正电子发射断层成像PET与PET-CT原理

正电子发射断层成像(positron emission tomography,PET)是集成核物理、放射化学、分子生物学的最新医学影像成像技术。它可从分子水平观察细胞代谢的活动,因此又被称为“活体生化显像”或“分子显像”(molecular imaging)。PET将分子医学从对人体体液的研究扩展到对人体细胞的研究,可以检查活体内局部血流量、能量转化和细胞内信号传递,甚至细胞膜或细胞内化学感受器、酶和物质转运系统。因此,对内分泌代谢性疾病的研究有其独特作用。但PET的空间分辨力不足,对病变定位不够精确。

为了弥补PET的这一缺陷,近年来,将PET与CT两种检查设备整合到一起,使用同一个检查床和同一个图像处理工作站,形成了PET-CT。PET-CT同时具有PET和CT的功能,但它绝不是两者功能的简单叠加,因为PET与CT优势互补。PET可以显示病灶的病理生理特征,更容易发现病灶,提高CT对病灶的定性能力;CT则可以精确定位病灶,提高PET对病灶的定位准确性,显示病灶结构变化,同时缩短了检查时间。PET-CT除了具备PET和CT各自的功能外,其独有的融合图像可同时反映病灶的病理生理变化及形态结构变化,明显提高了诊断的准确性。PET-CT的临床应用加速了临床检查项目之间的整合,并为临床医师提供了全新的诊断理念,能让临床医师在解剖结构的基础上观察组织、细胞功能以及分子代谢的变化,以达到对疾病定位、定性、定期和定量诊断,更准确地观察疾病的治疗效果,协助临床医师制订准确的治疗方案。

PET由主机和回旋加速器及给药装置组成

PET主机

是PET检查的成像部分,由探头(及机架)、电子线路和计算机系统组成。PET探头由若干对相对的γ-闪烁探测器排列组成,而每个探测器又由晶体和光电倍增管(PMT)组成。晶体的性能及尺寸直接影响探测效率、能量分辨、灵敏度和空间分辨率。晶体将正电子湮没辐射产生的γ光子射线能量吸收并转换成荧光光子,荧光光子再被PMT探测和放大,并将其送到电子线路及计算机进行运算。为了空间定位及甄别散射线,PET设计了符合探测。这是指探测视野内两个方向相反的γ光子分别同时入射两个相对的探测器,通过符合电路形成一个Z信号而被探测到。而此视野外或在此视野内发生的湮没辐射的散射,因所产生的γ光子不能同时入射两个探头,就不能形成符合信号而被记录。

回旋加速器

是用于生产放射性核素的装置,它利用被加速的带电质子(1H)、氚核(3H)、氦核(3He)和α粒子等的轰击靶物质,引起核反应,生产出短寿命和超短寿命的乏中子放射性核素,如11C、13N、15O、18F等;再通过化学分离法得到高放射性浓度的核素。

药物自动合成装置

是生产示踪剂的装置,它连接回旋加速器的靶室,并接收其生产的放射性核素,通过化学合成过程,将放射性核素标记在药物上,并进行一系列处理,再经过严格的物理化学检验的质量控制,最终生成可供静脉注射的示踪剂。目前临床上最常用的示踪剂是18F-FDG(18氟-脱氧葡萄糖)。

PET-CT中的PET部分与单独使用的专用型PET扫描仪构造及功能基本相同,其作用是获得PET图像。CT则具有3项基本功能:一是采用低辐射剂量技术进行局部和全身CT扫描,对检查部位的病灶进行准确定位;二是采用X射线对PET图像进行衰减校正,以提高PET的图像质量;三是利用CT和PET的融合图像进行精确的放射治疗计划、拟定或引导组织穿刺及活检。PET-CT的主要技术优势在于它在在线情况下基本解决了PET与CT的精确对位,在兼有CT扫描图像和PET显像图像的同时而获得PET-CT融合图。

PET/PET-CT显像需要正电子放射示踪剂

示踪剂即放射性药物。示踪剂经静脉注射后,直接参与体内的代谢过程,或被限制在某些特定的组织区域内。示踪剂为乏中子放射性核素标记的人体代谢物质,其中的放射性核素可在体内进行衰变,并使质子、中子互相转化,放出β+ 粒子(正电子)。正电子是电子的反粒子,它由原子核放射出来,在组织中只运动数毫米(正电子射程)即与附近的电子相遇而发生湮没辐射,并释放出两个能量相等(511keV)、方向相反的γ光子。这样,每个正电子的消失可产生两个方向的光子信号。用探测器可以记录正电子释放光子的时间、位置、数量和方向,再转输至装有特殊程序的计算机进行存取、运算,经过数模转换,即可重建出三维PET图像。

目前临床常用的正电子放射性示踪剂分为血流灌注型显像剂、代谢型显像剂、受体结合型显像剂、抗体结合型显像剂和基因表达型显像剂等5种类型。用于内分泌腺显像的血流灌注型显像剂有13N-NH318F-FDG及18F-FET(酪氨酸)。代谢型显像剂又分为糖代谢、氨基酸代谢、磷脂代谢3类药物。糖代谢类药物18F-FDG是目前肿瘤检查中应用最广泛的正电子药物,现已应用于垂体、甲状腺、肾上腺及其他神经内分泌肿瘤的发现及良恶性肿瘤的鉴别诊断。葡萄糖在肿瘤细胞内的有氧氧化和无氧酵解都比正常细胞快,因而使肿瘤组织得以显像。但18F-FDG在炎症病灶有较强的集聚,在肿瘤组织外亦有非特异性集聚作用,所以在肿瘤的诊断上存在假阳性和非特异性的问题。

18F-FDG(18F-氟-脱氧葡萄糖)用于研究软组织肿瘤糖代谢状况,对甲状腺肿瘤以及垂体肿瘤等颅内肿瘤较敏感。13N、11O标记谷氨酸、亮氨酸、甲硫氨酸、色氨酸等氨基酸用于研究恶性肿瘤蛋白质代谢状况,对了解胰腺癌的恶性程度有较大帮助。15O、11C、13N等可直接研究肿瘤的耗氧量和血流量,对研究垂体、下丘脑等颅内肿瘤的耗氧量和血流有独到之处。18F标记雌二醇作乳腺癌淋巴转移的研究,其特异性高,为其他影像学难以比拟。上述药物的物理性能见下表。

PET常用放射性核素

PET常用放射性核素

由于11C、13N、15O的物理半衰期太短,标记过程和显像过程迅速衰减,不容易广泛用于临床,目前国内外常用18F-FDG作显像剂来反映肿瘤的异常葡萄糖代谢情况。当18F-FDG注入体内后,肿瘤细胞摄取FDG,经细胞转变为6-磷酸-18FDG,不参与葡萄糖进一步代谢,而滞留在细胞内,能定量测定肿瘤组织对18F-FDG的摄取速率及摄取量,准确反映肿瘤葡萄糖代谢的异常程度。

氨基酸代谢显像剂

11C-MET(甲硫氨酸),该显像剂可显示氨基酸的转运、代谢和蛋白质的合成情况,在肿瘤细胞中浓聚高、图像清晰、易于诊断,同时不在炎性病灶浓聚,易于区别原发肿瘤,肿瘤复发、坏死和炎症。11C-MET在大脑内的本底低,可用于原发、复发脑肿瘤的诊断。近期开发反映肿瘤细胞氨基酸代谢的药物有3-O-methyl-b-18FFluoro-L-DOPA(OMFD)、18F-Fluoro-amino-meghylpropanoicacid (FAMP)、18F-Fluoroethyl-thyrosine(FET)和18F-Fluoropropyl-amethyltyrosine等。

磷脂代谢药物

11C-胆碱。细胞利用胆碱作为合成磷脂的前体,在合成磷脂酰胆碱的过程中,胆碱首先在胆碱激酶的催化下,利用ATP提供的磷酸,形成磷酸胆碱。大多数肿瘤组织摄取胆碱增加,故原发肿瘤均显像。近期开发反映肿瘤组织磷脂代谢的药物还有18F-乙基胆碱和18F-甲基胆碱。

受体结合型显像剂

受体结合型显像是利用放射性标记的配体能与靶组织高亲和力的特异性受体结合的原理来显示受体空间分布、密度和亲和力的大小,是集配体-受体高度特异性和高度敏感性于一身的无创伤体内功能性显像方法。11C-N-methylspiperone可与多巴胺受体结合,用于诊断垂体瘤;11C-raclopride用于多巴胺D2受体相关疾病诊断具有重要的价值;11C-meta-hydroxyephedrine(MHED)可以与麻黄碱(ephedrine)受体相结合,用于嗜铬细胞瘤和神经母细胞瘤的诊断。18F-FCH可与前列腺内的雄激素结合,用于诊断前列腺肿瘤。11C-benzodiazepine可显示PK型结合位点,用于脑肿瘤的诊断。

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