NEMA NU 2-2018標(biāo)準(zhǔn)在PET/CT系統(tǒng)性能測(cè)試中的作用評(píng)價(jià)

耿義強(qiáng) 劉家金 吳世娜 孫樹(shù)偉 趙 東 宋敬斌 孫亞兵 王瑞民

(解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心核醫(yī)學(xué)科，北京 100853)

隨著核醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層掃描顯像/電子計(jì)算機(jī)斷層顯像 (positron emission tomography/computed tomography，PET/CT)設(shè)備系統(tǒng)性能均有高度提升，其性能檢測(cè)方法與標(biāo)準(zhǔn)也在更新[1]。最新的美國(guó)國(guó)家電器制造協(xié)會(huì)(National Electrical Manufactures Association, NEMA) NU 2-2018標(biāo)準(zhǔn)加入了對(duì)PET時(shí)間分辨率和PET/CT配準(zhǔn)精度的檢測(cè)指標(biāo)[2-3]，為更好評(píng)價(jià)PET/CT設(shè)備性能提供了檢測(cè)依據(jù)。本文主要研究NEMA NU-2 2018標(biāo)準(zhǔn)在西門子Biograph Vision PET/CT的性能檢測(cè)，評(píng)價(jià)其結(jié)果。

1 材料與方法

1.1 PET/CT設(shè)備

使用西門子Biograph Vision PET/CT，PET部分由80個(gè)晶體環(huán)組成整個(gè)探測(cè)器，晶體為硅酸镥，包含60 800塊晶體，每個(gè)晶體尺寸為3.2 mm×3.2 mm×20 mm，耦合SiPM光電傳感器，具有78 cm橫向視野和26 cm的軸向視野。

1.2 性能檢測(cè)

依據(jù)NEMA NU-2 2018標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行PET/CT性能檢測(cè)。在檢測(cè)之前進(jìn)行PET/CT設(shè)備重啟和探測(cè)器設(shè)置，并保證活度計(jì)和PET/CT設(shè)備時(shí)鐘一致。

1.2.1 空間分辨率檢測(cè)

在檢查床上安裝分辨率L形固定器，將3個(gè)泡沫支架放在固定器上的(0，1)、(0，10)和(0，20)位置上，先后將1.11MBq的18F點(diǎn)源放置在上述位置，使用系統(tǒng)NEMA 2018采集程序采集點(diǎn)源位于軸向視野1/2和1/8處，采集計(jì)數(shù)2.40 × 106個(gè)，使用濾波反投影重建圖像，重建矩陣為440×440×159。

1.2.2 靈敏度檢測(cè)

將活度為3.93 MBq的氟-18-脫氧葡萄糖(18F-fluorodeoxyglucose,18F-FDG)用注射器灌注到70 cm(3 mL)細(xì)膠管中。細(xì)膠管放入同心的5個(gè)鋁套管(外徑分別為6.4、9.5、12.7、15.9和19.1 mm,長(zhǎng)度70 cm)內(nèi)，把鋁套管放在泡沫固定器上，置于視野中心,用系統(tǒng)NEMA 2018靈敏度程序行數(shù)據(jù)采集和分析，采集過(guò)程中依次取下尺寸最大的鋁管，共采集5次，每次采集300s。視野中心采集完成后進(jìn)行偏移至距視野中心10 cm處檢測(cè)。

1.2.3 散射分?jǐn)?shù)、計(jì)數(shù)丟失和隨機(jī)符合檢測(cè)

將填充1 300 MBq的18F-FDG的細(xì)膠管(長(zhǎng)70 cm,內(nèi)徑3 mm)插入散射體模(長(zhǎng)70 cm,直徑20 cm) 下部4.5 cm處，直徑6.4 mm的線源孔。將散射體模置于檢查床中心，移床至掃描視野中心位置，用NEMA 2018 AC采集程序?qū)w模進(jìn)行CT和15 h PET采集，開(kāi)始采集時(shí)活度為1 146.73 MBq，采用NEMA 2018散射軟件自動(dòng)計(jì)算散射分?jǐn)?shù)和計(jì)數(shù)率特征。

1.2.4 飛行時(shí)間分辨率、計(jì)數(shù)丟失和隨機(jī)符合校準(zhǔn)精準(zhǔn)度檢測(cè)

采用NEMA 2018時(shí)間分辨率和精準(zhǔn)度軟件對(duì)散射檢測(cè)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

1.2.5 配準(zhǔn)精度檢測(cè)

將L型定位固定器和模擬患者體質(zhì)量的115kg配重安裝到檢查床上，按照NEMA 2018標(biāo)準(zhǔn)對(duì)固定器和配重進(jìn)行定位。用18F-FDG和CT造影劑，制作放射性活度為1 mCi、體積為1.35 mL的點(diǎn)源；用系統(tǒng)NEMA 2018配準(zhǔn)精度程序進(jìn)行標(biāo)記位于距床板末端5 cm和100 cm處，點(diǎn)源位于(0，1，1/2軸向視野)、(0，20，1/2軸向視野)和(20，0，1/2軸向視野)的數(shù)據(jù)采集，每個(gè)位置先行低劑量CT采集，后行3 min PET采集。選擇采集后的數(shù)據(jù)，用NEMA 2018配準(zhǔn)精度軟件處理、分析并與系統(tǒng)接受值進(jìn)行比較。

裝飾板中，高檔的產(chǎn)品如雀眼和珍珠木的產(chǎn)品賣勢(shì)不錯(cuò)，前者標(biāo)價(jià)多在80～110元之間，后者多在90～120元之間;普通裝飾板中如水曲柳的產(chǎn)品價(jià)格每張?jiān)?0～55元之間，沙貝利面飾的產(chǎn)品每張30～40元，紅橡的飾面則在60元以上，總之進(jìn)口產(chǎn)品要比國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品貴出一二十元。

1.2.6 圖像質(zhì)量 、衰減和散射校正精度檢測(cè)

圖像質(zhì)量檢測(cè)使用NEMA標(biāo)準(zhǔn)的圖像質(zhì)量體模，其中有6個(gè)直徑為10、13、17、22、28和37 mm的可灌注空心球體，一個(gè)直徑為50 mm的低密度填充材料的圓柱體(模擬肺)。檢測(cè)時(shí)，球體和體模腔內(nèi)分別灌注活度為4∶1(21.2 kBq/mL∶5.3 kBq/mL) 的18F-FDG溶液，形成“熱灶”和“背景區(qū)”；在距檢查床板末端30 cm處，將圖像質(zhì)量體模置于檢查床上的泡沫固定架內(nèi)。為模擬臨床實(shí)際情況，將散射模型內(nèi)插入110 MBq的18F-FDG溶液線源并置于泡沫固定架后，移床使圖像質(zhì)量體模置于視野中心。選擇臨床常規(guī)采集模式，在CT掃描后行237s的PET采集，圖像重建采用迭代算法結(jié)合點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)校正和飛行時(shí)間(time of flight，TOF)技術(shù)，用10次迭代5個(gè)子集2 mm半高寬的高斯函數(shù)后濾波，矩陣為440×440。用NEMA 2018圖像質(zhì)量處理軟件得到每個(gè)小球的對(duì)比度恢復(fù)系數(shù)、背景變異系數(shù)及肺插件殘余誤差。

2 結(jié)果

2.1 PET空間分辨率

在偏離視野1 cm時(shí)，PET的空間分辨率可<4 mm，詳見(jiàn)表1。

表1 PET空間分辨率測(cè)試結(jié)果Tab.1 Result of spatial resolution mm

2.2 靈敏度

在視野中心和軸向10 cm處的靈敏度分別為16.83 kcps/MBq和16.67 kcps/MBq，中心視野處軸向靈敏度變化如圖1所示。

2.3 散射分?jǐn)?shù)、計(jì)數(shù)丟失和隨機(jī)符合測(cè)試

檢測(cè)結(jié)果顯示，散射分?jǐn)?shù)、總計(jì)數(shù)率、真符合計(jì)數(shù)率、隨機(jī)符合計(jì)數(shù)率、散射符合計(jì)數(shù)率隨放射性活度增高而升高，等效噪聲計(jì)數(shù)率隨放射性活度增高呈先上升后下降趨勢(shì)，在放射性濃度為27.37 kBq/mL時(shí)，最大等效噪聲計(jì)數(shù)率為258.26 kcps，散射分?jǐn)?shù)為38.58%，詳見(jiàn)圖2。

圖1 中心視野處軸向靈敏度曲線圖Fig.1 The axial sensitivity at the center of the field of view NEC:noise equivalent count.

圖2 符合計(jì)數(shù)率性能檢測(cè)結(jié)果示意圖Fig.2 The test result of coincidence count rate performance NEC:noise equivalent count.

2.4 飛行時(shí)間分辨率、計(jì)數(shù)丟失和隨機(jī)符合校準(zhǔn)精準(zhǔn)度

在放射性濃度為27.37 kBq/mL時(shí)，等效噪聲計(jì)數(shù)率達(dá)到最大，依據(jù)NEMA NU-2 2018檢測(cè)要求，在相同放射性濃度時(shí)，計(jì)算出的計(jì)數(shù)丟失和隨機(jī)符合校準(zhǔn)最大誤差為3.9%，飛行時(shí)間分辨率為209.82 ps。

2.5 配準(zhǔn)精度

表2 PET與CT配準(zhǔn)精度Tab.2 PET-CT co-registration accuracy

2.6 圖像質(zhì)量 、衰減和散射校正精度

圖像質(zhì)量模型檢測(cè)結(jié)果顯示，小球的對(duì)比度恢復(fù)系數(shù)為88.9%～96.20%，背景變異系數(shù)為2.05%～6.80%，平均肺插件殘余誤差為2.43%，詳見(jiàn)表3，10 mm小球?qū)Ρ榷然謴?fù)系數(shù)達(dá)到了88.90%。

表3 PET圖像質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果Tab.3 PET image quality test %

3 討論

本文依據(jù)最新的NEMA NU 2-2018檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)西門子Biograph Vision PET/CT進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)NEMA NU 2-2018相對(duì)之前的NEMA檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)[4]，在PET/CT設(shè)備檢測(cè)中加入了PET飛行時(shí)間分辨率和PET/CT配準(zhǔn)精度的指標(biāo)，且在空間分辨率及圖像質(zhì)量檢測(cè)部分也作了修改，使檢測(cè)內(nèi)容更符合臨床實(shí)際情況，具有更好的重復(fù)性。

PET飛行時(shí)間分辨率指系統(tǒng)探測(cè)光子對(duì)到達(dá)探測(cè)器的時(shí)間差[5]。正電子湮滅輻射一定發(fā)生在響應(yīng)線上，但無(wú)法確定湮滅輻射的確切位置[6]，所以在圖像重建時(shí)每條響應(yīng)線上對(duì)應(yīng)的事件等權(quán)重的分配到該響應(yīng)線經(jīng)過(guò)的所有路徑。但是光子從入射到探測(cè)器晶體轉(zhuǎn)換為最后的脈沖信號(hào)被記錄，經(jīng)歷了多種的不確定因素，所以兩個(gè)光子并不能同時(shí)被記錄，常有時(shí)間差。各個(gè)光子的時(shí)間差是不相同的，但總體上服從某種分布，其分布的半高寬即為飛行時(shí)間分辨率。本文采用的NEMA NU 2-2018檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)PET固有的飛行時(shí)間分辨率，不涉及圖像重建過(guò)程，通過(guò)對(duì)散射分?jǐn)?shù)檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析，獲得西門子Biograph Vision PET 209.82 ps的飛行時(shí)間分辨率。

PET/CT的優(yōu)勢(shì)是將PET的功能代謝圖像和CT的解剖結(jié)構(gòu)圖像精準(zhǔn)地結(jié)合起來(lái)。雖然現(xiàn)在PET和CT是同機(jī)掃描，但是圖像融合的精度仍然受到人體器官的位移、掃描床移動(dòng)所產(chǎn)生的誤差影響，所以PET/CT的配準(zhǔn)精度對(duì)重建圖像時(shí)的衰減校正和解剖結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)定位非常重要[7-8]。本文依據(jù)NEMA NU 2-2018標(biāo)準(zhǔn)方法在距床板末端5 cm和100 cm處模擬臨床實(shí)際情況檢測(cè)Biograph Vision PET/CT配準(zhǔn)精度，得到其性能指標(biāo)，希望能指導(dǎo)設(shè)備的臨床應(yīng)用。

對(duì)于空間分辨率的檢測(cè),其檢測(cè)差異主要是由于點(diǎn)源的尺寸和位置所導(dǎo)致[9-10]，18F-FDG點(diǎn)源的制備具有一定的難度，因此在NEMA NU 2-2018中推薦使用22Na點(diǎn)源進(jìn)行空間分辨率的測(cè)量，本實(shí)驗(yàn)仍然使用的是尺寸達(dá)到要求的18F-FDG點(diǎn)源。相對(duì)既往NEMA標(biāo)準(zhǔn)，本文采用的NEMA NU 2-2018標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)源位置為距離FOV中心1、10和20 cm[11]，方向均為Y軸，其檢測(cè)內(nèi)容更能體現(xiàn)設(shè)備性能。

關(guān)于圖像質(zhì)量檢測(cè)，NEMA NU 2-2018標(biāo)準(zhǔn)將IQ模型中6個(gè)球體填充為18F熱成像區(qū)，原因是考慮在正常的生物組織中并不會(huì)出現(xiàn)28、37 mm的冷成像區(qū)[12-14]。并且刪除了熱區(qū)和背景放射性活度8∶1的要求，只保留了4∶1的要求。主要是考慮到PET技術(shù)的高速發(fā)展，高代謝疾病區(qū)域均可早期被發(fā)現(xiàn)，很少出現(xiàn)活度比為8∶1的情況，而活度比4∶1更能反映設(shè)備的高性能和臨床實(shí)際情況[15]。

因此，NEMA NU 2-2018標(biāo)準(zhǔn)更符合臨床實(shí)際情況，檢測(cè)結(jié)果更能反映設(shè)備性能，從而能更好地指導(dǎo)設(shè)備的臨床應(yīng)用。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突。

作者貢獻(xiàn)聲明耿義強(qiáng)：設(shè)計(jì)研究方案，采集、分析數(shù)據(jù)，撰寫論文；劉家金：提出研究思路，審定論文；吳世娜、孫樹(shù)偉、宋敬斌：采集、分析數(shù)據(jù)；趙東、孫亞兵：調(diào)查、整理資料；王瑞民：總體把關(guān)，審定論文。