PET基础

一、电子的衰变与湮灭

PET所用示踪剂是由发射正电子的放射性核素标记的。这些核素因富含质子而不稳定，通过正电子衰变（β^＋衰变）达到稳定状态。β^＋衰变的过程为：原子核中一个质子转变为一个中子、一个中微子和一个正电子。该中微子和正电子从衰变过程中获得能量而飞出核外。
例如F-18的衰变表达式为：

¹⁸₉F→¹⁸₈O+β⁺+ν
衰变能主要表现为正电子和中微子的动能，而每次衰变，正电子的动能及中微子的动能占衰变能的比例是随机的，因此，正电子衰变发射出的正电子没有固定的能量。


    正电子是电子的反物质。具有与电子完全相同的物理性质，唯一的区别是所带电荷的极性不同，正电子带的是正电荷，而电子带的是负电荷。中微子很轻，几乎没有质量，它不与周围介质发生任何作用，径直穿透物质飞向宇宙。

正电子寿命很短，从核内发射出来后，在周围介质（如人体组织）中不断被散射而减慢速度。一旦它静止下来就和介质中的一个电子结合形成电子偶，并在毫微秒内发生质能转换，正、负电子消失，它们的质量转变为两个能量相等（511keV）、方向相反的光子，这一过程称为电子对湮灭（annihilation），也称正电子湮灭、湮灭辐射、质湮辐射。PET扫描仪所探测的就是这两个方向相反的γ光子。

 

 二、511keVγ光子的探测

        PET扫描仪可以探测从湮灭地点发出的γ光子。探测过程是由闪烁晶体、光电倍增管和一系列电子线路系统来完成的。当一个γ光子进入到晶体内时，将与晶体发生相互作用而损失能量，最后消失。同时，该光子损失的能量已全部传递给与之相互作用的晶体原子，这些晶体原子从激发态回到基态时，就会发出可见光子。晶体所发出的可见光子数量与入射光子的能量有一定的比例关系（这一点对识别入射光子的能量很重要）。这一比例是选择探测器晶体的条件之一。晶体所发出的可见光子随机射向各个方向，一小部分进入与晶体相连接的光电倍增管（PMT），进入的多少取决于PMT对可见光子发射点所张的立体角（这一点是确定入射光子在晶体上的入射点的基础）。进入光电倍增管的光子发生光电效应而转变成电子，经逐级放大后，以电流的形式输出给后接的电子线路系统。电子线路系统综合来自相邻几个光电倍增管（一个探测器模块 Block，一般有4个光电倍增管）的信息，从而确定入射光子的能量及在晶体上的入射点。如果入射光子的能量值符合能窗条件，处理设备就会记录。

三、符合探测
    PET扫描仪的作用是确定正电子示踪剂的位置。但直接探测正电子是不现实的，只能通过探测由电子对湮灭所产生的光子对来反映正电子湮灭时的位置。接收两个光子的两个探测器之间的连线称为符合线（line of response，LOR），湮灭事件的位置必定在这条直线上。用两个探测器间的连线来确定湮灭地点方位的方法（不需要准直器）称为电子准直（electronic collimation）。这种探测方式则称为符合探测（coincidence detection）。符合探测技术得益于湮灭光子对的两个特性：一是这两个光子沿着直线反方向飞行；二是它们都以光速向前传播，几乎同时到达在这条直线上的两个探测器。此时，PET系统就记录一个符合事件(coincidence event)。事实上，由于光子从发射到被转换为最后的脉冲信号经历了多种不确定的延迟，致使符合事件的两个光子被记录的时间间隔展宽了。该时间间隔称为符合窗（coincidence window）。通常，符合窗的大小为5ns到15ns。只有在符合窗时间内探测到的两个光子，才被认为是来自同一湮灭事件。超过符合窗时间间隔所探测到的两个光子则被认为是来自两个湮灭事件而不予记录。

实际上，探测器所记录的符合事件中，有三种符合情况无法区分。第一种是真符合(true coincidence)，探测到的两个光子来源于同一湮灭事件，并且在到达探测器前两个光子都没有与介质发生任何相互作用，因此含有精确的定位信息,这是真正需要的原始数据；第二种是散射符合（scatter coincidence），探测到的两个光子虽然来源于同一湮灭事件，但在到达探测器前两个光子中至少有一个被散射而偏离了原来的飞行方向。因此,这种符合含有的定位信息是错误的，应该剔除；第三种是随机符合（random coincidence），探测到的两个光子分别来源于不同的湮灭事件。这种符合含有的定位信息更是错误的。