医学成像技术：PET与MRI的原理及应用

### 医学成像技术：PET与MRI的原理及应用 在医学领域，成像技术对于疾病的诊断和研究起着至关重要的作用。正电子发射断层扫描（PET）和磁共振成像（MRI）是两种常用的成像技术，它们各自基于独特的物理原理，为医学诊断提供了丰富的信息。 #### 1. PET成像技术 ##### 1.1 PET相机的结构 一个完整的PET相机由许多轴向环组成，通常还会交错设置可伸缩的吸收隔板。这些结构有助于更精确地检测和记录正电子湮灭产生的光子信号。 ##### 1.2 真符合与假符合事件 PET成像高度依赖于符合事件捕获的有效性，但存在三类假符合事件会干扰真符合计数。如果不加以校正，这些假符合事件会显著降低最终图像的质量。 - **随机符合事件**：两个完全不相关的光子恰好同时在约20纳秒的电子符合时间窗口内到达探测器，从而产生随机符合事件。 - **散射符合事件**：由单个正电子湮灭产生，但其中一个或两个光子发生散射，破坏了正确的视线方向。主要的散射机制是康普顿散射，虽然闪烁体的能量分辨率不足以区分小角度康普顿散射，但这种散射会影响图像的准确性。 - **单光子事件**：探测器不可避免地会检测到单个光子事件，虽然这些事件不会直接改变最终图像，但会通过影响真符合的有效死时间，对整体计数率设置上限。 散射符合事件约占真符合率的10% - 30%，随机符合事件约占15%。一个典型的探测器检测到的单光子事件数量是符合事件的50 - 100倍，这对视野内允许的最大放射性活度设定了明确的限制。 ##### 1.3 PET校正因子 为了减少假符合事件、衰减和散射的影响，需要估计校正因子。 - **随机符合事件的估计**：通过故意偏移时间窗口进行实验估计。这些延迟符合计数不可能来自真正的湮灭对，因此是虚假的。由于这些事件在时间上是随机分布的，它们可以为无时间延迟时获得的总计数中随机符合的贡献提供估计。 - **散射符合事件的校正**：目前没有可比的实验方法来估计散射符合率，因此采用基于模型的软件校正方法。这些模型考虑了光子散射概率随患者体内初始湮灭事件位置的变化。 - **患者衰减校正**：通过透射扫描实验获得数据进行校正。通常在真正的PET实验之前，使用三个或更多放射性线源围绕患者旋转，并计数完全穿过患者的γ射线。在几分钟内积累足够不同的轨迹，以计算后续PET扫描中每个真实γ射线对轨迹的经验衰减因子。需要注意的是，这种经验校正方法不能用于单光子发射计算机断层扫描（SPECT），因为单光子的衰减程度随源的深度而变化，而不是患者的整体横截面。 - **死时间校正**：通过标准体模实验获得死时间校正因子，用于校正由于切片位置和角度不同导致的计数率变化引起的死时间变化对真符合计数率的影响。 ##### 1.4 PET的分辨率和剂量 PET的理论分辨率为2 - 5毫米（由正电子平均自由程决定），比SPECT约好两倍。但PET对患者的剂量影响比SPECT更复杂，所有初始正电子能量都会沉积在组织中，加上出射γ光子的康普顿散射和光电吸收产生的能量沉积，以及用于确定衰减校正因子的单独透射扫描会增加额外的剂量负担。通常，单次PET研究的放射性给药量与SPECT相似，约为500兆贝可勒尔。 ##### 1.5 PET的应用现状 PET作为全身γ成像方案尚未广泛应用，目前才开始作为临床工具使用。这主要是由于PET相机成本高，且需要附近有回旋加速器来生产合适的短半衰期正电子发射同位素。大多数临床PET研究传统上用于肿瘤学和心脏病学，近年来在定位和确定药物难治性癫痫患者的致痫脑区方面也取得了显著成功。 此外，近年来随着通用双探头γ相机的广泛应用，人们尝试使用这种设备进行类似PET的研究。可以通过设计用于511 keV而不是140 keV光子的准直器，或添加符合电子学来实现。但前一种方法会显著降低空间分辨率，并通过准直器本身的康普顿散射减少专用PET系统可获得的定量信息。 #### 2. MRI成像技术 ##### 2.1 MRI的优势与对比度机制 MRI的成像能力和多功能性源于共振过程提供的多种对比度机制，且完全不使用电离辐射。与X射线C