件造成本底增加，图像质量下降。随机符合事件遵循随机事件的规律，无论两个光子到达探头的时间差别有多大，它们发生的几率是相同的。因此可采用一个单独的延迟时间窗测量随机符合率，并且利用这个数据对实时窗内的随机符合事件进行校正。

散射符合是影响符合探测成像的又一重要因素。即湮没辐射产生了两个γ光子，如果其中的一个光子到达探头之前与组织发生散射，因此到达了探头上错误的位置，它与另一次湮没辐射事件中未被散射的光子在符合时间窗内被探头探测。散射符合的符合线与原始湮没辐射事件的位置完全不一致，导致错误的位置信息。成像脏器外的临近器官和组织产生的湮没辐射光子也是散射符合的重要来源。通常采用屏蔽和吸收散射射线的办法加以校正，另外散射符合的能量低于真符合，适当提高采集能谱的阈值或较窄的能窗也可减少散射符合。PHA能够剔除大角度的散射，但是对小角度散射不能剔除。

在符合探测模式下,1英寸晶体比于3/8英寸的探测效率提高了几乎8倍,比5/8英寸系统提高了2.7倍。虽然厚晶体对于提高探测效率起着关键的改善作用,但是在探测到的事件大量增加的情况下,如果探测器的电子线路没有足够能力来处理识别这些信号脉冲,那么厚晶体所带来的全部好处将丧失。如果系统的脉冲处理能力不提高,则增强的系统灵敏度将导致更多的脉冲堆积和增加的“死时间损失”。这些死时间损失和计数损失在PET/SPECT系统中影响较大,因为在符合采集中需要较高的计数率。 在所有的探测系统中都有一个最小的时间用以分辨两个事件来记录它们为不同的脉冲。基于脉冲处理的方法,这种分辨被称为“分辨时间”或“结合时间”。如果两个事件的发生时间间隔小于分辨时间,则第二个事件脉冲将不能被识别并且第一个脉冲信号将受到影响,结果是两个脉冲都损失,从而减少了系统的计数率。

双探头符合线路探测系统的采集动作和SPECT相似。探头以连续或步进的方式围绕检查对象旋转。GE公司采用滑环技术，探头连续旋转8-10圈（普通SPECT缓慢旋转一圈完成一次采集），采集时间20-30min。连续采集是以列表方式储存信号，采集结束后重新排列信号（rebinning）组成若干个投影图。滑环连续采集的优点是有利于校正运动伪影，并可将短半衰期核素在采集过程中物理衰变的影响减少到最低程度。
（三）符合显像中的衰减效应

由于散射效应或湮灭光子的吸收作用，符合显像中的衰减效应对图像质量影响较大。在重建图像中未进行衰减校正，除了会引起计数丢失和定量不够精确外，图像还会出现不均匀和失真现象。

1．正电子符合探测中的衰减效应

衰减造成的最明显影响是总的探测计数的丢失，使得图像中的“信噪比”减低，直接影响图像质量。在非均匀的衰减介质中衰减效应造成了放射性分布的伪影，最明显的例子是在胸腔。同样深度的位置纵隔区的放射性衰减比肺组织严重，因为纵隔区密度高于肺实质。另一方面，在肺的深部的衰减还没有纵隔浅部的放射性衰减严重。通常肺内的放射线衰减低于周围高密度组织的衰减。这就导致未经衰减校正的重建图像中，肺部出现了摄取放射性示踪剂增高的伪影（热区），纵隔则出现了放射性减低的伪影。通常，在正电子符合显像中所有低衰减的区域都显示出高摄取伪像。所有高密度组织都显示出低摄取的伪像。发射点离衰减组织越远，在结果图像中衰减组织对发射点的影响就越小。符合探测显像中更加特殊的情况是在体表。图像会在体表的切线方向延长，形成向外突出的高放射性伪影。因此，在没有经过衰减校正的正电子符合线路成像中躯体的轮廓特别亮。增亮的轮廓并不是躯体真正的轮廓；它只是躯体轮廓的凸面变形体。

2．衰减效应的校正

衰减校正对符合图像的意义远大于对SPECT图像的意义。符合线路显像通过对衰减伪影的校正改善了图像的质量,增加了对比度。使用衰减校正有很多优点:

①最重要的是改善了解剖边界的影像(如:纵隔和肺、肺和肝),图像更容易判读,病灶定位更加准确;

②可半定量计算SUV,用于鉴别大于2倍仪器分辨率的病灶的良恶性和观察恶性疾病的治疗效果；

③衰减校正的图像上病灶没有畸变,而且深部的病灶和表面的病灶的亮度类似。可以大致分为计算法、同位素源校正法和X线全能量衰减校正法。前两种方法基本已被淘汰，这里只简单介绍X线全能量衰减校正法。

X线衰减校正系统

1）构造及原理

X线成像系统由X线球管与位于机架上180度对应部位的探测器组成。探测器含有384个探测模块。球管和X线探测器固定于机架上。X线球管发生的扇形射线束以不连续的方式进行患者衰减的测量。探测器在216度角的范围采集用于重建横轴断层的信息，断层的厚度固定为10毫米，每一个断层的信息采集大约耗时14秒。一个断层采集结束后，检查床移动一个断层的距离，再进行下一个断层数据的采集，这样连续进行即可获得多个断层的信息。对不同能量的射线人体的3类主要组织（软组织、肺和骨）的衰减系数是通过精确的物理实验确定的。

南国知心

（四）图像重建

      较早的核医学检查方法的缺陷还包括图像重建时使用的滤波反投影(FBP)的算法,它放大了统计噪声,产生许多星状伪影，降低了图像质量。对于信噪比较低的符合线路显像叠代重建的新算法能够改善信噪比,图像质量的提高使得医生更有信心去判读。有序子集最大期望值法（OSEM）的叠代重建算法可以重建发射图像。有序子集最大期望值符合线路图像(COSEM)以时间排序的数据子集（单个180度符合采集提供一个完整图像数据）代替以空间排序的常规OSEM。

      COSEM是针对符合线路显像的重建方法。GE的VH采用滑环技术能够连续采集数据，特别是将每个360度采集的数据进行单独保存，探头每旋转一周就产生了一个子集，且子集按时间排列而非空间排列，这样有利于消除伪影，提高采集计数；还有消除短半衰期核素在体内衰变的影响和保证采集数据具有高度的准确性的作用；能够在重建时利用表式采集数据，有利于提高分组数据的精确性。滑环机架符合X线CT的技术要求，这是对核医学断层图像进行衰减校正和解剖定位的基础。
（五）图像融合功能

核医学图像的主要的缺陷是信息量小，图像分辨率低,特别是缺乏解剖学信息,而这些缺陷很难通过核医学本身来解决。多系统兼容型ECT配置的CT球管除了有衰减校正的功能外，另一个重要功能是为核医学图像提供解剖定位数据。CT值用来作衰减校正，CT图像用来与ECT图像融合。它不仅使ECT图像质量明显提高,而且有解剖图像做定位的参考。

医学影像融合技术的发展可以分为三个阶段：

①原始阶段：利用视觉和经验，发挥医生的想象力，将不同来源的图像在大脑皮层里融合；

②软件融合阶段：利用计算机软件技术，将不同来源的图像对位和配准，叠加显示出来；

③设备整合阶段：将不同类别的影像设备安装在同一机架上，在保持病人体位不变的条件下完成两种检查。两种图像无须对位,只需要调整显示矩阵,即可融合。


图像融合是把有价值的生理、生化信息与精确的解剖结构信息结合在一起，给临床医生提供更加全面和准确的资料。这样合理利用医学信息资源，不仅可以弥补各自的信息不完整、部分信息不准确引起的缺陷，而且使临床诊断和治疗、放疗的定位和计划设计、外科手术和疗效评估等更加全面和精确。从这个意义上说，SPECT/PET/CT的出现是医学影像学的一次重要变革，它们给图像融合提供了可靠的工具和方法。多功能ECT是通过两台不同的显像设备的对位来实现图像融合。两台设备安装在同一个机架上，两种显像技术使用同一个定位坐标系统，在两次扫描期间病人处于同一个检查床上，且保持体位不变，先后获得的两种图像不必进行对位就可精确融合。PET或SPECT与CT几乎同时采集，可以防止因病人移位产生的误差，在一定程度上解决了时间配准的问题，避免了复杂的外标记方法和采集后的大量运算，其简便性和可靠性是不言而喻的。
（六）符合线路成像的临床应用

20世纪90年代医学影像的多种技术有了重大发展，分子功能显像就是其中之一。正电子发射体(18F､15O､13N､11C)可标记参与活体代谢的生物活性分子，它们在分子水平上提供反映体内代谢的影像。18FDG（氟18标记的脱氧葡萄糖）可以显示器官和组织的葡萄糖代谢,是迄今为止最好的非特异肿瘤显像剂。18FDG高能正电子代谢显像在肿瘤、冠心病和神经系统方面的应用，揭示出更多深层次信息，改变了许多病人的处置方案，避免了不必要的有创检查或手术，使得疗效提高而总体医疗开支却明显降低。在各方面对18F-FDG技术认可的过程中，显像设备的发展也是推动这个过程的重要环节。为了普及正电子显像技术，特别是各个地区相继出现了正电子药物的供应中心，能够以较低的价位提供FDG，因此既能进行单光子显像，又能进行正电子符合线路成像的兼容型ECT适应了市场的需求。

1．肿瘤良恶性诊断中的应用

符合探测技术最常用的示踪剂是18FDG，它是葡萄糖的类似物,是糖代谢的示踪剂。这是因为大多数癌细胞中的糖酵解作用比正常细胞强，而糖酵解反映为FDG的摄取，所以大多数肿瘤的影像都会显示出较高的FDG摄取量。一般来说，FDG摄取越多，肿瘤的进展越快，预后也越差。许多研究报告称FDG肿瘤显像的灵敏度和特异性在多数临床的情况下优于CT。但是，FDG的分布不仅限于恶性组织，还有其它组织的摄取或排泌。在许多炎症状态下，包括急性感染、活动性肉芽肿形成、脓肿，甚至急性骨折，FDG的摄取都会增多。此外，血糖含量、肌肉活动、缺血、局部充血等也会影像到FDG的摄取。有关文献已经表明，解释图像必须熟悉FDG的正常分布和生理变异,以避免误诊。当然还必须熟悉有关病人的临床数据和摄取期间病人所在环境的要求,以减少FDG摄取的生理性变异。和专用PET比较符合线路FDG显像的信噪比和病灶检出率较低, 因此从FDG生理性聚集中或从增加的噪声中识别恶性病灶更加困难。FDG和CT的同机融合图像可以减少这些困难。

2．瘢痕坏死组织与复发的肿瘤组织

肿瘤经手术和放射治疗以后的解剖形态发生很大变化，往往难以根据CT和MRI区分复发和瘢痕或坏死组织。在融合图像上可以根据FDG的摄取情况判断CT或MRI出现的变化是否为复发。

3．受累淋巴结的检测

CT是根据淋巴结是否肿大来判断有无淋巴结转移,存在一定比例的假阳性和假阴性。兼容型ECT可以从病灶对FDG的摄取情况确定淋巴结有无转移。两种影像互补,提高了诊断肿瘤病人淋巴结转移的准确率。

4．兼容型ECT对选择性放疗的价值

FDG肿瘤代谢显像和CT的融合图像有助于确定肿瘤的生物学范围，因此在制定肿瘤的放射治疗计划时是一种很有希望的方法。前瞻性和回顾性研究显示，功能性图像能够帮助放疗医师通过生物靶区（BTV）确定临床靶区（CTV），进而改善三分之一以上患者的放疗计划。

5．在检测存活心肌方面起着积极的作用

正电子显像检测存活心肌的基础是存活心肌为保证细胞内稳定（cellular homeostasis）和跨膜离子浓度差所必需的基本能量代谢活动，而它主要利用葡萄糖完成。双探头的正电子心肌存活FDG检测与专用PET在检查存活心肌的对比研究表明，兼容型ECT能为临床提供与PET相同的诊断信息，两种方法对有无存活心肌及存活心肌的部位、大小、数目无明显差异。另外它也为动脉粥样硬化斑块显像提供了好的技术条件。Lederman RJ等的研究显示18F-FDP在实验性动脉粥样硬化斑块有显著的浓聚，并且组织病理数据显示斑块内18F-FDP的摄取量与巨噬细胞和血管平滑肌数量有良好的相关性。18F-FDP血液清除快，注射30分钟后即有很高的靶/非靶比值，从而可获得高质量的18F-FDP PET显像。研究表明粥样硬化斑块破裂与斑块内炎症细胞的活动度密切相关，Rudd JH等对患者的研究显示18F-FDP能够显示斑块炎症，对切除斑块进行的放射自显影表明18F-FDP聚集于富含巨噬细胞的病变处。

6．在神经系统方面的应用

脑的代谢几乎全部以葡萄糖作为其能源物质。FDG广泛应用于脑代谢研究和肿瘤诊断中。在脑肿瘤诊断方面，主要用于胶质瘤和淋巴瘤的诊断、脑胶质瘤恶变的判断、脑瘤预后的评价、脑瘤放疗后复发与放射性坏死的判断、恶性肿瘤的脑转移。另外还主要应用于癫痫鉴别诊断方面。