飞的高，看得远
2020-12-23 来源：西门子
飞的高，看得远
原创阿杜MI V CLUB
上期介绍了瑞士核医学会主席Prior教授的演讲和专家们对10ps TOF PET的畅想。今天我们来看看什么是TOF技术？
Time of flight
1969年，在研发世界上第一台脑部PET时，Brownell教授第一次提出了TOF技术的设想。他在实验中发现，在对有一定体积的物体（如人体）进行扫描时，这种响应线（line of response, LoR）的成像方式会造成额外的噪声。[1]
Brownell教授（左）和Aronow教授（右）研发世界第一台脑部PET
在理想状态下，体内的正电子发生湮灭反应后，发射出两个方向相反的光子并被探测器所接收。将探测到光子的两个探测器位置连成一条线，这条线就是响应线（line of response, LoR）。通过这种方式，PET系统能得知发出光子信号的位置是在这条连线上的某一处(如下图A处)。
但在实际使用中，人体的各个部位都会发生湮灭辐射。因此，在同一条响应线上，通常会存在多个信号源（下图中A,B,C处）。而PET系统无法判断信号究竟是从响应线上的哪个位置发出的。因此在图像重建时，只能把收到的信号平均分布在这条线上的所有位置。
不同位置的信号之间相互影响、计数率被平摊，直接导致了PET图像信噪比（SNR）的下降。如下图所示，高信号（如病灶）的一部分计数分给了其他位置，低信号区域（如本底或噪声）则获取了一些本不属于它的计数，从而导致图像信噪比的降低(蓝色曲线为原始信号，红色曲线为PET采集到的信号)。[2]
对此，Brownell教授和他的团队就设想出TOF飞行时间技术：通过测量来自同一信号的两个光子到达探测器的时间差，可以把目标信号的位置确定在一个较小的区域内，这样就可以减少目标信号与其他位置信号之间的相互干扰。这个限定区域越小，对于图像信噪比的提升就越高，而这个区域的大小取决于我们常说的TOF时间分辨率。
从TOF飞行时间技术的原理我们可以总结出：
1. TOF飞行时间技术是一种用来减少甚至彻底去除信号之间相互影响的技术。
2. TOF 时间分辨率越高，对于目标信号位置的精确度也会越高，因此信噪比(SNR)提升越高，图像越清晰。
3. 被扫描物体（或患者）的尺寸越大，信号之间的相互影响就会越多。因此在这种情况下运用TOF技术，图像质量的提升效果将会更加明显。
TOF对SNR的影响
多年以来，TOF技术不断更新换代，驱使着科学家们在TOF技术上不断探索的，正是TOF在提升图像质量方面的巨大潜力。TOF对于信噪比（SNR）的显著提升，可以用公式进行计算，即 TOF增益公式：[3,4]
其中D是被扫描物体的直径（常规成年人是25cm左右，大体重成人在30~37cm左右），c 为光速 3 x108m/s，Δt 就是上文提到的TOF时间分辨率。我们根据不同的TOF时间分辨率，可以绘制出TOF增益的变化曲线：
目前市面上的PET/CT基本上都能实现350ps到550ps左右水平的TOF飞行时间分辨率。但是从曲线中可以看出，在350-550ps范围内TOF增益的区别并不显著。这也解释了为什么过去TOF技术对于临床的提升非常有限。近年来，随着TOF技术的进一步发展，实验室中已经能够实现≤ 200ps的极限TOF时间分辨率。当TOF达到200ps量级时，其增益将高达6~7，是目前TOF的两倍。因此，过去我们很少认识到TOF的重要性，主要还是因为目前的TOF性能还“不够好”。当TOF时间分辨率达到200ps量级甚至更高时，它将给我们的图像质量带来质的改变！
由于TOF技术发展将带来PET整体性能的巨大增益，TOF技术将是未来PET/CT发展的核心。上期Prior教授的演讲中也提到，EANM等学会在大力推广研究10ps的极限TOF技术，并为此设立巨额奖金，可见其在未来PET/CT发展中的重要作用。
期待未来美好的明天
参考文献
1.MaurizioConti, Bernard Bendriem. The new opportunities for high time resolutionclinical TOF PET. Clinical and Translational Imaging (2019) 7: 129-147
2.WilliamW. Moses (2009) Exploring the Benefits of Time-of-Flight PET, NIH ResearchProject
3.Moses WW. Time of flight in PET revisited. IEEE Trans Nucl Sci. 2003;50:1325-30
4.Lewellen TK. Time-of-flight PET. Semin Nucl Med. 1998;28:268-75.
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