NEMA NU2-2018標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18988.1-2013的主要差異

付國濤，王培臣，焦春營，劉迪

1 北京市醫(yī)療器械檢驗(yàn)研究院 (北京 101111)；2 醫(yī)療器械檢驗(yàn)與安全性評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)試驗(yàn)室 (北京 101111)；3 放療設(shè)備監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)試驗(yàn)室 (北京 101111)

GB/T 18988.1-2013《放射性核素成像設(shè)備 性能和試驗(yàn)規(guī)則 第1部分：正電子發(fā)射斷層成像裝置》是我國現(xiàn)行的正電子發(fā)射斷層成像裝置(position emission tomography，PET)性能測(cè)試執(zhí)行的重要推薦性標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)等同采用國際電工委員會(huì)(International Electrote-chnical Commision，IEC)發(fā)布的IEC 61675—1：1998《Radionuclide imaging device-Characteristics and test conditions-Part 1：Position emission tomography》。由于PET主要制造商的生產(chǎn)場地均在美國[1]，其性能測(cè)試均以美國電氣制造商協(xié)會(huì)(National Electrical Manufacturers Association，NEMA)發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)為主，因此GB/T 18988.1-2013將NEMA NU2-2007《Performance Measurements of Positron Emission Tomographs》的內(nèi)容作為附錄引入。由于IEC 61675—1：1998與NEMA NU2-2007在測(cè)試方法上存在一定差別，所以在標(biāo)準(zhǔn)使用過程中應(yīng)完整地引用兩種方法中的任意一種。目前，NUMA NU2-2007標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)經(jīng)歷了兩次較大的版本更新，分別為NEMA NU2-2012和NEMA NU2-2018，我國現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與NEMA最新標(biāo)準(zhǔn)(即NEMA NU2-2018)相比已經(jīng)落后兩個(gè)版本。本文主要對(duì)比了最新版NEMA標(biāo)準(zhǔn)NEMA NU2-2018與現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18988.1-2013附錄部分(即NEMA NU2-2007)的差異，并探討這些差異對(duì)PET性能測(cè)試所產(chǎn)生的影響，使相關(guān)企業(yè)和檢測(cè)機(jī)構(gòu)能更深入地理解新版標(biāo)準(zhǔn)的主要變化，為該標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)化提供參考。

1 現(xiàn)行國標(biāo)GB/T 18988.1-2013簡介

GB/T 18988.1-2013規(guī)定了PET性能測(cè)試的測(cè)試方法[2-4]，主要測(cè)試內(nèi)容包括空間分辨率、散射分?jǐn)?shù)、計(jì)數(shù)損失和偶然符合測(cè)量、靈敏度、精確性(計(jì)數(shù)損失與偶然符合計(jì)數(shù)校正)、圖像質(zhì)量及衰減校正與散射校正的精確性等，測(cè)試目的是提供一組可以比較的PET性能測(cè)量值，測(cè)試結(jié)果可由制造商引用作為PET的性能特征。隨著PET性能測(cè)試方法的逐漸成熟，潛在用戶可能會(huì)采用這些測(cè)試方法來比較不同制造商生產(chǎn)的設(shè)備性能，該標(biāo)準(zhǔn)制定的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法有助于用戶進(jìn)行驗(yàn)收測(cè)試。但GB/T 18988.1-2013并未定義PET性能指標(biāo)的限值要求或者典型值要求，而是將測(cè)試細(xì)節(jié)(如數(shù)據(jù)采集頻率等指標(biāo))留給制造商來確定，同時(shí)由于進(jìn)行各種測(cè)試的困難程度和每個(gè)測(cè)試結(jié)果的精度各不相同，采用哪一個(gè)結(jié)果作為設(shè)備性能的典型值也由制造商來確定。此外，該標(biāo)準(zhǔn)制定的測(cè)試方法主要針對(duì)用于全身腫瘤成像的PET，并不能反映其他類型PET(如腦部成像專用PET)的最佳性能；該標(biāo)準(zhǔn)假定使用此標(biāo)準(zhǔn)的PET系統(tǒng)均可創(chuàng)建正弦圖和斷層切片圖像，并能夠確定和操作二維圓形或者方形的感興趣區(qū)域以及能夠獲取在特定時(shí)間間隔內(nèi)探測(cè)到的符合事件計(jì)數(shù)等參數(shù)，系統(tǒng)的橫向視野大小應(yīng)當(dāng)適用于人體檢查。除了圖像質(zhì)量測(cè)試之外，其他所有測(cè)試的可用直徑至少應(yīng)大于260 mm，并且使用的模體長度均為70 cm，為了測(cè)得所有斷層切片的性能，軸向視野應(yīng)不大于65 cm。對(duì)于圖像質(zhì)量測(cè)試，可用的掃描直徑應(yīng)至少為350 mm。雖然看起來圖像質(zhì)量測(cè)試可以適用于腦部成像PET系統(tǒng)，但需要注意該標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法是為全身PET系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，并不適用于專用腦部成像系統(tǒng)。

2 NEMA NU2-2018與GB/T 18988.1-2013的主要差異

與GB/T 18988.1-2013相比，NEMA NU2-2018的最大變化是增加了兩個(gè)新的章節(jié)[2]：第8章飛行時(shí)間(time-of-flight，TOF)分辨率和第9章PET/CT配準(zhǔn)精度。其他的差別是一些相對(duì)次要的變化，目的是使測(cè)試更加方便可行。

2.1 空間分辨率測(cè)試

GB/T 18988.1-2013要求測(cè)試所用放射源為18F，且要求放射源分布由少量濃縮放射性液體組成，盛裝液體的毛細(xì)玻璃管的內(nèi)徑為1 mm或更小，外徑不超過2 mm，放射性物質(zhì)在毛細(xì)玻璃管中的軸向長度不超過1 mm；而NEMA NU2-2018允許的測(cè)試所用放射源為18F和22Na，增加了一個(gè)可選的放射源22Na，同時(shí)明確要求放射源的分布為一個(gè)點(diǎn)狀的放射源(線源被指定為備選)，每一個(gè)點(diǎn)源都由在各個(gè)方向上不超過1 mm的濃縮放射性液體組成，可以用毛細(xì)玻璃管或者其他器具盛裝這些放射性物質(zhì)。

2.2 散射分?jǐn)?shù)、計(jì)數(shù)損失和偶然符合測(cè)試

GB/T 18988.1-2013要求測(cè)試模體放置在制造商提供的標(biāo)準(zhǔn)檢查床上，并使線源最接近檢查床，模體中心位于設(shè)備橫向和軸向視野的中心，誤差不超過5 mm，且在計(jì)數(shù)損失和偶然符合測(cè)試(涉及計(jì)數(shù)損失和偶然符合校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性測(cè)試及TOF分辨率測(cè)試，它們均使用同一測(cè)試數(shù)據(jù))的數(shù)據(jù)分析步驟中，并未提及具體的數(shù)據(jù)分析軸向區(qū)域；而NEMA NU2-2018為了使測(cè)試結(jié)果更加準(zhǔn)確，要求測(cè)試模體放置在指定位置，位于橫向視野的中心，床的底部位于橫向視野中心下方(15±1)cm處(等效于將患者放置在橫向視野的中心，實(shí)際操作時(shí)可以將塑料泡沫塊或其他類似物品放置在掃描系統(tǒng)視野外用于支撐測(cè)試模體)，同時(shí)要求數(shù)據(jù)分析區(qū)域不包括軸向視野中心80%區(qū)域之外的切片圖像。

2.3 圖像質(zhì)量測(cè)試

在對(duì)于放射源的分布描述中，GB/T 18988.1-2013要求在2個(gè)最大的球體(內(nèi)徑28、37 mm)中填充水，用于冷區(qū)成像，4個(gè)最小的球體(內(nèi)徑10、13、17、22 mm)中填充18F，用于熱區(qū)成像，球體的中心應(yīng)距離體部模體的端板68 mm，使它們?cè)谳S向上位于同一斷層內(nèi)；而NEMA NU2-2018中，內(nèi)徑28、37 mm的冷成像區(qū)被替換為熱成像區(qū)，所有的6個(gè)填充球均填充18F用于熱區(qū)成像，球體的中心應(yīng)距離體部模體的端板70 mm，使它們?cè)谳S向上位于同一斷層內(nèi)。

在對(duì)放射性核素的描述中，GB/T 18988.1-2013要求冷區(qū)應(yīng)充滿不含放射性物質(zhì)的水，熱區(qū)中應(yīng)填充放射性活度比本底高N倍的放射性物質(zhì)(N等于4和8)；而NEMA NU2-2018刪除了熱區(qū)和背景放射性活度比為8︰1的要求，所有的填充球內(nèi)均填充4倍于背景活度的放射性物質(zhì)。

在對(duì)于衰減校正和散射校正精確性的計(jì)算中，GB/T 18988.1-2013要求直徑為(30±2)mm的圓形感興趣區(qū)域應(yīng)位于肺插件的中心，對(duì)每層切片圖像i，記錄感興趣區(qū)域內(nèi)的平均像素值Clung,i,12個(gè)直徑為(30±2)mm的圓形本底感興趣區(qū)域應(yīng)位于每層本底感興趣區(qū)域所在處；而NEMA NU2-2018中，直徑為(30±2)mm的圓形感興趣區(qū)域同樣位于肺插件的中心，需在去除肺插件邊緣30 mm以內(nèi)的切片圖像后再對(duì)肺插件內(nèi)的切片和感興趣區(qū)域進(jìn)行處理。

2.4 第8章TOF分辨率

NEMA NU2-2018新增加的第8章TOF分辨率[5]是為了提高TOF測(cè)試的精度。TOF分辨率被表征為探測(cè)器響應(yīng)的半高全寬(full width at half-maximum amplitude，F(xiàn)WHM)。該測(cè)試方法表征了探測(cè)數(shù)據(jù)固有的TOF分辨率，并不涉及重建過程或者TOF重建圖像，所采用的模體與散射分?jǐn)?shù)測(cè)試的模體相同，所采用的放射源為18F(18F活度應(yīng)足夠高，使得采集的噪聲等效計(jì)數(shù)率曲線中包含峰值)；放射源的位置與數(shù)據(jù)采集過程等與散射分?jǐn)?shù)測(cè)試基本相同。被測(cè)響應(yīng)線與模體的空間位置關(guān)系見圖1。

圖1 響應(yīng)線與線源的最短間距示意

TOF分辨率測(cè)試的數(shù)據(jù)處理與分析中，線源方向的單位向量為：

(1)

響應(yīng)線(line-of-response，LOR)方向的單位向量為：

(2)

LOR和線源的間距為：

(3)

式中，r為響應(yīng)線到線源的最短間距。LOR上距離線源間距最近的點(diǎn)為：

(4)

測(cè)試TOF與期望TOF的時(shí)間偏差為：

(5)

式中，t1、t2為一對(duì)符合事件中兩個(gè)光子各自的到達(dá)時(shí)間(單位為ps)。

減去隨機(jī)符合計(jì)數(shù)與散射符合計(jì)數(shù)后的一維時(shí)間直方圖用公式計(jì)算：

(6)

式中，Cj(t,r)為第j次采集形成的二維計(jì)數(shù)直方圖，CL,t,j、CR,t,j為以Cj(t,r)為中心，在40 mm帶寬內(nèi)左側(cè)和右側(cè)各自的計(jì)數(shù)。

根據(jù)獲得的一維時(shí)間直方圖Cj(r)，計(jì)算直方圖FWHM作為TOF分辨率。

2.5 第9章PET/CT配置精度

新增加的第9章PET/CT配置精度[6-7]是為了測(cè)定PET數(shù)據(jù)和CT數(shù)據(jù)直接的配準(zhǔn)誤差。該測(cè)試需獲取位于PET和CT感興趣區(qū)域內(nèi)的6個(gè)位置的基準(zhǔn)標(biāo)記物的重建數(shù)據(jù)，并且在檢查床上均勻放置115 kg的配重來模擬患者，要求提供數(shù)據(jù)中基準(zhǔn)標(biāo)記物的分布寬度，基準(zhǔn)標(biāo)記物的中心位置可通過計(jì)算獲得，配準(zhǔn)精度誤差通過計(jì)算基準(zhǔn)標(biāo)記物中心的距離確定。基準(zhǔn)標(biāo)記物應(yīng)分別滿足PET成像和CT成像的要求，重建圖像的中心應(yīng)一致，大小應(yīng)滿足特定的要求，包含的放射性物質(zhì)可以為18F和22Na，并且CT值應(yīng)大于500 HU。模擬患者的配重為(115±2.5)kg，其中一半的質(zhì)量均勻分布在直徑為65 cm的區(qū)域內(nèi)，該范圍與檢查床的近端距離為20 cm，剩余的質(zhì)量均勻分布在直徑為65 cm的區(qū)域內(nèi)，兩個(gè)區(qū)域中間的距離為30 cm。采集過程中檢查床的高度固定，位于橫向感興趣區(qū)域中心下方(15±1)cm處。6個(gè)基準(zhǔn)標(biāo)記物分為兩組，放置在兩個(gè)橫向平面上，其中一個(gè)平面位于床近端5 cm處，另外一個(gè)平面位于床近端100 cm處。在橫向平面中，3個(gè)基準(zhǔn)標(biāo)記物的坐標(biāo)分別為(0，1)cm、(0，20)cm和(20，0)cm。所有的斷層圖像均應(yīng)使用制造商推薦的用于全身成像的標(biāo)準(zhǔn)重建算法進(jìn)行重建，并應(yīng)計(jì)算6個(gè)基準(zhǔn)標(biāo)記物的最大誤差。

3 討論

NEMA NU2-2018最大的變化是增加了兩個(gè)章節(jié)，即第8章TOF分辨率和第9章PET/CT配準(zhǔn)精度。

TOF分辨率表征探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)光子對(duì)到達(dá)探測(cè)器時(shí)間差的不確定性[5]。TOF技術(shù)理論于20世紀(jì)60年代被提出，但直到2000年左右，該理論才被逐漸應(yīng)用于臨床，目前是PET最熱門和最核心的技術(shù)[8]，很多制造商都在積極深入地研發(fā)TOF技術(shù)。TOF-PET與傳統(tǒng)PET最大的區(qū)別在于，其能根據(jù)兩個(gè)伽瑪光子飛行到兩端晶體條的時(shí)間差，來確定湮滅反應(yīng)發(fā)生在LOR上的大致位置。由于傳統(tǒng)PET無法預(yù)知湮滅反應(yīng)發(fā)生的位置，因而只能將每條LOR對(duì)應(yīng)的事例等權(quán)重分配到該LOR經(jīng)過的所有路徑，而TOF-PET能夠按照不同的權(quán)重對(duì)LOR上的計(jì)數(shù)進(jìn)行分配，可以帶來更好的圖像質(zhì)量、更少的用藥劑量、更快的采集速度。TOF分辨率是體現(xiàn)設(shè)備性能的重要參數(shù)，因此NEMA NU2-2018引入了TOF分辨率的測(cè)試。

PET和CT系統(tǒng)集成在一起的一體化成像系統(tǒng)經(jīng)過十多年的快速發(fā)展，目前已經(jīng)是核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的主流產(chǎn)品，其目的是將兩種成像模態(tài)圖像結(jié)合起來，呈現(xiàn)出解剖結(jié)構(gòu)圖像和功能圖像的多方面信息，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。PET數(shù)據(jù)和CT數(shù)據(jù)之間的配準(zhǔn)精度對(duì)圖像重建過程中的衰減校正處理和感興趣的解剖結(jié)構(gòu)的定位是非常關(guān)鍵的，許多系統(tǒng)校正了PET和CT系統(tǒng)機(jī)架的機(jī)械偏差，將殘余配準(zhǔn)誤差減小到最低，這對(duì)于衰減校正和定位是非常重要的。配準(zhǔn)的誤差在一定程度上影響對(duì)圖像的解讀，因此NEMA NU2-2018加入了PET/CT配準(zhǔn)精度的測(cè)試。

NEMA NU2-2018的其他變化，如空間分辨率、散射分?jǐn)?shù)等，主要是為了使測(cè)試更加容易進(jìn)行，具有更好的重復(fù)性，對(duì)位置放置等的描述更加清楚。在圖像質(zhì)量測(cè)試中，內(nèi)徑28、37 mm的冷成像區(qū)被同樣大小的熱成像區(qū)代替，考慮的是正常的生物組織中不會(huì)有如此大的冷成像區(qū)，而比較大的冷成像區(qū)可能并不是軟組織(一般為骨骼等結(jié)構(gòu))，所以設(shè)置兩個(gè)冷成像區(qū)并不能準(zhǔn)確地模仿人體組織；而刪除了熱區(qū)和背景放射性活度比為8︰1的要求，主要考慮到PET技術(shù)的進(jìn)步，腫瘤等高代謝疾病區(qū)域均可以被早期發(fā)現(xiàn)，臨床上較少出現(xiàn)活度比為8︰1的情形，而活度比為4︰1的情形則是更為常見的情況，因此活度比為4︰1的定量結(jié)果更能反映臨床實(shí)際使用情況；肺插件的殘差分析去除肺插件邊緣30 mm以內(nèi)的切片圖像，是由于每項(xiàng)測(cè)試均應(yīng)盡可能測(cè)試設(shè)備所能達(dá)到的最好性能，而軸向邊緣的數(shù)據(jù)容易受到兩端其他物質(zhì)的成像數(shù)據(jù)影響，從而導(dǎo)致定量結(jié)果變差，去除肺部邊緣比較大的范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，可保證得到系統(tǒng)能達(dá)到的最好肺部區(qū)域的成像能力；對(duì)于將模體位置的擺放，明確為應(yīng)將其放置在床體上，既使床體不能升高到使模體中心與系統(tǒng)中心對(duì)應(yīng)的位置，也禁止將模體懸在床體上方，這樣的擺放要求可以保證測(cè)試模體的擺放方式與患者實(shí)際檢查的位置保持一致，避免為了獲取好的模體定量測(cè)試結(jié)果，而將模體懸空放置的情況出現(xiàn)。

4 小結(jié)

綜上所述，NEMA NU2-2018相比于GB/T18988.1-2013，引入了TOF分辨率和PET/CT配準(zhǔn)精度的測(cè)試，改進(jìn)了一些測(cè)試方法，其要求更加明確、更具有針對(duì)性和可操作性，并且順應(yīng)了PET設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)，有利于促進(jìn)新技術(shù)的發(fā)展和運(yùn)用，能夠更好地反映設(shè)備的性能，具有先進(jìn)性和科學(xué)性。本研究淺析了標(biāo)準(zhǔn)變化的情況，以期為制造商及檢測(cè)和監(jiān)管部門提供參考，并為新版國家標(biāo)準(zhǔn)的制修訂提供參考和必要的依據(jù)。