Добавил:
Sekretar
kiopkiopkiop18@yandex.ru
t.me/Prokururor I Вовсе не секретарь, но почту проверяю
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Ординатура / Хирургия / Библиотека им академика М.И. Перельмана / Книга_148_библиотеки_им_акад_М_И_Перельмана
.pdf
https://t.me/med1917
Преимущества ПЭТ перед ОФЭКТ с точки зрения улучшенного
пространственного разрешения, статистического качества и количественной
точности можно объяснить тем фактом, что ПЭТ не требует коллиматора и,
следовательно, устраняет самое слабое звено в процессе формирования
изображения ОФЭКТ. Вместо физической коллимации в системах ПЭТ
используется форма обнаружения, которую можно рассматривать как электронную
коллимацию. Если источник позитронов окружен подходящими детекторами,
потенциально могут быть обнаружены оба фотона, образующихся при распаде
отдельного позитрона (рис. 11.27). Поскольку оба фотона испускаются
одновременно, они будут обнаружены примерно в одно и то же время, что
позволяет использовать временные критерии приемлемости для сопоставления пар
соответствующих событий обнаружения. Этот режим обнаружения называется
обнаружением совпадений и позволяет отличить соответствующие пары фотонов
от других несвязанных, потенциально многочисленных событий обнаружения
фотонов. Поскольку оба фотона, возникающие в результате распада позитрона,
испускаются почти точно на расстоянии 180° друг от друга, обнаружение
совпадений может быть использовано для локализации источника излучения
фотонов. В общем, можно предположить, что линия, проведенная между
соответствующими детекторами, пересекает точку испускания фотона, хотя
обычно отсутствует информация о том, где именно вдоль этой линии произошло
излучение. Однако, если система детекторов расположена в разных положениях
вокруг источника, можно зарегистрировать множество совпадающих событий при
разных угловых ориентациях. В течение длительного периода сканирования будет
зарегистрировано большое количество совпадающих событий и можно оценить
угловые проекции распределения активности. Эти проекции затем могут быть
использованы для реконструкции трехмерных изображений с использованием
методов компьютерной томографии.
Рис. 11.27. Встречные фотоны, возникающие в результате аннигиляции позитрон-электрон,
потенциально могут быть измерены детекторами, расположенными вокруг источника.
Обнаружение совпадений предполагает объединение событий обнаружения, происходящих на
двух противоположных детекторах (A и B), на основе времени прибытия двух фотонов.
Предполагается, что линия отклика, соединяющая два детектора, пересекает неизвестное
местоположение события аннигиляции. Обнаружение совпадений устраняет необходимость в
коллиматоре и иногда называется электронной коллимацией
347
Радиальное
разрешение
Тангенциальное
разрешение
https://t.me/med1917
11.3.2. Конструктивные соображения для систем ПЭТ
11.3.2.1. Пространственное разрешение
Очевидно, что высокое пространственное разрешение является важной
целью проектирования систем ПЭТ-визуализации. Таким образом, тенденция в
современных системах сканирования заключается в уменьшении ширины
отдельных детекторов и увеличении общего числа элементов детектора,
окружающих пациента. Повышенная концентрация детекторных элементов
сокращает интервал выборки и в целом улучшает пространственное разрешение.
Хотя в современных конструкциях используются детекторы шириной всего
несколько миллиметров, необходимость в высокой чувствительности означает,
что их длина часто составляет несколько сантиметров. Проблемы могут
возникать, когда фотоны падают на один детектор, но проникают в соседний
детектор (рис. 11.28 (а)). Местоположение внутри детектора (глубина
взаимодействия) обычно не измеряется, и событие обнаружения присваивается
местоположению на лицевой стороне детектора. Эта проблема часто возникает,
когда детекторы расположены в кольцевой (или аналогичной) конфигурации, и
приводит к потере разрешающей способности в более периферийных местах. Эта
потеря разрешающей способности обычно происходит в радиальном
направлении, в противоположность тангенциальному направлению, из-за угла
падения фотонов на детекторы.
Рис. 11.28. (a) Проникновение фотонов между соседними детекторами в кольцевой системе
приводит к неправильному расположению событий. Это в первую очередь влияет на
радиальную составляющую пространственного разрешения, которая ухудшается с
удалением от центра поля зрения. (б) Остаточный импульс позитрона и электрона
непосредственно перед аннигиляцией приводит к небольшому отклонению двух фотонов с
энергией 511 кэВ от ожидаемого угла в 180°. В результате линия, соединяющая события
обнаружения, не пересекает точную точку аннигиляции. Степень этой неколлинеарности на
рисунке сильно преувеличена, но она действительно приводит к потере пространственного
разрешения, особенно для ПЭТ-систем большого диаметра
Другим фактором, влияющим на пространственное разрешение, является
расстояние между противоположными детекторами. Это расстояние имеет
348
https://t.me/med1917
значение из-за небольшой неопределенности относительного угла
аннигиляционного излучения с энергией 511 кэВ (рис. 11.28 (б)). Хотя основное
предположение при обнаружении совпадений состоит в том, что аннигиляционное
излучение испускается с разницей в 180°, это не совсем верно. Позитроны часто
аннигилируют до того, как они потеряют весь импульс, и этот остаточный импульс
приводит к небольшому отклонению примерно на ±0,25° от ожидаемого обратного
излучения. Этот эффект называется неколлинеарностью и имеет тенденцию
ухудшать пространственное разрешение по мере увеличения расстояния между
детекторами. Для ПЭТ-систем с противоположными детекторами, разделенными
всего несколькими сантиметрами, например, оптимизированных для конкретных
органов, таких как мозг или грудь, это не является серьезной проблемой. Однако
для систем всего тела, в которых противоположные детекторы обычно разделены
расстоянием около 80 см, эффект неколлинеарных фотонов приводит к размытию
с FWHM приблизительно на 2 мм.
Расстояние, пройденное позицией между точкой ее излучения и
аннигиляции, является дополнительным фактором, снижающим
пространственное разрешение, которое может быть достигнуто системами ПЭТ.
Как обсуждалось ранее, это расстояние, или дальность действия позитрона,
зависит от энергии положения, а также от типа материала, через который
проходит позитрон; ожидается большая дальность действия в таких тканях, как
длинные, по сравнению с мягкими тканями. Следует отметить, что были
реализованы программные исправления, которые моделируют эффект
позитронного диапазона и потенциально могут уменьшить потерю разрешения
на восстановленных изображениях.
1.3.2.2. Чувствительность
Наилучшее возможное пространственное разрешение, которое может быть
получено с помощью ПЭТ-системы, не всегда достигается в клинической
практике из-за статистического шума в измеренных данных (рис. 11.29). Чтобы
подавить этот шум, в клинических протоколах обычно используются фильтры
нижних частот или другие аналогичные методы реконструкции изображения, но
следствием этого неизменно является потеря пространственного разрешения.
Улучшение статистического качества измеренных данных совпадений не только
Рис. 11.29. Изображения одного и того же фантома, каждое из которых демонстрирует
различное статистическое качество. Изображения, показанные в (a), (б), (в), (г), (д) и (е),
были получены в течение 1, 2, 3, 4, 5 и 20 минут соответственно. Увеличение времени
получения увеличивает общее число истинных совпадений и уменьшает статистическую
изменчивость изображения
349
https://t.me/med1917
уменьшает шум изображения, но и дает возможность уменьшить сглаживание
изображения и улучшить пространственное разрешение. Необходимость
оптимизации этого компромисса между статистическим шумом и
пространственным разрешением влияет как на разработку реконструкции
изображения, так и на конструкцию сканера.
На шум на ПЭТ-изображениях влияет ряд факторов, включая
чувствительность системы детектора, количество радиоактивного индикатора,
вводимого пациенту, и количество времени, в течение которого пациент может
оставаться неподвижным во время процедуры визуализации. Ограничения,
связанные с последними двумя факторами, означают, что высокая
чувствительность является важной задачей при проектировании сканера.
Чувствительность определяется геометрией расположения детекторов и
эффективностью поглощения самих детекторов. Уменьшение расстояния между
противоположными датчиками увеличивает телесный угол обнаружения и
повышает чувствительность. Однако требование учитывать все области тела
накладывает минимальный диаметр кольца для систем всего тела. Для таких систем
расширение осевого поля зрения (AFOV) детекторной системы осуществляет
механизм повышения чувствительности. Ограничения по стоимости не позволили
создать ПЭТ-системы, охватывающие всю длину тела. Однако расширенный
осевой охват может быть достигнут с помощью систем с гораздо меньшими AFOV
путем последовательного сканирования участков тела. Для таких систем
расширение AFOV сканера не только повышает чувствительность, но и уменьшает
количество перемещений ложа, необходимых для охвата всего тела. В дополнение
к геометрии детекторной системы чувствительность также определяется
эффективностью поглощения детекторов. Высокая эффективность поглощения
фотонов с энергией 511 кэВ желательна для того, чтобы наилучшим образом
использовать те фотоны, которые попадают на детекторы. Таким образом,
эффективность поглощения или останавливающая способность материала
детектора является важным фактором при проектировании ПЭТ-системы.
11.3.2.3. Количественная точность
Одной из сильных сторон ПЭТ является ее способность количественно
оценивать физиологические процессы in vivo. Необходимым условием для
такого рода количественного анализа является то, что изображения точно
отражают локальную концентрацию активности в организме. Чтобы
предоставить такого рода количественную точность, важно минимизировать
эффекты, которые искажают данные, и при необходимости исправлять
остаточные искажения. Количественная ошибка может возникать из многих
источников, но в первую очередь из-за случайных совпадений, рассеяния
фотонов внутри тела, ослабления фотонов внутри тела и времени простоя
детектора. Рисунок 11.30 иллюстрирует некоторые из этих ситуаций.
Рисунок 11.30 (b) иллюстрирует тип нежелательного совпадения, которое
может произойти, когда фотоны от несвязанных событий аннигиляции
обнаруживаются примерно в одно и то же время. Два фотона, обнаруженные в
350
https://t.me/med1917
течение короткого промежутка времени (временное окно совпадения), будут
связаны друг с другом в предположении, что они возникли в результате одной и
той же позитронно–электронной аннигиляции. Однако, когда в поле зрения
присутствует большое количество радиоактивности, очень возможно, что фотоны
от несвязанных событий аннигиляции будут обнаружены в течение этого
временного интервала, что приведет к ложному случайному совпадению. Рисунок
11.30 (c) иллюстрирует случай, когда рассеянный фотон отклоняется от своего
первоначального направления, но все же достигает детекторов. В этом случае
потенциально может быть зарегистрировано событие совпадения между
рассеянными и нерассеянными фотонами, приводящее к неточному событию
совпадения, LOR которого не проходит через истинное местоположение
первоначальной аннигиляции. При отсутствии адекватной коррекции такие
разрозненные совпадения создают ложный фон на изображении, который зависит
от размера и строения тела пациента и неоднороден по всему полю зрения. На рис.
11.30 (d), один из двух фотонов аннигиляции был ослаблен внутри тела, и
обнаружен только один фотон. Случайное совпадение невозможно, и сканер
недооценивает сигнал, который был бы измерен при отсутствии ослабления.
Рис. 11.30. (a) Событие истинного совпадения может произойти, когда оба фотона покидают
тело при отсутствии взаимодействия. (b) Событие случайного совпадения происходит, когда
два фотона из несвязанных событий аннигиляции обнаруживаются примерно в одно и то же
время. (c) Событие рассеянного совпадения может произойти, когда любой из фотонов
рассеивается внутри тела, но все равно регистрируется. (d) Событие случайного совпадения не
регистрируется, когда один или оба фотона ослаблены, как правило, из-за рассеяния вне поля
351
https://t.me/med1917
Степень занижения зависит от размера и распределения тела пациента и
приводит к количественной ошибке и грубым искажениям изображения,
которые неоднородны по всему полю обзора. Ослабление может произойти,
когда один из двух фотонов подвергается фотоэлектрическому поглощению
внутри тела. Однако более вероятным случаем является то, что один из двух
фотонов рассеивается внутри тела и отклоняется за пределы поля зрения,
оставляя для обнаружения только один фотон. Другая проблема, которая может
возникнуть при наличии большого количества радиоактивности, заключается в
том, что истинные совпадения потенциально могут быть потеряны из-за
ограниченной скорости счета системы обнаружения. Каждому компоненту
системы требуется конечное количество времени для обработки каждого
события, и, если в течение этого времени будет обнаружен другой фотон, второе
событие будет потеряно. Этот эффект мертвого времени становится
значительным при высоких скоростях подсчета и приводит к недооценке
локальной концентрации активности на изображениях
Программная обработка до (или во времени) восстановления изображения
может смягчить вышеуказанные эффекты, но точность этих исправлений может
быть ненадежной, если загрязнение подавляет сигнал от реальных совпадений.
Таким образом, системы ПЭТ разработаны таким образом, чтобы
минимизировать влияние различных ухудшающих факторов, описанных выше.
С точки зрения конструкции сканера, очень мало можно сделать для уменьшения
затухания, поскольку фотоны, поглощаемые телом, не достигают детекторов.
Однако рассеянные фотоны потенциально могут быть отклонены системой
обнаружения, если их энергия выходит за пределы заданного диапазона приема.
Аннигиляционное излучение, рассеянное внутри тела, будет излучаться с
энергией менее 511 кэВ. Точная энергия рассеянного фотона будет зависеть от
числа произошедших взаимодействий комптоновского рассеяния и угла, под
которым фотон был рассеян. Следовательно, энергетическая дискриминация
может использоваться для отклонения фотонов, которые имеют энергию менее
511 кэВ и предположительно были рассеяны. Этот подход основан на системе
обнаружения, обладающей высоким энергетическим разрешением, и на практике
различение по энергии уменьшает, но не устраняет разрозненные совпадения
событий. Ограниченное энергетическое разрешение современных систем ПЭТ
означает, что во избежание отклонения слишком большого числа истинных
(нерассеянных) совпадений окно приема энергии обычно настраивается на
прием довольно широкого диапазона энергий около 511 кэВ. Тем не менее,
высокое энергетическое разрешение является важной задачей проектирования,
особенно для тех систем сканирования, которые обнаруживают большую долю
рассеянных фотонов.
Уменьшение временного интервала совпадения уменьшает количество
случайных событий, поскольку более короткий временной интервал уменьшает
вероятность случайного совпадения между двумя несвязанными фотонами.
Однако существует лишь ограниченная возможность сокращения
продолжительности временного окна совпадения, поскольку оно ограничено
временным разрешением системы детектора и тем фактом, что смещенные от
352
https://t.me/med1917
центра аннигиляции приводят к разнице во времени между событиями
обнаружения в реальном масштабе времени. Оптимизация временного окна
совпадений для конкретного сканера представляет собой компромисс между
желанием уменьшить количество случайных совпадений при отсутствии
существенного уменьшения количества истинных совпадений. Следовательно,
системы детекторов, способные измерять время обнаружения фотонов с низкой
вариабельностью (высокое временное разрешение), желательны с точки зрения
уменьшения случайных ошибок. Временное разрешение также способствует
увеличению времени простоя детектора, поскольку более короткий временной
интервал совпадения снижает вероятность возникновения более двух событий
обнаружения фотонов. Другие факторы, влияющие на время простоя, включают
время, необходимое детектору для измерения отдельного фотонного события, и
время, затраченное на обработку совпадающих событий.
11.3.2.4. Другие соображения
Пространственное разрешение, чувствительность и количественная
точность являются основными физическими проблемами, влияющими на
проектирование ПЭТ-систем, но есть и другие факторы, которые необходимо
учитывать. Одной из очевидных проблем является общая стоимость системы.
Это существенно влияет на проектные решения, поскольку детекторы
составляют значительную долю от общей стоимости производства. Выбор
материала детектора, толщина детекторов, диаметр кольца детектора и
протяженность детекторов в осевом направлении – все это влияет на общую
стоимость системы. Другой важной конструктивной проблемой, влияющей на
общую стоимость, является интеграция системы ПЭТ со вторым модулем в
комбинированном сканере. В большинстве случаев это означает интеграцию
подсистемы ПЭТ с подсистемой компьютерной томографии, хотя существуют
комбинированные сканеры ПЭТ/магнитного резонанса (МР), которые
представляют более серьезные технические проблемы. Комбинированные
ПЭТ/КТ-сканеры эффективно заменили автономные ПЭТ для клинических
применений, и оптимальная конфигурация КТ, включенная в комбинированную
систему, ограничена главным образом соображениями стоимости. На практике
это означает количество срезов, включаемых в мультидетекторную
компьютерную томографию. Высокопроизводительная мультидетекторная
компьютерная томография важна для систем, предназначенных для ПЭТ/КТ
сердца, в то время как для онкологической ПЭТ/КТ может быть достаточно
меньшего количества срезов. Другие важные конструктивные вопросы связаны
с компьютерной рабочей станцией, используемой для сбора и обработки данных.
К ним относятся быстрое восстановление изображений, удобное
интегрированное управление подсистемами ПЭТ и КТ, а также бесшовная
интеграция с другими институциональными информационно-технологическими
системами, такими как клинические информационные системы и системы
архивирования изображений.
353
https://t.me/med1917
11.3.3. Системы обнаружения
11.3.3.1. Детекторы радиации
Хотя в ПЭТ использовались различные конструкции детекторов излучения,
почти во всех современных системах используется подход, основанный на
сцинтилляционных детекторах. Сцинтилляционные детекторы представляют
собой неорганические кристаллы, которые излучают сцинтилляционный свет в
видимом диапазоне, когда на них падают фотоны высокой энергии (рис. 11.31).
Этот свет преобразуется в электрический сигнал с помощью фотодетектора,
обычно ФЭУ, подключенного к кристаллическому материалу. В ПЭТ
использовались различные сцинтилляционные материалы, в том числе йодид
натрия, легированный таллием (NaI(Tl)), висмут-германат (BGO) и
оксиортосиликат лютеция, легированный церием (LSO). В таблице 11.1
приведены некоторые свойства кристаллических материалов, которые актуальны
для применения в ПЭТ. Свойства идеального кристалла для ПЭТ включали бы
высокую останавливающую способность для фотонов с энергией 511 кэВ
(высокий линейный коэффициент затухания); короткое время затухания
сцинтилляционного света для уменьшения времени простоя и осуществления
коротких временных интервалов совпадения для уменьшения случайных
совпадений; и высокую светоотдачу. Высокая светоотдача осуществляет хорошее
Рис. 11.31. Пример кристаллов германата висмута, используемых для ПЭТ (a). Образцы
германата висмута, сфотографированные при комнатном освещении (b) и в присутствии
рентгеновского излучения и приглушенного освещения в помещении (c). Мерцающий свет,
видимый на рисунке (c), возникает из-за взаимодействия излучения с кристаллами, которое
вызывает возбуждение электронов. Когда они возвращаются в свое основное состояние,
испускается энергия, частично в виде видимого света
354
Свойство
NaI
BGO
LSO
Линейный коэффициент затухания (см–1)
0,34
0,95
0,87
Константа сцинтилляционного распада (нс)
230
300
40
Относительная светоотдача
100 %
15 %
75 %
Энергетическое разрешение (%)
6,6
10,2
10,0
https://t.me/med1917
энергетическое разрешение, что приводит к улучшенному подавлению рассеяния.
Это также осуществляет экономию затрат при создании полной сканирующей
системы, поскольку потенциально может быть уменьшено количество
фотоприемников, необходимых для разрешения заданного количества
кристаллических элементов.
ТАБЛИЦА 11.1. СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ,
ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ПЭТ. КОЭФФИЦИЕНТЫ ЛИНЕЙНОЙ АТТЕНЮАЦИИ
И ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ПРИВЕДЕНЫ
ДЛЯ 511 КЭВ
Примечаие: BGO: висмут германат; LSO: оксиортосиликат лютеция.
Хотя NaI(Tl) идеально подходит для однофотонной визуализации с
низкой энергией, его относительно низкий коэффициент линейного
затухания для фотонов с энергией 511 кэВ делает его менее привлекательным
для ПЭТ-приложений. Чувствительность потенциально может быть
повышена за счет увеличения толщины кристаллов, которая обычно
составляет 1–3 см. Однако возможности для существенного увеличения
толщины кристалла ограничены, поскольку это приводит к потере
пространственного разрешения. Это связано с тем, что более толстые
кристаллы подвержены к более существенной глубине проблем
взаимодействия, поскольку видимая ширина детектора увеличивается для
источников, расположенных не по центру. Таким образом, тонкие кристаллы,
состоящие из материала с высокой задерживающей способностью для
фотонов с энергией 511 кэВ, желательны для осуществления наилучшей
возможной чувствительности при сохранении пространственного
разрешения. По этой причине BGO и, совсем недавно LSO, также заменили
NaI (Tl) в качестве сцинтиллятора выбора для ПЭТ.
Преимуществом BGO является высокая останавливающая способность для
фотонов с энергией 511 кэВ, и он стал важным сцинтиллятором для применения
в ПЭТ. Однако во многих отношениях он не идеален, поскольку имеет
относительно низкое энергетическое разрешение и длительное время распада
кристалла. Низкое энергетическое разрешение приводит к ограниченной
способности подавлять рассеяние с помощью энергетического распознавания.
Кроме того, длительное время затухания приводит к большему времени простоя
и увеличению числа случайных совпадений при высокой скорости счета. Таким
образом, BGO хорошо подходит для конструкций сканеров, которые
минимизируют рассеяние и скорость счета за счет физической коллимации,
355
https://t.me/med1917
например, с межплоскостными перегородками (см. раздел 11.3.4.2). Попытки
повысить чувствительность путем удаления межплоскостных перегородок
обычно приводят к высокому разбросу и высокой скорости счета в среде, для
которой BGO не идеален.
Хотя LSO также имеет более низкий коэффициент линейного затухания,
чем BGO, его более короткое время затухания кристалла и немного
улучшенное энергетическое разрешение дают значительные преимущества в
качестве ПЭТ-сцинтиллятора. LSO стал предпочтительным сцинтиллятором
для сканеров, работающих при отсутствии межплоскостных перегородок,
поскольку его короткое время затухания делает его хорошо подходящим для
приложений с высокой скоростью счета. Быстрое время затухания LSO также
позволяет использовать режим сбора данных о времени полета (TOF ), который
будет рассмотрен в разделе 11.3.4.4. LSO зарекомендовал себя как успешный
кристалл для применения в ПЭТ-детекторах, несмотря на тот факт, что
материал содержит около 2,6 %
Составляющая выбросов
176
176
Lu, который сам по себе радиоактивен.
Lu обнаруживается в пределах окна приема
энергии, и доминирующим эффектом является внесение случайных
совпадений. На практике повышенная частота случайных совпадений не
является серьезной проблемой для клинических исследований, и естественное
излучение даже использовалось для гарантии качества. Лютеций-176 имеет
период полураспада 3,8 × 1010 г и, таким образом, предоставляет долговечный
источник излучения, который можно использовать для проверки постоянства
отклика детектора при отсутствии необходимости использования внешних
источников. Следует отметить, что по коммерческим соображениям в
некоторых системах ПЭТ используется оксиортосиликат лютеция-иттрия,
легированный церием (LYSO(Ce)), который обладает свойствами, посуществу сходными с LSO.
11.3.3.2. Устройство детекторов
Как обсуждалось выше, взаимодействие аннигиляционного излучения с
энергией 511 кэВ со сцинтилляционными кристаллами приводит к появлению
оптического света, который может быть обнаружен подходящим
фотоприемником. Фотодетектор – это устройство, которое генерирует
электрический сигнал при воздействии света, подобного тому, который
излучает сцинтилляционный детектор. Для большинства применений ПЭТ
предпочтительными фотодетекторами были ФЭУ, поскольку их высокий
коэффициент усиления осуществляет электрическую мощность с хорошим
отношением сигнал/шум. Кроме того, выходная мощность ФЭУ
пропорциональна интенсивности падающего света и, таким образом,
пропорциональна энергии, накопленной в кристалле. Это осуществляет
механизм избирательного приема только тех событий обнаружения, энергии
которых находятся в определенном диапазоне, и может использоваться для
отклонения рассеянных фотонов. Кроме того, ФЭУ осуществляет высокое
усиление при незначительном ухудшении временной информации, что важно
356
Соседние файлы в папке Библиотека им академика М.И. Перельмана