14、基于蒙特卡洛模拟的SPECT和PET图像重建

基于蒙特卡洛模拟的SPECT和PET图像重建

1. 引言

核医学成像是一种通过放射性标记药物诊断和评估人体疾病的技术。放射性药物通过静脉注射、吸入或口服进入体内，位置敏感探测器检测药物发出的辐射，从而确定药物在体内的时空分布。这种成像方式不仅提供了器官的功能信息，还因其卓越的灵敏度，能够在分子水平上进行疾病监测。现代核医学成像主要包括单光子发射计算机断层扫描（SPECT）和正电子发射断层扫描（PET）。

1.1 单光子发射断层扫描（SPECT）

单光子成像至少需要一个固定位置的探测器来获取三维放射性药物分布的二维（2-D）投影。典型的成像系统是伽马相机，它由准直器、闪烁晶体和光电倍增管组成。准直器限制了光子的入射角度，闪烁晶体将光子能量转换为可见光，光电倍增管则将光信号转换为电信号。SPECT广泛应用于心脏成像、骨扫描、神经学以及肾脏和肝脏功能成像。

1.2 正电子发射断层扫描（PET）

药物可以标记上正电子发射体，如氟-18（(^{18})F），用于标记氟脱氧葡萄糖（FDG），这是一种葡萄糖类似物，适合于葡萄糖代谢的可视化。正电子与电子湮灭，产生两个几乎反向平行的511 keV光子。检测这两个光子可以确定湮灭发生的直线，因此不需要物理准直，允许比单光子成像更高的灵敏度。PET应用领域主要包括肿瘤学、神经学和心脏病学。

2. 背景

SPECT和PET的关键在于图像重建，即从不同角度获取的投影数据中检索放射性药物的三维空间分布。断层扫描重建可以通过几种方式进行：

• 分析重建 ：滤波反投影（Filtered Back-Pro