基于NEMA NU 2-2007標準測試國產uEXPLORER PET系統性能

蔣 梨，黃衍超，李洪生，韓彥江，王巧愚，王靜怡，王全師*

(1.南方醫科大學南方醫院PET中心，廣東 廣州 510515；2.上海聯影智能醫療科技有限公司，上海 201807)

自20世紀70年代以來，PET技術得到顯著發展，多環探測器、模塊化晶體、3D采集及飛行時間(time of flight, TOF)等技術相繼出現[1-3]，顯著提高了PET探測器的探測能力和空間分辨率。目前臨床所用PET探測器軸向視野(field of view, FOV)多較短(15～25 cm)，無法探測超出其范圍的光子，使得探測器的光子計數效率低下[4]，通常需要增加掃描時間以提高圖像信噪比，單次成人全身PET/CT檢查約需6～8個床位，耗時15～20 min。長時間掃描難以保證受檢者位置始終保持不變，且限制了PET/CT應用效率的最大化。本研究根據美國國家電器制造協會(National Electrical Manufacturers Association, NEMA)發布的 NEMA NU 2-2007標準對uEXPLORER系統的探測器物理性能進行了測試與評估，并對4名志愿者行全身PET/CT掃描，初步觀察該系統的臨床應用性能。

1 材料與方法

1.1 uEXPLORER系統 為上海聯影醫療科技有限公司研制的全身PET/CT探測系統，其探測器晶體由硅酸釔镥(LYSO)晶體陣列耦合硅光電倍增器件(silicon photomultiplier, SiPM)組成，每一晶體尺寸為2.76 mm×2.76 mm×18.00 mm，共564 480塊晶體、672個晶體環，具有700 mm孔徑與1 940 mm的軸向FOV。

1.2 性能指標 包括空間分辨率、系統靈敏度、散射分數與噪聲等效計數率(noise equivalent count rate, NECR)[5]等。

1.2.1 空間分辨率 測定空氣中點源重建圖像的半高寬(full width at half maximum, FWHM)和十分之一高寬(full width at tenth maximum, FWTM)，觀察系統在最佳狀況下所能達到的最高分辨性能[6]。利用3根內徑1 mm的毛細玻璃管吸取長度約1 mm(目視)的18F水溶液[比活度為25 mCi/ml(925 MBq/ml)]，制成實驗測量點源。將測量工裝安裝在掃描床上，并將3根毛細玻璃管分別插在工裝的3個位置上，其坐標(X，Y)位置分別是(0,10)、(100,0)及(0,100)，分別放置于PET探測器的軸向FOV中心(1/2 AFOV)與偏離中心1/4軸向FOV(1/4 AFOV)處進行掃描。于每個擺放位置靜態掃描10 min，之后采用濾波反投影法(filtered back projection，FBP)重建圖像，維度為1 023×1 023，像素尺寸為0.6 mm×0.6 mm。

1.2.2 系統靈敏度 采用NEMA PET靈敏度模體測量系統靈敏度，該模體由5個長度均為70 cm、管壁厚2.5 mm同心鋁套管組成。將總活度約為5 MBq的18F-FDG溶液灌注到直徑2 mm的塑料軟管中，制成長度為70 cm的均勻放射性線源，將線源插入尺寸最小的鋁套管，并置于PET探測FOV中心進行靜態掃描；將剩余套管按孔徑從小到大順序依次套在已采集的鋁管外，并進行掃描，采集時間均為5 min；隨后將線源置于偏離FOV中心10 cm位置處，重復進行上述掃描。采用延遲符合法對所得數據進行隨機校正，并于工作站進行分析。

1.2.3 散射分數與NECR 專用體模為實心聚乙烯圓柱，直徑為200 mm，長為700 mm，在偏離軸心45 mm處由直徑6.4 mm小孔，用于插入長70 cm的18F-FDG線源。將體模置于FOV中心，使線源孔位于體模中心軸正下方，線源起始活度為25 mCi(925 MBq)，隨著18F-FDG活度衰減，分多次進行數據采集與處理。根據所得結果分別計算不同活度下的總計數率、真符合計數率、隨機計數率、散射計數率、NECR及散射分數。總符合計數率為FOV中的總計數率，即真符合計數率、隨機符合計數率與散射符合計數率之和[7]。

1.3 初步臨床應用 對4例志愿者(表1)于注射藥物并靜息約60 min后行全身PET掃描。uEXPLORER全身成像的臨床常規重建協議采用有序子集最大期望值法(ordered subset expectation maximization, OSEM)(2次迭代和20個子集)，圖像大小為192×192，FOV為600 mm，并以3 mm高斯濾波器進行后濾波；頭部成像臨床常規重建協議則采用OSEM(4次迭代和20個子集)，圖像大小為256×256，FOV為256 mm，以3 mm高斯濾波器進行后濾波。志愿者4為左側輸尿管腫瘤患者，先以Biograph mCT行全身PET掃描(7個床位，采用TrueX+TOF算法重建，3次迭代和21個子集，圖像大小為200×200，FOV為600 mm，使用4 mm高斯濾波器)，發現左側輸尿管上段管壁局限性增厚、代謝增高；予呋塞米促排尿[8]并休息4 h后以uEXPLORER行延遲顯像。

表1 4例志愿者基本信息

2 結果

2.1 空間分辨率 測試結果見表2。

表2 基于 NEMA NU 2-2007標準測試uEXPLORER PET系統的空間分辨率結果(mm)

2.2 靈敏度 系統靈敏度在FOV中心位置的峰值為178.000 kcps/MBq，在偏離FOV中心10 cm位置處的峰值為184.477 kcps/MBq，見圖1。

圖1 uEXPLORER PET系統靈敏度軸向曲線 A.FOV中心；B.偏離FOV中心10 cm

2.3 散射符合、隨機符合及計數損失 真符合計數率與散射計數率隨放射性活度增高而加大，至活度為40.03 kBq/ml時，真符合計數率達到峰值，為5 664.7 kcps；散射分數較大時，放射性活度變化范圍35.8%～37.2%；隨機計數率則隨放射性活度呈非線性快速增長，在高活度時逐漸占據主導地位。放射性活度為18.7 kBq/ml時, NECR峰值達到1 548.95 kcps，之后隨放射性活度增大而逐漸下降。見圖2。

圖2 uEXPLORER PET系統的散射符合、隨機符合及計數損失測量結果 A.不同放射性活度對應的計數率；B.不同放射性活度對應的NECR；C.不同放射性活度對應的散射分數

基于NEMA標準對uEXPLORER的物理性能指標與其他新型PET/CT產品，如Siemens Biograph Vision[9]、GE Discovery MI 5R[10]、Philips Vereos[11]進行比較，結果顯示uEXPLORER具有較高的空間分辨率(3 mm左右)、高靈敏度(178.000 kcps/MBq)和峰值NECR(1548.95 kcps)。見表3。

表3 4種PET/CT系統物理效能比較

2.4 臨床應用 uEXPLORER探測微小病灶的靈敏度高(圖3)；顱腦PET圖像可清晰顯示腦溝回結構，圖像分辨率較高(圖4)；全身PET掃描同時已行腦部PET重建，故無需單獨進行腦部PET掃描，與常規掃描5 min的MIP圖像相比，其掃描1 min的最大密度投影(maximum intensity projection, MIP)圖像并未出現肉眼可見的信息丟失(圖5)。無論在低劑量或低光子數計數情況下，uEXPLORER均可采集到可滿足臨床診斷的全身PET圖像。見圖6、7。

圖3 志愿者1，肺癌廣泛骨轉移 右肺中葉外側段見結節狀輕度異常濃聚影(十字標識)，約0.6 mm×0.7 cm，最大標準攝取值為2.8

圖4 志愿者1，顱腦PET圖像5 min腦PET顯像 A.軸位；B冠狀位；C.矢狀位

圖5 志愿者2，肺癌患者18F-FDG全身顯像 A.采集1 min；B.采集 5 min 圖6 志愿者3，低劑量18F-FDG全身顯像(0.05 mCi/kg體質量)

3 討論

目前PET/CT主要用于臨床早期診斷腫瘤和治療跟蹤，診斷神經系統、心臟疾病及研發新型探針，空間分辨率、靈敏度、散射分數及NECR是評價設備性能的重要指標。

光子計數率受注射藥物劑量、掃描時間、晶體探測效率以及探測器軸向FOV等綜合因素的影響，在不改變軸向FOV長度的情況下，通常選擇增加掃描時間或注射藥物劑量來以保證獲得足夠的光子計數。BADAWI等[12-13]發現，增加軸向FOV長度可以增益系統靈敏度。靈敏度表征PET系統在單位輻射劑量下每單位時間檢測的真實計數能力，系統靈敏度越高，表示光子探測效率越高，因此，提高PET系統探測真符合計數的能力是改善靈敏度最直接的方式。不同于以往傳統多床位掃描系統，uEXPLORER PET的軸向FOV為1 940 mm，由8個PET探測器單位組成，超長的軸向FOV使得光子對即便沿較大傾斜角發射仍能被探測到，從而形成有效計數，獲得足夠的光子計數。初步臨床測試中，對志愿者4在 首次掃描4 h后以uEXPLORER PET行延遲顯像，結果顯示在低光子計數的情況下，uEXPLORER顯像仍能提供可滿足診斷要求的圖像。同等指標下，PET系統靈敏度越高，對體內藥物濃度要求越低。對志愿者3將藥物劑量由10 mCi(370 MBq)降低40倍至250 μCi(18.5 MBq)后，uEXPLORER系統仍能實現高質量成像，即以之行低劑量成像具有可行性，使其在兒童等輻射敏感人群中的應用更為廣泛。

圖7 志愿者4，左側輸尿管腫瘤患者，左側輸尿管管壁局限性增厚(十字標識)，最大標準攝取值為11.2 A.早期顯像(Biograph mCT)；B.延遲顯像(uEXPLORER)

uEXPLORER系統的靈敏度高于傳統設備數十倍[14-16]，同等成像條件下可獲得更高的圖像信噪比，繼而得到更高的空間分辨率，有利于臨床檢出小病灶，早期發現與診斷腫瘤，有效提高治療效果并改善預后，具有重大應用前景與優勢。此外，uEXPLORER系統通過1個床位掃描即可實現探測全身各臟器、組織，將機體作為一個整體進行觀察，為實現全身動態成像提供了路徑[17-18]。通過全身動態顯像可獲得探針代謝速率常數，更精確地鑒別良惡性腫瘤，對于新型探針的藥代動力學研究亦具有重大意義。

綜上，基于NEMA NU-2 2007標準對國產uEXPLORER PET系統的物理性能的評估結果表明，該系統具有較高的空間分辨率、系統靈敏度，具備一定臨床應用價值，有可能減少劑量或縮短掃描時間，并提高檢測小病變的能力。