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1、 I摘摘 要要 正电子断层发射扫描成像（PET）是当今广泛运用的核医学成像技术，通过检测人体内器官的新陈代谢变化来区别肿瘤和正常肌体，从而在癌症的早期诊断和治疗中发挥越来越重要的作用。 平板 PET 采用新型探测器结构，由两块尺寸约为 25172cm3的探测面板构成。传统上，人们倾向于使用环形结构的探测器来采集数据。而由于平板 PET 两侧缺少探测器，平板 PET 的计数率会低于环形 PET 且存在较大的缺失角度，因此平板 PET的探测性能并未能够得到很好的验证。 本文采用核医学仿真软件 GATE（Geant4 Application Tomographic Emission） ，对平板 PE
2、T 探测性能进行评估分析。通过测试平板 PET 的系统探测灵敏度、噪声等效计数率、散射分数及丢失数据，并对比环形 PET 与实验结果，将充分论证平板 PET在探测性能上的可行性和有效性。 评估结果表明，平板 PET 系统的探测灵敏度在 350650keV 能窗下达到21.9013%， 远远高于环形 PET 测试结果； 噪声等效计数率与实验结果拟合程度较好；综合灵敏度和噪声等效计数率的评估结果将为平板 PET 系统的探测性能优化提供有价值的参考；散射分数最高为 10.0106%，远低于环形 PET 测试结果，且通过这一结论估算实验中小动物模型的药剂注射剂量，使得成像质量得到有效提高；而丢失数据的
3、评估结果有效的证明了由于人体腹腔的固有结构，于人体两侧能够采集的真符合计数相对有限，因此平板 PET 的丢失数据问题不会对成像造成实质影响。 本文的研究结果为平板 PET 的系统集成提供可信依据，将为平板 PET 系统的设计和开发提供有价值的参考。 关键词：关键词：平板 PET，探测灵敏度，噪声等效计数率，散射分数，丢失数据 IIAbstract Positron Emission Tomography (PET), a nuclear medical technique being widely used, detecting metabolic changes in the organ t
4、o distinguish between tumor and healthy body, thus in the early diagnosis of cancer and treatment play an increasingly important role. Panel-PET applies innovative detector structure to scanner, which employs two large detection panels. Each scanner is about 25172 cm3 in size. Traditionally, people
5、tend to use the annular scanner to collect data. Panel-PET is lack of detectors at both side. So the count rate of panel-PET is lower than that of ring-PET, and plenty of missing view affects the quality of image reconstruction. The detection performance for panel-PET hasnt been validated credibly.
6、This thesis based on Monte-Carlo nuclear medical simulation software package GATE, modeled panel-PET system, evaluated and analysed the detection performance of panel-PET. By validating the simulation result against the experimental measured data or related ring-PET simulation results, the feasibili
7、ty and availability for detection performance of panel-PET could be demonstrated. The results indicated an about 22% central sensitivity when using a 350-650 keV energy window, whose was higher than the ring-PET; the noise equivalent count rate curve fit the experimental result well; the result of s
8、ensitivity and noise equivalent count rate provided valuable reference for optimization of detection performance; the maximum of scatter fraction was 10.0106%,which was much lower than that of ring-PET; as the result shown, the efficient counts collected at the both side of body is limited for the a
9、bdominal struction, so the missing data would not affect the quality of image reconstruction. The research results of this thesis provided credible basis for the panel-PET system integration and valuable references for design and development of panel-PET. Key words： panel-PET, detection sensitivity,
10、 noise equivalent counts rate, scatter fraction, missing data 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或
11、机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日本论文属于 11 绪绪 论论 1.1 PET 系统概述系统概述 PET 是当今核医学领域发展很快的一项医学成像技术，在临床检测上得到了广泛的应用1-3。早期的 PET 主要作为研究工具，较少用于临床诊断。在 20 世纪 50 年代，美国的电气工程师 Hal Anger
12、 就发现了 PET 作为临床诊断工具的医学价值4。然而，直到 70 年代，PET 系统在医学领域并未得到充分的应用。随着放射化学、计算机科学及核物理科学等支柱学科的进步，PET 系统在技术上得到了快速发展，在临床应用上体现出越发重要的价值2。 PET 主要通过检测注入人体生物活性化合物（如葡萄糖）中标记的正电子放射性同位素在人体内衰变来反映活性化合物在人体内的分布和代谢信息，再通过图像重建技术来反映人体内部生物化学过程和生理代谢的功能信息。 PET 系统在心血管疾病，神经系统疾病，特别是在癌症诊断和病理研究中发挥着重要作用，在安全无创、高灵敏度以及动态观察人体器官功能变化特征方面，显示出传统的
13、成像设备所难以实现的和无可比拟的卓越功能15。有些癌变早期虽然还没有形成解剖学上的肿瘤，但因有癌变的器官或组织对于葡萄糖的代谢功能高于它周围的正常组织，据此就可以发现那些其它成像设备所不能检测出的早期癌症。而在很多恶性肿瘤，比如肝癌，癌变后出现临床症状非常快。因此，早期检测对于癌症病患的治疗有至关重要的作用。并且，由于 PET 系统可以有效的诊断人体内肿瘤的性质以及癌变转移情况，并精确定位癌变范围，可以有效的指导手术方案，减小复发机率；在术后又可以用来跟踪监测治疗效果，观察康复状态。 在当今的生物医学领域，PET 系统已经成功地应用于对小动物模型的基因和转基因表达的活体造影，由于可以有效地减小
14、个体之间的差异对实验结果造成的影响并降低实验所需成本，且从小动物模型里得到的科学知识可以很快地移植到临床上对病人的处理，因此目前使用 PET 系统进行基本的生物医学研究和药物开发得到了广泛和积极的关注6-8。 21.2 PET 成像系统成像系统 1.2.1 PET 物理原理物理原理 生物体注入放射性核素后，将被送到探测器内。放射性同位素将不断发生衰变（decay） ，产生的正电子（positron）在经过很短距离（大约 1 mm）的运动后，会与组织中的电子碰撞并发生湮灭 （annihilate ） 。 湮灭会产生一对能量为 511 keV 的光子，沿着相反的方向射出。这些光子将被环绕在病人周围
15、的伽马射线探测器所检测。如果两个光子在一个符合时间窗内被一对探测器检测到，则被认为是同一次湮灭中产生的，即被记录为一次符合事件（coincidence） 。大量的真符合事件的集合可以近似为放射性同位素浓度分布的线积分，记录的数量越大则近似度越高。这些线积分可以看成是人体内放射性同位素浓度分布的雷登变换（Radon Transform）的离散近似。记录的投影数据（projection data）通过图像重建就可以得到放射性同位素在人体内的浓度分布图像9。 1正电子发射和湮灭 正电子放射性核素通常为富质子的核素，它们衰变时会发射正电子。原子核中的质子释放正电子和中微子并衰变为中子： enp+1-1
16、 正电子的质量与电子相等，电量与电子的电量相同，只是符号相反。通常正电子衰变都发生于人工放射性核素。 -+511keV511keV图 1-1 正电子湮灭过程 如图 1-1 所示， 由于人体组织中存在大量的电子， 正电子在人体组织中无规则运3动过程中，会与电子结合而发生湮灭，从而产生一对沿相反方向运动且能量为 511 keV 的光子。 由于发生湮灭时粒子的能量差异， 所以产生的 511 keV 光子对在作反方向运动时在角度上存在一些微小的差别。 在 PET 扫描仪中，每一个探测器在接收到一个 511 keV 光子后将产生一个定长的脉冲。这些脉冲通过一个同步电路作为鉴别器进行配对检测。探测器检测到光子，同步电路就会记录各个脉冲到达的时间。只有当两个脉冲到达的时间间隔小于某一个预先设定的数值（即符合时间窗）时，同步电路才会确认检测到了一对湮灭产生的光子，也就是一次正
