中华放射医学与防护杂志  2018, Vol. 38 Issue (1): 52-55   PDF    
引用本文
宋颖, 刘辉. 两种晶体厚度的单光子发射计算机断层成像部分固有性能指标的比较[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2018, 38(1): 52-55, DOI: 10.3760/cma.j.issn.0254-5098.2018.01.011.
两种晶体厚度的单光子发射计算机断层成像部分固有性能指标的比较
宋颖 , 刘辉     
100088 中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所 辐射防护与核应急中国疾病预防控制中心重点实验室
收稿日期: 2017-07-31
通信作者: 刘辉, Email:liuhui310@126.com
[摘要] 目的 探索研究单光子发射计算机断层成像（SPECT）设备探头晶体厚度的改变对设备性能的影响，以期得到改变量化，深入分析原因，为改善机器性能提高图像质量提出有效措施。方法 选取3个不同厂家的12台探头晶体厚度为1英寸（1英寸=2.54 cm）的SPECT和35台探头晶体厚度为3/8英寸的SPECT，按照美国电器制造商协会（NEMA）标准测量固有非均匀性和固有空间分辨力指标。在探头晶体厚度为3/8英寸的设备中按照不同厂家分类比较，选取测量结果无差异的厂家设备作为1组数据，并与晶体厚度为1英寸的设备指标进行比较。采用两独立样本t检验，比较两种晶体厚度的探头在以上两种性能指标的差异。结果 探头晶体厚度为1英寸和3/8英寸时测得的固有非均匀性为（3.22±0.83）%和（2.51±0.65）%，两者比较差异有统计学意义（t= -3.601，P < 0.05）。探头晶体厚度为1英寸和3/8英寸时，测得的固有空间分辨力为（4.60±0.14）和（3.70±0.35）mm，两者比较差异有统计学意义（t=-13.03，P < 0.05）。结论 SPECT探头晶体厚度的改变影响设备的固有非均匀性和固有空间分辨力，应采取有效措施弥补晶体厚度改变带来的图像质量下降，以保证设备临床使用的效果。
[关键词] 单光子发射计算机断层成像     晶体     固有空间分辨力     固有空间非均匀性    
Comparison of partial intrinsic performance of SPECT with two different crystal thickness
Song Ying, Liu Hui     
Key Laboratory of Radiological Protection and Nuclear Emergency, China CDC, National Institute for Radiological Protection, Chinese Center for Disease Control and Prevention, Beijing 100088, China
Corresponding author: Liu Hui, Email:liuhui310@126.com
[Abstract] Objective To explore the influence of changing probe crystal thickness on the performance of single photon emission computed tomography (SPECT), so as to achieve quantitative improvements and in-depth analyses of the related reasons and to provide effective measures in improving the image quality of SPECTs. Methods Both 12 SPECT units each of 1 inch(1 inch=2.54 cm) thick crystal and 35 SPECT units each of 3/8 inch thick crystal were chosen. Both intrinsic uniformity and intrinsic spatial resolution were measured according to the National Electrical Manufacturers Association (NEMA) standard. The performance was compared between SPECT units with 1 inch thick probe and 3/8 inch thick crystal. Results The intrinsic uniformity measured for 1 inch thick probe and 3/8 inch thick crystal were (3.22±0.83)% and (2.51±0.65)%. The difference between the two groups was statistically significant (t=-3.601, P < 0.05). Intrinsic spatial resolutions of 1 inch thick probe and 3/8 inch thick crystal were (4.60±0.14) and (3.70±0.35) mm, with statistical significance between the two groups (t=-13.03, P < 0.05). Conclusions The crystal thickness is a significant factor influencing SPECT's intrinsic uniformity and intrinsic spatial resolution. It is recommended that effective measures be taken to compensate the declined image quality due to crystal thickness change, to make sure the equipment is qualified for clinical use.
[Key words] Single photon emission computed tomography     Crystal thickness     Intrinsic spatial resolution     Intrinsic uniformity    

随着近年来核医学的快速发展，呈现了各种类型的单光子成像设备来满足临床需求。设备生产厂家通过改变晶体厚度、增加符合线路和后台计算系统等技术手段，来完成设备对较高能量核素的图像采集，以达到单光子与正电子临床检查功能兼备[1]。虽然正电子发射计算机成像(PET)技术的发展及成本的降低，使得晶体厚度为1英寸(1英寸=2.54 cm)的带符合线路的单光子发射计算机断层成像(SPECT)在用数量有所减少，但目前仍有相当数量的设备在用。2016年的核医学现状普查中单光子显像设备有774台，其中带有符合线路的设备有89台，占总数量的11.5%，在临床中占有不可忽视的比例[2]。这种临床设备也引起了业内不少专业人员对质量控制如图像质量、空间分辨力等方面的关注[3]。本研究通过对两种晶体厚度的SPECT设备的部分固有性能指标进行比较，获得此两种设备的性能差异，对增加了晶体厚度的设备固有性能变化有更深入的了解。对SPECT中使用1英寸晶体厚度和3/8英寸晶体厚度的探头测得的部分性能指标结果进行统计分析，得到部分性能指标的变化。

材料与方法

1.研究对象：检测对象为全国范围内47台双探头SPECT设备，地域范围覆盖北京、河南、河北、内蒙、黑龙江、天津、陕西、湖南、四川、广东。目前临床在用SPECT设备的生产厂家主要有3家，分别为美国通用电气公司、荷兰飞利浦公司和德国西门子公司。为了便于数据的比较，将这3家公司按照抽签的方式依次编号为A、B、C厂家。本研究中带有符合线路的设备晶体厚度为1英寸的设备有12台，均为A厂家生产，采集固有非均匀性和固有空间分辨力数据样本24组；晶体厚度为3/8英寸的设备有35台，采集数据样本70组，其中A厂家设备有9台，B厂家设备有7台，C厂家设备有19台。

2.仪器设备：使用符合美国电器制造商协会(National Electrical Manufacturers Association，NEMA)标准的自制铅栅模体，铅栅模体的面积大于探头视野面积，在平行于y轴方向均匀分布17条缝隙，缝隙宽度为1 mm[4]，使用自制十字激光定位灯和可调距离固定支架完成源位置定位。

3.采集方法：(1)固有非均匀性数据的采集：在垂直于探头的方向上，利用十字激光定位灯找出探头中心轴。沿中心轴利用激光测距仪定位大于5倍视野最大线径的点。在此点放置活度约为20 MBq的99Tcm标记的放射性药物制得的点源对探头进行照射。图像采集设置中采用256×256的矩阵，图像放大系数为1，采集计数16 M。所得图像转换为64×64矩阵，各边界剔除5%的像素，做9点平滑处理后，按照公式(1)计算积分均匀性Ui:

$ {U_i} = [\left( {{C_{\max }} - {C_{\min }}} \right)/\left( {{C_{\max }} + {C_{\min }}} \right)] \times 100\% $ (1)

式中，Cmax和Cmin分别为图像内最大计数和最小计数。

(2) 固有空间分辨力数据的采集：在垂直于探头的方向上，利用十字激光定位灯找出探头中心轴。沿中心轴利用激光测距仪定位大于1.5 m的点，使用可调距离支架固定放射源于此点。放射源活度约300 MBq。紧贴探头放置铅栅模体，模体表面完全覆盖探头视野。图像采集设置中采用512×512的矩阵，图像放大系数为1，采集计数40 M。所得图像以像素为单位，位置为横坐标，计数为纵坐标画垂直于铅缝的剖面曲线，每条曲线做线性拟合，计算半高宽，视野内所有半高宽的均值报告为固有空间分辨力。

4.统计学处理：应用SPSS 19.0软件进行分析，对符合正态分布的计量资料数据采用x±s表示。3/8英寸晶体厚度的设备中将A厂家的设备分别与B厂家和C厂家的设备对应指标比较，以消除品牌工艺不同的差异。采用两独立样本t检验，以P＜0.05为差异具有统计学意义。将无品牌工艺差异的3/8英寸晶体厚度的设备与1英寸晶体厚度的设备测得的两种性能指标分别采用两独立样本t检验，以P＜0.05为差异具有统计学意义。

结果

1. 3/8晶体厚度的设备比较：A厂家测得的固有非均匀性与B厂家设备比较，两组数据差异无统计学意义(P＞0.05)；固有空间分辨力数据比较，两组数据差异无统计学意义(P＞0.05)。A厂家测得的固有非均匀性与C厂家比较, 结果分别为(2.68±0.54)%和(3.35±0.74)%，两组数据差异有统计学意义(t=-3.896，P＜0.05)；结果分别为(3.67±0.11)和(3.95±0.11)mm, 固有空间分辨力数据比较，两组数据差异有统计学意义(t= -8.918，P＜0.05)。A和B厂家SPECT在固有非均匀性和固有空间分辨力的测量结果上没有差别，所以在不同晶体厚度的比较中取A和B厂家的设备数据进行统计比较。

2.两组不同晶体厚度的探头固有非均匀性的比较：1英寸晶体厚度的探头测得的固有非均匀性的结果为(3.22±0.83)%。3/8英寸晶体厚度的探头测得的固有非均匀性的结果为(2.51±0.65)%。检验结果两组数据差异有统计学意义(t=-3.601，P＜0.05)。且1英寸晶体厚度探头测得的固有非均匀性结果值比3/8英寸晶体厚度探头的结果值高出了28.29%。

3.两组不同晶体厚度的探头固有空间分辨力的比较：1英寸晶体厚度的探头测得的固有空间分辨力的结果为(4.60±0.14)mm。3/8英寸晶体厚度的探头测得的数据仍取A和B厂家设备。固有空间分辨力的结果为(3.70±0.35)mm。检验结果两组数据差异有统计学意义(t=-13.03，P＜0.05)；且1英寸晶体厚度探头测得的固有空间分辨力结果值比3/8英寸晶体厚度探头的结果值高出了24.32%。

讨论

SPECT作为一种功能显像设备，机器性能对图像质量来说至关重要[5]。SPECT的性能检测中包括系统指标测试和固有性能指标测试[6-7]。前者是需加装探头准直器，后者是指去掉探头准直器后测量的指标，更加切实地反映晶体和光电倍增管对性能的影响。本研究中测量比较了固有性能指标中的固有非均匀性、固有空间分辨力。

本研究结果显示，不同晶体厚度的SPECT机器成像性能的部分指标有差异。分析结果中固有非均匀性的差异有统计学意义。晶体厚度增加，添加在无机盐晶体中的激活剂不均匀的概率增大，更易引起图像不均匀现象。临床中提高晶体厚度是为了增加探测效率适应高能量核素(18F)的探测，同时还需增加符合线路通过计算两探头探测到的光子的时间耦合来计算发生湮灭的位置。因此，电气设备线路等相对复杂，易引起能峰漂移和光电倍增管增益下降，从而影响设备均匀性[8]。有研究报道带有符合线路的SPECT在断层成像中图像会出现“冷热区”(即图像均匀性)的问题[9-10]。在晶体的正常状态下，固有非均匀性的下降还与晶体耦合的光电倍增管的增益随时间的改变、涂布在连接面的硅脂等有关。有研究显示，探头均匀性每月均有一定程度的降低，有效的校正才能够保持良好的图像均匀性[11]。碘化钠晶体的特性使其对湿度要求高，本身脆性不抗冲击，保护好晶体，才能确保良好的图像均匀性。

研究结果中两组晶体厚度探头的固有空间分辨力差异具有统计学意义。光子进入晶体引发闪烁，闪烁光的分布半宽度随晶体厚度增大而增大，闪烁光分布的半宽度越小空间分辨力越好[12]。若γ射线进入晶体只经过一次相互作用就以闪烁光的形式发出，则闪光点定位准确，分辨力好。晶体厚度增加以后，γ射线经过多次相互作用才能被光电倍增管探测，不能准确定位在最初闪烁点，空间分辨力变差。因此，1英寸晶体厚度的探头空间分辨力比3/8英寸的要差，测量值高出了24.32%。同等条件下，晶体厚度增加空间分辨力较差，明显影响图像质量。在临床使用中注意方式方法，以提高图像质量。有研究表明，断层图像成像中使用衰减校正会使视野中心区域的空间分辨力降低，对表浅和较大病灶的成像的分辨力改善并不明显[10]。在图像采集过程中恰当选用准直器可以提高空间分辨力[13]。平行孔准直器可过滤掉视野中与准直器孔角不符的射线，从而起到空间定位选择的作用，从而提高系统空间分辨力。

综上所述，1英寸晶体厚度的SPECT系统与普遍的存在的3/8晶体厚度的设备比较，在部分性能指标上有劣势。定时做好设备的保养、检测、校正和日常质控，保持设备的良好运行状态，能够延长晶体寿命，保持良好的图像均匀性[14-16]，以缩小性能差异。晶体的厚度增加明显降低设备的固有空间分辨力，日常使用中可通过选用高分辨准直器提高最终成像的空间分辨力。

利益冲突 本人与其他研究者未因进行该研究而接受任何不正当的职务或财务利益，在此对研究的独立性和科学性予以保证
作者贡献声明 宋颖进行实验、数据处理、分析和编写论文；刘辉负责设计实验方案和组织实验实施
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