戴甜甜，魏清陽

(1.中日友好醫(yī)院 放射腫瘤科，北京 100029；2.北京科技大學 自動化學院 北京市工業(yè)波譜成像工程技術(shù)研究中心，北京 100083)

正電子發(fā)射斷層顯像(positron emission tomography, PET)能從分子水平反映腫瘤細胞的生物學行為[1-2]，主要應用于臨床疾病的診斷，包括癌癥的早期診斷、心臟和腦部等代謝性疾病的輔助診斷[1]；也被用于臨床動物成像、藥物開發(fā)、病理研究和基因表達等研究[3]。

PET通過探測放射性核素衰變產(chǎn)生的正電子湮滅后發(fā)出的511 keV伽馬光子對進行三維成像。其探測系統(tǒng)主要采用由無機閃爍晶體和光電探測器組成的閃爍體探測器。早期PET探測器的閃爍體采用摻鉈碘化鈉(NaI(Tl))和鍺酸鉍(BGO)，20世紀80年代末，硅酸镥(LSO)應用于PET[4]，隨后出現(xiàn)了其他含镥閃爍晶體，如硅酸釔镥(LYSO)和镥精細硅酸(LFS)。含镥閃爍晶體因其阻止本領(lǐng)高、光產(chǎn)額高、發(fā)光衰減時間較短，適合飛行時間功能的PET (TOF-PET)系統(tǒng)[5]，為現(xiàn)代PET探測器的首選晶體。但是天然镥元素含有放射性Lu-176同位素，其本底輻射對PET系統(tǒng)有一定的影響。本文主要對PET探測器中Lu-176本底輻射的特性，以及不利影響和應用開發(fā)進行介紹和討論。

1 Lu-176本底輻射的特性

圖1 Lu-176的衰變綱圖Fig.1 Decay scheme of Lu-176

天然镥元素中含有豐度2.6%的Lu-176同位素，為長半衰期的放射性核素(T1/2～3.6×1010年[6])。Lu-176的衰變綱圖示于圖1，其主要衰變過程產(chǎn)生一個β粒子(最高能量為596 keV)和三個能量分別為307、202、88 keV的級聯(lián)γ光子。

含镥閃爍晶體的本底計數(shù)率可以通過Lu-176的含量和半衰期計算，例如1 mL含镥閃爍體的本底計數(shù)率R為：

(1)

式中，n為閃爍晶體分子式中镥元素的下標；ρ為晶體密度，g/cm3；NA為阿伏伽德羅常數(shù)6.02×1023mol-1；M為摩爾質(zhì)量，g/mol；T1/2為镥的半衰期，s。以LSO(Lu2SiO5)為例，計算可得RLSO=307 Bq/mL。

Lu-176衰變產(chǎn)生的β粒子射程短，其能量主要沉積在發(fā)生衰變的晶體中；產(chǎn)生的γ光子穿透本領(lǐng)高，不僅可以在發(fā)生衰變的晶體中探測到，也可能逃逸被其他晶體探測到。因此，PET探測器中Lu-176本底輻射包括單光子事件、雙光子事件和多光子事件。一個Lu-176衰變產(chǎn)生的粒子只在同一個晶體陣列中被探測到，為單光子事件(圖2a)；衰變產(chǎn)生的γ光子逃逸被其他探測器晶體探測到，產(chǎn)生本底符合事件(圖2b)；在符合時間窗內(nèi)探測到的兩個獨立單光子事件，為本底隨機符合事件(圖2c)；一個γ光子逃逸的本底符合事件同時探測到另一個獨立單光子事件，為多光子事件(圖2d)。由于本底計數(shù)率低，本底隨機符合事件與多光子事件發(fā)生的概率較小。在有其他放射源存在的情況下，上述Lu-176本底輻射事件還會與放射源本身的射線粒子疊加，形成隨機符合或多符合事件。

基于GATE程序[7]模擬的InliView 3000[8]小動物PET系統(tǒng)中镥本底輻射的能譜示于圖3。PET探測器中的單光子能譜為一個γ和β疊加的寬譜(圖3a)，本底符合事件的計數(shù)率約為5 000個/s；沒有TOF信息的本底符合事件能譜(圖3b)中，202、307 keV的峰位比單光子事件的峰位更明顯；具有TOF信息的本底符合事件能譜(圖3c)中，第一觸發(fā)事件和第二觸發(fā)事件可通過觸發(fā)時間區(qū)分，第二觸發(fā)事件為逃逸的γ光子，202、307 keV的光電峰最明顯。

a——單光子事件；b——雙光子事件(本底符合)；c——雙光子事件(本底隨機符合)；d——多光子事件圖2 PET系統(tǒng)中典型的Lu-176本底輻射事件a——The single-photon event；b——The double-photon event (true intrinsic coincidence)；c——The double-photon event (random intrinsic coincidence)；d——The multiple-photon eventFig.2 Typical intrinsic radiation lutetium events in the PET system

圖3 InliView 3000小動物PET的Lu-176本底輻射的模擬能譜(能量分辨率為20%，511 keV)Fig.3 The simulated energy spectrums of Lu-176 background radiation in a small animal PET system InliView 3000 (energy resolution 20%, 511 keV)

2 Lu-176本底輻射的不利影響

在PET成像過程中，Lu-176本底輻射的影響已經(jīng)有諸多研究，多數(shù)情況下其影響可以忽略。但對于一些特殊研究，如低活度成像、長軸向視野PET和PET/SPECT同時成像等，Lu-176本底輻射存在較大的影響。

2.1 常規(guī)PET成像

Lu-176本底輻射產(chǎn)生的單光子事件和符合事件會影響PET的系統(tǒng)性能。Lu-176本底輻射的單光子能譜寬，覆蓋了511 keV的光電峰，干擾無法完全避免。測量延遲符合或使用恰當?shù)男拚椒╗9]可以修正本底隨機符合，但會改變系統(tǒng)的時間性能，增大探測器的死時間[10]。本底事件會在重建圖像中引入噪聲，如果未考慮Lu-176本底事件的影響，會過高估計使用美國電器制造商協(xié)會(NEMA)標準測量的散射事件比例[11-13]。

Lu-176本底事件的計數(shù)率依賴于能量窗的選取?；诤寰w的臨床PET系統(tǒng)推薦能窗為350～650 keV。多數(shù)镥本底輻射產(chǎn)生的瞬發(fā)γ光子能量為202、307 keV，低于能窗下閾350 keV，在此能窗下大部分Lu-176本底事件可以被剔除。Lu-176本底輻射比臨床掃描的藥物活度低很多[10]，不足以影響常規(guī)的臨床PET成像。

相比臨床系統(tǒng)，小動物PET注射的藥物活度較低；為提高空間分辨率，探測器采用小尺寸晶體單元，能量分辨率降低。小動物對511 keV的散射比例小，為了提高靈敏度，使用較寬的能窗，如250～750 keV。因此，Lu-176本底輻射對小動物PET系統(tǒng)性能的影響不可忽視[10]。

2.2 低活度PET成像

某些PET成像需要在低活度水平下完成，注射活度可能低于1000 Bq，例如，細胞示蹤研究[14]、基因表達成像[15]或in-beam PET成像[16]等，Lu-176本底輻射增大了系統(tǒng)的最小可探測活度值。如果使用傳統(tǒng)能窗設(shè)置，該本底可能會影響成像性能[17-18]。為減小Lu-176本底輻射影響，可利用窄的能窗和符合時間窗減少镥本底隨機符合事件，但該方法減少了真實的符合事件，需找到一個適中的能窗和符合時間窗。另一種方法采用能量分辨率和時間分辨率高的PET系統(tǒng)進行成像。2014年，Yoshida等[17]提出了結(jié)合飛行時間TOF和多符合信息減少Lu-176本底輻射的影響，可減少84%的固有隨機本底符合事件。

2.3 長軸向視野PET

目前臨床PET探測器的軸向長度約為15～22 cm[19]，進行全身掃描需要多個床位。2016年，由Cherry等提出EXPLORER-PET項目，旨在開發(fā)一款2 m長全身PET系統(tǒng)[20-21]，能夠一次在同一床位進行全身成像，期望提高40倍靈敏度，將PET藥物劑量降低至目前常規(guī)劑量的1/40[20]。EXPLORER-PET將帶來全新的應用，如全身藥動力學參數(shù)成像和同位素示蹤全身干細胞祖細胞群系統(tǒng)成像等[19]。Lu-176本底輻射的單個事件計數(shù)率與探測器閃爍晶體數(shù)量近似成正比，EXPLORER-PET中Lu-176本底計數(shù)率至少為常規(guī)PET系統(tǒng)的10倍，在EXPLORER-PET中出現(xiàn)非常高的隨機Lu-176本底符合事件。在低劑量成像和高Lu-176本底輻射事件的情況下，Lu-176本底輻射事件的處理至關(guān)重要。Poon等[19]提出了對響應線(LOR)采用可變符合時間窗減少Lu-176本底輻射導致的隨機事件。

2.4 PET/SPECT成像

3 Lu-176本底輻射的應用開發(fā)

Lu-176本底輻射的有利應用被不斷開發(fā)，西門子、聯(lián)影等公司將Lu-176本底輻射用于PET系統(tǒng)質(zhì)控[24]，有望替代Ge-68等放射源用于系統(tǒng)的日檢或周檢。不僅如此，Lu-176本底輻射還在以下多個方面取得應用。

3.1 輔助PET探測器模塊的開發(fā)

Lu-176本底輻射可以替代Na-22、F-18、Cs-137等伽馬放射源輔助含镥閃爍晶體PET探測器模塊的設(shè)計，例如用于快速驗證晶體表面處理和反射膜等設(shè)計方案，加快研發(fā)的進程，減少研發(fā)成本以及實驗過程中人員的輻射劑量。探測器模塊中Lu-176本底輻射可近似為一個泛場源，計數(shù)率足夠在幾分鐘內(nèi)產(chǎn)生一個信噪比好的泛場圖像[25]。Lu-176本底輻射還可以輔助作用深度PET(DOI-PET)探測器的研究，閃爍晶體中Lu-176發(fā)出的β射線可測量雙端讀出DOI-PET的作用深度響應函數(shù)[26]。未來還可能應用于連續(xù)晶體探測器模塊的作用位置響應函數(shù)標定。

3.2 通道能量標定

對于同一能量，PET探測器中不同晶體單元具有不同大小的輸出信號，需要對每一個晶體單元進行能量刻度，以便設(shè)置正確的能窗。雪崩光電二極管(APD)或硅光電倍增管(SiPM)隨溫度變化發(fā)生增益漂移，光電倍增管(PMT)長時間工作會出現(xiàn)老化等現(xiàn)象[27]，需要定期使用放射源進行各個通道的能量標定。镥本底輻射可替代放射源用于系統(tǒng)的自我校準。Conti等[27]提出跟蹤Lu-176本底輻射的597 keV能峰的位置(三個γ光子的總和)，用于監(jiān)視系統(tǒng)中各通道增益的漂移，結(jié)果表明，基于Lu-176本底輻射的校準方法與使用511 keV標準源的校準方法是等價的。含镥閃爍晶體也可以被用作多個伽馬射線源對其他探測器模塊(包括非含镥晶體的模塊)進行能量校準或能量非線性響應標定。

3.3 TOF-PET的時間標定

TOF-PET基于響應上兩個光子的觸發(fā)時間差，限定正電子湮滅在響應線上的發(fā)生位置，提高系統(tǒng)圖像的信噪比。對TOF-PET探測器各通道的時間校準至關(guān)重要，目前已有多種方法可以實現(xiàn)PET探測器各通道的時間校正[28]，但這些方法都需要外部放射源。Rothfuss等[29]提出基于Lu-176本底輻射的方法，通過測定兩個晶體之間的Lu-176本底符合時間差，扣除根據(jù)兩個探測器距離計算的光子飛行時間，獲得兩根晶體的符合時間偏置，從而實現(xiàn)時間校正，結(jié)果表明，采用Lu-176本底輻射進行時間標定與使用均勻伽馬源模型方法得到的性能一致。

3.4 生成衰減圖像

PET成像過程中，511 keV的射線有概率與成像物體發(fā)生康普頓散射和光電效應，形成衰減效應，影響重建圖像質(zhì)量。臨床PET系統(tǒng)衰減影響較大，圖像重建過程需進行衰減校正，采用匹配的CT系統(tǒng)成像結(jié)果，或者在PET系統(tǒng)中使用透射源。Lu-176本底符合事件可被視為透射源，能夠在PET中產(chǎn)生掃描物體的透射圖像。在TOF-PET系統(tǒng)中，根據(jù)飛行時間信息和符合晶體對的距離，設(shè)置兩個不同的符合時間窗，能同時觀測到正電子湮滅事件和Lu-176本底符合事件。故通過重建算法可同時重建正電子發(fā)射圖像和Lu-176本底透射圖像。Rothfuss等[30]通過實驗驗證了Lu-176本底在10 min生成頭部透射圖像，為不具備CT機或需要耦合CT的系統(tǒng)提供了衰減校正解決方案。透射圖像也可用于散射校正或發(fā)射和衰減的同時重建[30]。

3.5 系統(tǒng)的幾何標定

Lu-176本底符合事件生成透射圖像的特性也可用于系統(tǒng)的幾何標定。如小動物PET/SPECT/CT系統(tǒng)(InliView 3000)采用基于LYSO的PET探測器，嵌入式準直器SPECT與PET共用探測器，錐束CT基于CMOS探測器。利用镥本底輻射對SPECT準直器成像，實現(xiàn)幾何校準[31]。此外，通過對多鎢合金球模體進行CT成像和Lu-176本底透射成像，能夠推導出PET系統(tǒng)和CT系統(tǒng)的幾何變換矩陣，實現(xiàn)PET/CT配準[32]。該方法預期可替代傳統(tǒng)的多點源或多線源方法，使幾何校準更加方便，減少操作人員的額外輻射劑量。

4 小結(jié)

含镥閃爍體因其良好的性能成為PET探測器的首選。常規(guī)的臨床PET成像中，通過設(shè)置能量窗和符合時間窗，可忽略Lu-176本底輻射對性能的影響。對于一些特殊的系統(tǒng)和應用，如低活度成像、全身PET和基于PET探測器的SPECT成像等，Lu-176本底輻射的影響不可忽視，需要進行評估和校正。Lu-176本底輻射可用于系統(tǒng)質(zhì)控、輔助探測器設(shè)計、能量刻度、時間刻度和系統(tǒng)幾何校正等。

隨著探測器技術(shù)的發(fā)展，能量分辨率和符合時間分辨率等性能參數(shù)將進一步提升，Lu-176本底輻射對PET系統(tǒng)的影響將進一步減小，其應用將被進一步開發(fā)，實現(xiàn)利大于弊。

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