PET系统中Lu-176本底辐射的影响

戴甜甜，魏清阳

(1.中日友好医院 放射肿瘤科，北京 100029；2.北京科技大学 自动化学院 北京市工业波谱成像工程技术研究中心，北京 100083)

正电子发射断层显像(positron emission tomography, PET)能从分子水平反映肿瘤细胞的生物学行为[1-2]，主要应用于临床疾病的诊断，包括癌症的早期诊断、心脏和脑部等代谢性疾病的辅助诊断[1]；也被用于临床动物成像、药物开发、病理研究和基因表达等研究[3]。

PET通过探测放射性核素衰变产生的正电子湮灭后发出的511 keV伽马光子对进行三维成像。其探测系统主要采用由无机闪烁晶体和光电探测器组成的闪烁体探测器。早期PET探测器的闪烁体采用掺铊碘化钠(NaI(Tl))和锗酸铋(BGO)，20世纪80年代末，硅酸镥(LSO)应用于PET[4]，随后出现了其他含镥闪烁晶体，如硅酸钇镥(LYSO)和镥精细硅酸(LFS)。含镥闪烁晶体因其阻止本领高、光产额高、发光衰减时间较短，适合飞行时间功能的PET (TOF-PET)系统[5]，为现代PET探测器的首选晶体。但是天然镥元素含有放射性Lu-176同位素，其本底辐射对PET系统有一定的影响。本文主要对PET探测器中Lu-176本底辐射的特性，以及不利影响和应用开发进行介绍和讨论。

1 Lu-176本底辐射的特性

图1 Lu-176的衰变纲图Fig.1 Decay scheme of Lu-176

天然镥元素中含有丰度2.6%的Lu-176同位素，为长半衰期的放射性核素(T1/2～3.6×1010年[6])。Lu-176的衰变纲图示于图1，其主要衰变过程产生一个β粒子(最高能量为596 keV)和三个能量分别为307、202、88 keV的级联γ光子。

含镥闪烁晶体的本底计数率可以通过Lu-176的含量和半衰期计算，例如1 mL含镥闪烁体的本底计数率R为：

(1)

式中，n为闪烁晶体分子式中镥元素的下标；ρ为晶体密度，g/cm3；NA为阿伏伽德罗常数6.02×1023mol-1；M为摩尔质量，g/mol；T1/2为镥的半衰期，s。以LSO(Lu2SiO5)为例，计算可得RLSO=307 Bq/mL。

Lu-176衰变产生的β粒子射程短，其能量主要沉积在发生衰变的晶体中；产生的γ光子穿透本领高，不仅可以在发生衰变的晶体中探测到，也可能逃逸被其他晶体探测到。因此，PET探测器中Lu-176本底辐射包括单光子事件、双光子事件和多光子事件。一个Lu-176衰变产生的粒子只在同一个晶体阵列中被探测到，为单光子事件(图2a)；衰变产生的γ光子逃逸被其他探测器晶体探测到，产生本底符合事件(图2b)；在符合时间窗内探测到的两个独立单光子事件，为本底随机符合事件(图2c)；一个γ光子逃逸的本底符合事件同时探测到另一个独立单光子事件，为多光子事件(图2d)。由于本底计数率低，本底随机符合事件与多光子事件发生的概率较小。在有其他放射源存在的情况下，上述Lu-176本底辐射事件还会与放射源本身的射线粒子叠加，形成随机符合或多符合事件。

基于GATE程序[7]模拟的InliView 3000[8]小动物PET系统中镥本底辐射的能谱示于图3。PET探测器中的单光子能谱为一个γ和β叠加的宽谱(图3a)，本底符合事件的计数率约为5 000个/s；没有TOF信息的本底符合事件能谱(图3b)中，202、307 keV的峰位比单光子事件的峰位更明显；具有TOF信息的本底符合事件能谱(图3c)中，第一触发事件和第二触发事件可通过触发时间区分，第二触发事件为逃逸的γ光子，202、307 keV的光电峰最明显。

a——单光子事件；b——双光子事件(本底符合)；c——双光子事件(本底随机符合)；d——多光子事件图2 PET系统中典型的Lu-176本底辐射事件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

图3 InliView 3000小动物PET的Lu-176本底辐射的模拟能谱(能量分辨率为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本底辐射的不利影响

在PET成像过程中，Lu-176本底辐射的影响已经有诸多研究，多数情况下其影响可以忽略。但对于一些特殊研究，如低活度成像、长轴向视野PET和PET/SPECT同时成像等，Lu-176本底辐射存在较大的影响。

2.1 常规PET成像

Lu-176本底辐射产生的单光子事件和符合事件会影响PET的系统性能。Lu-176本底辐射的单光子能谱宽，覆盖了511 keV的光电峰，干扰无法完全避免。测量延迟符合或使用恰当的修正方法[9]可以修正本底随机符合，但会改变系统的时间性能，增大探测器的死时间[10]。本底事件会在重建图像中引入噪声，如果未考虑Lu-176本底事件的影响，会过高估计使用美国电器制造商协会(NEMA)标准测量的散射事件比例[11-13]。

Lu-176本底事件的计数率依赖于能量窗的选取。基于含镥晶体的临床PET系统推荐能窗为350～650 keV。多数镥本底辐射产生的瞬发γ光子能量为202、307 keV，低于能窗下阈350 keV，在此能窗下大部分Lu-176本底事件可以被剔除。Lu-176本底辐射比临床扫描的药物活度低很多[10]，不足以影响常规的临床PET成像。

相比临床系统，小动物PET注射的药物活度较低；为提高空间分辨率，探测器采用小尺寸晶体单元，能量分辨率降低。小动物对511 keV的散射比例小，为了提高灵敏度，使用较宽的能窗，如250～750 keV。因此，Lu-176本底辐射对小动物PET系统性能的影响不可忽视[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，细胞示踪研究[14]、基因表达成像[15]或in-beam PET成像[16]等，Lu-176本底辐射增大了系统的最小可探测活度值。如果使用传统能窗设置，该本底可能会影响成像性能[17-18]。为减小Lu-176本底辐射影响，可利用窄的能窗和符合时间窗减少镥本底随机符合事件，但该方法减少了真实的符合事件，需找到一个适中的能窗和符合时间窗。另一种方法采用能量分辨率和时间分辨率高的PET系统进行成像。2014年，Yoshida等[17]提出了结合飞行时间TOF和多符合信息减少Lu-176本底辐射的影响，可减少84%的固有随机本底符合事件。

2.3 长轴向视野PET

目前临床PET探测器的轴向长度约为15～22 cm[19]，进行全身扫描需要多个床位。2016年，由Cherry等提出EXPLORER-PET项目，旨在开发一款2 m长全身PET系统[20-21]，能够一次在同一床位进行全身成像，期望提高40倍灵敏度，将PET药物剂量降低至目前常规剂量的1/40[20]。EXPLORER-PET将带来全新的应用，如全身药动力学参数成像和同位素示踪全身干细胞祖细胞群系统成像等[19]。Lu-176本底辐射的单个事件计数率与探测器闪烁晶体数量近似成正比，EXPLORER-PET中Lu-176本底计数率至少为常规PET系统的10倍，在EXPLORER-PET中出现非常高的随机Lu-176本底符合事件。在低剂量成像和高Lu-176本底辐射事件的情况下，Lu-176本底辐射事件的处理至关重要。Poon等[19]提出了对响应线(LOR)采用可变符合时间窗减少Lu-176本底辐射导致的随机事件。

2.4 PET/SPECT成像

3 Lu-176本底辐射的应用开发

Lu-176本底辐射的有利应用被不断开发，西门子、联影等公司将Lu-176本底辐射用于PET系统质控[24]，有望替代Ge-68等放射源用于系统的日检或周检。不仅如此，Lu-176本底辐射还在以下多个方面取得应用。

3.1 辅助PET探测器模块的开发

Lu-176本底辐射可以替代Na-22、F-18、Cs-137等伽马放射源辅助含镥闪烁晶体PET探测器模块的设计，例如用于快速验证晶体表面处理和反射膜等设计方案，加快研发的进程，减少研发成本以及实验过程中人员的辐射剂量。探测器模块中Lu-176本底辐射可近似为一个泛场源，计数率足够在几分钟内产生一个信噪比好的泛场图像[25]。Lu-176本底辐射还可以辅助作用深度PET(DOI-PET)探测器的研究，闪烁晶体中Lu-176发出的β射线可测量双端读出DOI-PET的作用深度响应函数[26]。未来还可能应用于连续晶体探测器模块的作用位置响应函数标定。

3.2 通道能量标定

对于同一能量，PET探测器中不同晶体单元具有不同大小的输出信号，需要对每一个晶体单元进行能量刻度，以便设置正确的能窗。雪崩光电二极管(APD)或硅光电倍增管(SiPM)随温度变化发生增益漂移，光电倍增管(PMT)长时间工作会出现老化等现象[27]，需要定期使用放射源进行各个通道的能量标定。镥本底辐射可替代放射源用于系统的自我校准。Conti等[27]提出跟踪Lu-176本底辐射的597 keV能峰的位置(三个γ光子的总和)，用于监视系统中各通道增益的漂移，结果表明，基于Lu-176本底辐射的校准方法与使用511 keV标准源的校准方法是等价的。含镥闪烁晶体也可以被用作多个伽马射线源对其他探测器模块(包括非含镥晶体的模块)进行能量校准或能量非线性响应标定。

3.3 TOF-PET的时间标定

TOF-PET基于响应上两个光子的触发时间差，限定正电子湮灭在响应线上的发生位置，提高系统图像的信噪比。对TOF-PET探测器各通道的时间校准至关重要，目前已有多种方法可以实现PET探测器各通道的时间校正[28]，但这些方法都需要外部放射源。Rothfuss等[29]提出基于Lu-176本底辐射的方法，通过测定两个晶体之间的Lu-176本底符合时间差，扣除根据两个探测器距离计算的光子飞行时间，获得两根晶体的符合时间偏置，从而实现时间校正，结果表明，采用Lu-176本底辐射进行时间标定与使用均匀伽马源模型方法得到的性能一致。

3.4 生成衰减图像

PET成像过程中，511 keV的射线有概率与成像物体发生康普顿散射和光电效应，形成衰减效应，影响重建图像质量。临床PET系统衰减影响较大，图像重建过程需进行衰减校正，采用匹配的CT系统成像结果，或者在PET系统中使用透射源。Lu-176本底符合事件可被视为透射源，能够在PET中产生扫描物体的透射图像。在TOF-PET系统中，根据飞行时间信息和符合晶体对的距离，设置两个不同的符合时间窗，能同时观测到正电子湮灭事件和Lu-176本底符合事件。故通过重建算法可同时重建正电子发射图像和Lu-176本底透射图像。Rothfuss等[30]通过实验验证了Lu-176本底在10 min生成头部透射图像，为不具备CT机或需要耦合CT的系统提供了衰减校正解决方案。透射图像也可用于散射校正或发射和衰减的同时重建[30]。

3.5 系统的几何标定

Lu-176本底符合事件生成透射图像的特性也可用于系统的几何标定。如小动物PET/SPECT/CT系统(InliView 3000)采用基于LYSO的PET探测器，嵌入式准直器SPECT与PET共用探测器，锥束CT基于CMOS探测器。利用镥本底辐射对SPECT准直器成像，实现几何校准[31]。此外，通过对多钨合金球模体进行CT成像和Lu-176本底透射成像，能够推导出PET系统和CT系统的几何变换矩阵，实现PET/CT配准[32]。该方法预期可替代传统的多点源或多线源方法，使几何校准更加方便，减少操作人员的额外辐射剂量。

4 小结

含镥闪烁体因其良好的性能成为PET探测器的首选。常规的临床PET成像中，通过设置能量窗和符合时间窗，可忽略Lu-176本底辐射对性能的影响。对于一些特殊的系统和应用，如低活度成像、全身PET和基于PET探测器的SPECT成像等，Lu-176本底辐射的影响不可忽视，需要进行评估和校正。Lu-176本底辐射可用于系统质控、辅助探测器设计、能量刻度、时间刻度和系统几何校正等。

随着探测器技术的发展，能量分辨率和符合时间分辨率等性能参数将进一步提升，Lu-176本底辐射对PET系统的影响将进一步减小，其应用将被进一步开发，实现利大于弊。

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