PET-CT性能檢測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展

張鵬，張璞，孫劼，李成偉，劉文麗

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院 醫(yī)學(xué)與生物計(jì)量研究所，北京 100029

引言

正電子計(jì)算機(jī)發(fā)射斷層顯像儀（Positron Emission Tomography，PET）自20 世紀(jì)70 年代誕生以來(lái)，為神經(jīng)系統(tǒng)、腫瘤和心血管系統(tǒng)等疾病的早期臨床診斷提供了非常有效的手段[1]。但由于PET 設(shè)備自身分辨力較低，不能提供足夠清晰的解剖結(jié)構(gòu)圖像，因此經(jīng)常出現(xiàn)病灶精準(zhǔn)定位困難的問(wèn)題。而電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（Computed Tomography，CT）可以清晰地顯示人體的斷層影像，準(zhǔn)確描述病變的大小、位置、形態(tài)等解剖學(xué)特性，但對(duì)有些病灶性質(zhì)難以做出準(zhǔn)確判定。隨著臨床需求的不斷增加和技術(shù)的快速發(fā)展，1998 年第一臺(tái)PET-CT 原型機(jī)在美國(guó)匹茲堡大學(xué)醫(yī)學(xué)中心問(wèn)世[2]。兩種設(shè)備同機(jī)整合、兩種圖像同機(jī)融合，不僅可以反映病灶的功能性變化，還可以進(jìn)行精確的解剖學(xué)定位診斷，使影像醫(yī)學(xué)的發(fā)展向前邁出了具有歷史意義的一步[3]。

此后，PET-CT 技術(shù)發(fā)展迅猛，硬件和軟件方面均有顯著進(jìn)步。硅酸镥晶體（LSO）、硅酸镥銥晶體（LYSO）和基于镥元素的混合晶體（LBS）等新型探測(cè)器閃爍晶體的應(yīng)用使探測(cè)器效率得到提高，PET-CT 的采集速度加快。電子準(zhǔn)直技術(shù)使得數(shù)據(jù)采集方式由2D 升級(jí)為3D，靈敏度提高了10 倍以上，采集時(shí)間大大縮短[3-4]。早期的PET 一般采用濾波反投影法（Filtered Back Projection，F(xiàn)BP）進(jìn)行圖像重建，但因其生成圖像噪聲較高、分辨率和定位精度較差，該方法逐漸被有序子集最大期望值法（Ordered Subsets Expectation Maximization，OSEM）所 替 代；OSEM 能 夠在重建過(guò)程中加入多種條件約束，并對(duì)空間分辨力的不均勻性進(jìn)行校正，以提高圖像質(zhì)量[4-5]。隨著LSO 和LYSO等快速閃爍晶體應(yīng)用于探測(cè)器，點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（Point Spread Function，PSF）開(kāi)始應(yīng)用于PET-CT，使得圖像分辨率得到提高[5]。此外，飛行時(shí)間技術(shù)（Time of Flight，TOF）在醫(yī)用PET-CT 上的應(yīng)用，使圖像噪聲水平降低，圖像質(zhì)量得到改善。同時(shí)，TOF 技術(shù)使探測(cè)器采集計(jì)數(shù)丟失減少，靈敏度提高，從而減少患者的注射藥量，降低輻射劑量[6]。

自2000 年P(guān)ET-CT 開(kāi)始應(yīng)用于臨床以來(lái)[1]，西門(mén)子、通用電氣、飛利浦先后推出各自的PET-CT 設(shè)備，并在全球范圍內(nèi)占據(jù)主流市場(chǎng)。近年來(lái)，國(guó)產(chǎn)醫(yī)療器械制造商發(fā)展迅速，東軟、聯(lián)影、賽諾聯(lián)合等紛紛推出自主PET-CT設(shè)備。如表1 所列舉的內(nèi)容，不同制造商的PET-CT 設(shè)備在設(shè)計(jì)上各具特色，各自的PET-CT 設(shè)備也在迅速發(fā)展。

表1 各品牌PET-CT設(shè)備特點(diǎn)

我國(guó)于2002 年引入第一臺(tái)PET-CT 設(shè)備，隨著腫瘤、心血管系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)等疾病診療需求的增多，PET-CT 設(shè)備裝機(jī)量逐年增加，截至2017 年底，國(guó)內(nèi)PET-CT 設(shè)備裝機(jī)總量已超過(guò)300 臺(tái)[7]。《2018-2020 年全國(guó)大型醫(yī)用設(shè)備配置規(guī)劃》中指出：“到2020 年底，全國(guó)規(guī)劃配置PET-CT 710 臺(tái)內(nèi)，其中新增377 臺(tái)”[8]。隨著PET-CT 的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)于PET-CT 的性能要求逐漸提高，PET-CT 性能檢測(cè)技術(shù)的研究得到了廣泛關(guān)注。

1 PET-CT性能檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展

PET-CT 的性能參數(shù)主要分為PET 性能參數(shù)和CT 性能參數(shù)兩個(gè)方面，其中以PET 性能參數(shù)為最關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)[9]。PET 的性能參數(shù)可以根據(jù)性能檢測(cè)方法并使用性能檢測(cè)模體進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以了解設(shè)備的性能。美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì)（National Electrical Manufacturers Association，NEMA）在1994 年發(fā)布了首個(gè)PET 性能檢測(cè) 標(biāo) 準(zhǔn)NEMA NU 2-1994：Performance Measurements of Positron Emission Tomographs，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了空間分辨力、散射分?jǐn)?shù)、靈敏度、計(jì)數(shù)丟失、均勻度等參數(shù)的檢測(cè)方法，并推薦NEMA NU 2-1994 PET 模體（圖1）用于相關(guān)參數(shù)的檢測(cè)，該模體為外徑203 mm，長(zhǎng)度190 mm 的空心圓柱體，模體內(nèi)置三個(gè)圓柱形插件，向插件內(nèi)灌入不同放射源可檢測(cè)不同參數(shù)[10]。1998 年，國(guó)際電工委員會(huì)（International Electrotechnical Commission，IEC）發(fā)布IEC 61675 1-1998：Radionuclide Imaging Devices-Characteristics and Test Conditions. Part 1: Positron Emission Tomographs，該標(biāo)準(zhǔn)提出PET 圖像質(zhì)量的檢測(cè)方法并規(guī)定使用NEMA IEC 軀干模體（圖2）進(jìn)行圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)，該模體為仿軀干型空腔式結(jié)構(gòu)，內(nèi)置6 個(gè)不同尺寸的空心球用于圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)，模體中心插入與模體等高的圓柱體用于散射和衰減校正[11]。

圖1 NEMA NU 2-1994 PET 模體

圖2 NEMA IEC 軀干模體

隨著PET 技術(shù)的進(jìn)步，特別是軸向FOV 的增加，全身顯像檢查開(kāi)始增多，原有的性能檢測(cè)方法和模體已無(wú)法完全滿足PET 性能檢測(cè)需求[12]，因此NEMA 在2001 年發(fā)布的NEMA NU 2-2001 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)檢測(cè)方法和模體進(jìn)行大幅度的修改。NEMA NU 2-2001 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定散射分?jǐn)?shù)、計(jì)數(shù)丟失和隨機(jī)符合使用外徑為203 mm、長(zhǎng)度為700 mm 的圓柱型散射模體進(jìn)行檢測(cè)（圖3a）。靈敏度使用5 根內(nèi)外徑不同、長(zhǎng)度均為700 mm 的管狀靈敏度模體進(jìn)行檢測(cè)（圖3b）。圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)部分的內(nèi)容主要引自IEC 61675 1-1998 標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用NEMA IEC 軀干模體對(duì)PET 圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估[13]。此后，NEMA 分別在2007 年和2012 年對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，但與NEMA NU 2-2001 相比并無(wú)重大變化。隨后，IEC 在2013 年發(fā)布的IEC61675 1-2013 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)NEMA 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了引用，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用NEMA 散射模體對(duì)散射分?jǐn)?shù)及靈敏度等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)；此外，IEC 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)PET-CT配準(zhǔn)精度的檢測(cè)方法做出規(guī)定，檢測(cè)方法為計(jì)算PET 圖像和CT 圖像中NEMA IEC 軀干模體內(nèi)6 個(gè)球體在X、Y、Z軸3 個(gè)方向上的偏差[14]。隨著TOF 技術(shù)逐漸成熟的應(yīng)用于PET-CT，NEMA 在2018 年最新發(fā)布的NEMA NU 2-2018標(biāo)準(zhǔn)中加入TOF 分辨力測(cè)量以及PET-CT 配準(zhǔn)精度測(cè)量，這是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中首次系統(tǒng)地提出TOF 分辨力的檢測(cè)方法和檢測(cè)工具，此外NEMA NU 2-2018 標(biāo)準(zhǔn)還對(duì)PET-CT 配準(zhǔn)精度的檢測(cè)方法和工具做出全新規(guī)定[15]。該標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布使PET-CT 性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)得到進(jìn)一步完善。

圖3 NEMA 散射模體（a）與NEMA 靈敏度模體（b）

NEMA 標(biāo)準(zhǔn)中使用的性能檢測(cè)方法和檢測(cè)模體適用于目前絕大多數(shù)PET-CT 設(shè)備，并且NEMA 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能檢測(cè)方法和檢測(cè)模體會(huì)根據(jù)PET-CT 技術(shù)的發(fā)展做出相應(yīng)的升級(jí)改進(jìn)，因此該標(biāo)準(zhǔn)在全球范圍內(nèi)得到了最廣泛的認(rèn)可[16-17]。

自CT 設(shè)備于1972 年應(yīng)用于臨床開(kāi)始，CT 設(shè)備的性能檢測(cè)技術(shù)就受到了普遍重視[18]。1977 年，美國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)家學(xué)會(huì)（American Association of Physical Medical，AAPM）發(fā)布第1 號(hào)報(bào)告AAPM Report No.001: Phantoms for Performance Evaluation and Quality Assurance of CT Scanners（1977），首次系統(tǒng)地提出了CT 設(shè)備性能檢測(cè)的方法及模體（圖4a）[19]。1989 年，德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（Deutsches Institut für Normung，DIN）和日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)查會(huì)（Japanese Industrial Standards Committee，JISC） 針 對(duì)CT 設(shè) 備 性能參數(shù)、掃描用模體及圖像質(zhì)量等方面發(fā)布了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[18]。1994 年，IEC 發(fā) 布 的IEC 61223-2-6-1994 Evaluation and routine testing in medical imaging departments-Part 2-6: Constancy tests-X-ray equipment for computed tomography 是對(duì)CT 設(shè)備穩(wěn)定性測(cè)試較為科學(xué)、權(quán)威的新規(guī)定，是第一部CT 設(shè)備國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)[20]，此標(biāo)準(zhǔn)在2006 年被IEC 做出修訂。1999 年，IEC 發(fā)布的IEC 60601-2-44-1999 Medical electrical equipment-Part 2-44: Particular requirements for the safety of X-ray equipment for computed tomography 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)CT 設(shè)備的安全性能做了規(guī)定[21]，此后IEC 對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)做出多次修訂，目前最新的版本為IEC 60601-2-44 Edition 3.2-2016。2017 年，美國(guó)放射物理協(xié)會(huì)（American college of radiology，ACR）和AAPM 修訂了CT 設(shè)備診斷醫(yī)學(xué)物理性能的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并推薦使用GAMMEX 464 模體（圖4b）對(duì)CT 設(shè)備的CT 值、密度分辨力、空間分辨力等性能參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，此技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)成為現(xiàn)在國(guó)際上比較通用的CT 檢測(cè)規(guī)范[18,22-23]。此外，美國(guó)模體實(shí)驗(yàn)室研制的多參數(shù)集合性能檢測(cè)模體Catphan 系列CT 性能檢測(cè)模體（圖4c）使用范圍也較為廣泛[24-25]，該模體可用于層厚精度、空間分辨力、密度分辨力、場(chǎng)均勻性等參數(shù)的檢測(cè)。

圖4 不同類型性能檢測(cè)模體

2 PET-CT性能檢測(cè)方法的研究進(jìn)展

隨著PET-CT 技術(shù)的快速發(fā)展，探測(cè)器閃爍晶體材料、閃爍晶體單元、光電轉(zhuǎn)換器件、圖像重建算法等因素均會(huì)對(duì)PET-CT 的性能產(chǎn)生影響[26]。研究PET-CT 各項(xiàng)性能參數(shù)的檢測(cè)方法對(duì)于準(zhǔn)確了解設(shè)備的性能指標(biāo)、探究影響設(shè)備性能參數(shù)的因素等方面意義重大，從而促進(jìn)PET-CT 技術(shù)的發(fā)展。

2.1 空間分辨力

空間分辨力表示PET 探測(cè)器能夠分辨最小物體的能力。通過(guò)測(cè)定空氣中點(diǎn)源重建圖像的半高寬（FWHM）和十分之一高寬（FWTM）[15]，可反映PET 最佳狀況下能達(dá)到的最高分辨性能，從而得到PET 設(shè)備空間分辨力[27]。Suljic 等[28]在研究影響PET 設(shè)備空間分辨力的因素時(shí)發(fā)現(xiàn)，在探測(cè)器中應(yīng)用硅光電倍增管（Silicon Photo Multiplier，SiPM）、增加閃爍晶體數(shù)量、縮小單個(gè)閃爍晶體橫截面積均可有效提升空間分辨力，TOF 技術(shù)對(duì)于空間分辨力無(wú)明顯影響但可以有效提高圖像信噪比及對(duì)比度[29]，而在檢測(cè)過(guò)程中使用PSF 技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行重建可明顯提高空間分辨力并減少失真[28,30]。

2.2 散射分?jǐn)?shù)，計(jì)數(shù)丟失和隨機(jī)符合

正電子發(fā)生湮滅反應(yīng)后發(fā)射的γ 射線與周?chē)镔|(zhì)相互作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生散射，并最終導(dǎo)致錯(cuò)誤的符合事件定位，散射符合會(huì)使采集的信噪比下降，使圖像質(zhì)量變差[3]。不同品牌型號(hào)的PET 設(shè)備在設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)配置等方面各有特點(diǎn)，它們對(duì)散射符合有不同的敏感度，散射分?jǐn)?shù)是指散射符合占散射符合與真符合之和的比例，可反映PET 設(shè)備對(duì)散射符合的敏感程度。計(jì)數(shù)丟失和隨機(jī)符合率可用于表達(dá)PET采集高放射性活度的能力[31]。使用NEMA 散射模體在較寬的活度范圍內(nèi)測(cè)量計(jì)數(shù)率隨放射性源活度的變化即可獲得PET 散射分?jǐn)?shù)、計(jì)數(shù)丟失、隨機(jī)符合率等性能參數(shù)[15]。

2.3 靈敏度

靈敏度表示設(shè)備使用的放射源活度所產(chǎn)生的計(jì)數(shù)丟失處在可以忽略的水平時(shí)，設(shè)備對(duì)符合事件的探測(cè)率，主要用于反映探測(cè)器所覆蓋的立體角和探測(cè)器效率[32]。使用NEMA靈敏度模體和計(jì)數(shù)丟失小于5%的低活度18F 放射源測(cè)量總計(jì)數(shù)率和測(cè)量時(shí)間并計(jì)算靈敏度。靈敏度越高，所需采集時(shí)間越低，患者負(fù)擔(dān)越輕，注射劑量越低，患者所受輻射越低；TOF 技術(shù)可以在一定程度上提高PET 靈敏度[32]。

2.4 圖像質(zhì)量、衰減和散射較正

圖像質(zhì)量是PET-CT 性能優(yōu)劣的終端呈現(xiàn)，PET-CT 圖像直接影響臨床診斷，因此，圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)是PET-CT 性能檢測(cè)技術(shù)的重中之重。探測(cè)器性能和圖像重建算法等因素都會(huì)影響圖像質(zhì)量，研究不同圖像重建算法及技術(shù)對(duì)于不同類型患者的成像質(zhì)量的影響，可以幫助我們使用最準(zhǔn)確恰當(dāng)?shù)闹亟ㄋ惴凹夹g(shù)以發(fā)揮設(shè)備的最佳性能，從而提高圖像質(zhì)量。

按照NEMA 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的PET 圖像質(zhì)量檢測(cè)方法[15]，檢測(cè)人員可使用NEMA IEC 軀干模體對(duì)PET-CT 進(jìn)行圖像質(zhì)量檢測(cè)，然后比較不同圖像重建方式對(duì)于圖像質(zhì)量的影響。國(guó)內(nèi)外眾多研究發(fā)現(xiàn)，TOF 技術(shù)能有效提升圖像對(duì)比度和提升衰減和散射校正精度，而PSF 技術(shù)能有效提升本底變化率，TOF 技術(shù)和PSF 技術(shù)聯(lián)合使用時(shí)對(duì)小病灶效果顯著[16,27,29,31,33-34]。Taniguchi 等[35]通過(guò)在NEMA IEC軀干模體外部增加圓柱型水模的方式模擬超重患者來(lái)檢測(cè)PET-CT 掃描超重患者時(shí)的成像質(zhì)量，其研究結(jié)果表明，OSEM+PSF+TOF 的圖像重建方式能夠有效提高超重患者的PET-CT 圖像質(zhì)量。

2.5 CT性能檢測(cè)

CT 的性能參數(shù)主要包括：檢查床定位精度、CT 值、CT 噪聲、空間分辨力、密度分辨力、層位置精度、層厚精度等。CT 設(shè)備的性能檢測(cè)技術(shù)發(fā)展時(shí)間較長(zhǎng)，性能檢測(cè)方法較為成熟，目前通常使用Catphan 系列CT 性能檢測(cè)模體或GAMMEX 464 型ACR CT 性能檢測(cè)模體等多參數(shù)性能檢測(cè)模體對(duì)PET-CT 的CT 部分進(jìn)行性能檢測(cè)[23,36]。由于PET 圖像的分辨率和解剖定位都相對(duì)較差，需要CT 圖像準(zhǔn)確描述病變的大小、位置、形態(tài)等解剖學(xué)特性，因此空間分辨力、層位置精度、層厚精度等是PET-CT 中CT部分的重要性能參數(shù)[1,37-39]。此外，PET 成像所需的放射性示蹤劑和CT 設(shè)備產(chǎn)生的X 射線均有可能會(huì)對(duì)人體造成電離輻射損傷，因此控制CT 設(shè)備的輻射劑量至關(guān)重要。JJG 961-2017 醫(yī)用診斷螺旋CT X 射線輻射源對(duì)CT 設(shè)備的劑量指數(shù)、CT 值、空間分辨力等性能參數(shù)的檢測(cè)方法、檢測(cè)工具、性能要求等方面均有詳細(xì)規(guī)定[40]。程李等[41]學(xué)者利用包含衰減信息的TOF PET 數(shù)據(jù)以及PET 圖像、CT 圖像結(jié)構(gòu)上的相似性，通過(guò)數(shù)值模擬的方法進(jìn)行驗(yàn)證研究發(fā)現(xiàn)，引入TOF PET 數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合重建后可以改善臨床低劑量CT 的圖像質(zhì)量。

2.6 PET-CT配準(zhǔn)精度

PET-CT 將PET 圖像的功能信息CT 圖像的結(jié)構(gòu)信息精準(zhǔn)的融合是其最大的優(yōu)勢(shì)，可以顯著提高診斷的準(zhǔn)確性，其圖像的生成是通過(guò)軟件將PET 和CT 獨(dú)立產(chǎn)生的兩種圖像配準(zhǔn)進(jìn)行融合得到的。雖然PET 和CT 的掃描在同一檢查床上完成，但圖像融合的精度仍然受到掃描床的位移、人體器官位移等因素的影響，因此，對(duì)PET-CT 配準(zhǔn)精度的檢測(cè)十分重要[9,42]。目前，PET-CT 配準(zhǔn)精度的測(cè)量方法較為多樣。IEC61675 1-2013 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定使用NEMA IEC 軀干模體來(lái)測(cè)量配準(zhǔn)精度，通過(guò)計(jì)算模體內(nèi)球體PET圖像和CT 圖像的球心偏差得到配準(zhǔn)精度結(jié)果[14]。國(guó)內(nèi)通常使用YY/T 0829-2011《正電子發(fā)射及X 射線計(jì)算機(jī)斷層成像系統(tǒng)性能和試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中推薦的檢測(cè)方法進(jìn)行PET-CT 配準(zhǔn)精度的檢測(cè)；該標(biāo)準(zhǔn)在IEC61675 1-2013 標(biāo)準(zhǔn)中檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上對(duì)檢查床上增加負(fù)重，以模擬人體重量對(duì)PET-CT 配準(zhǔn)精度產(chǎn)生的影響[43]。NEMA 最新發(fā)布的NEMA NU 2 2018 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)PET-CT 配準(zhǔn)精度的檢測(cè)方法、檢測(cè)工具以及配準(zhǔn)精度算法做出了全新規(guī)定，要求使用兩組相距95 cm 的點(diǎn)源對(duì)PET-CT 配準(zhǔn)精度進(jìn)行檢測(cè)[15]；該方法在模擬人體重量帶來(lái)的影響的基礎(chǔ)上，可檢測(cè)PET-CT在多視野、多位置內(nèi)的配準(zhǔn)精度，使PET-CT 配準(zhǔn)精度檢測(cè)方法的全面性及精準(zhǔn)度得到提高。

3 總結(jié)

安全穩(wěn)定的運(yùn)行和質(zhì)量保證是PET-CT 得以迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的前提，性能檢測(cè)是了解PET-CT 質(zhì)量及性能指標(biāo)最直接和客觀的方式，圖像質(zhì)量作為直接影響臨床診斷的重要參數(shù)在性能檢測(cè)技術(shù)研究中受到重點(diǎn)關(guān)注。NEMA 標(biāo)準(zhǔn)性能檢測(cè)方法和性能檢測(cè)模體在全球范圍內(nèi)應(yīng)用最廣，但并未考慮到PET-CT 參數(shù)設(shè)置對(duì)設(shè)備性能表現(xiàn)造成的影響，圖像質(zhì)量模體不能完全滿足復(fù)雜或微小病灶的圖像質(zhì)量檢測(cè)。許多學(xué)者基于NEMA 標(biāo)準(zhǔn)研究新的PET-CT 性能檢測(cè)方法和性能檢測(cè)模體，開(kāi)發(fā)新的性能檢測(cè)模體時(shí)，在滿足當(dāng)下檢測(cè)需求的前提下，還應(yīng)預(yù)留一些功能以滿足PET-CT 技術(shù)發(fā)展所帶來(lái)了性能檢測(cè)需求。