中华放射医学与防护杂志  2024, Vol. 44 Issue (12): 1049-1055   PDF    
引用本文
洪浩, 耿建华, 陈智文, 苏雪松, 王雪鹃, 李静. 源距变化对单光子发射计算机断层成像设备固有空间分辨力和固有空间线性影响的研究[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2024, 44(12): 1049-1055, DOI: 10.3760/cma.j.cn112271-20240119-00025.
源距变化对单光子发射计算机断层成像设备固有空间分辨力和固有空间线性影响的研究
洪浩 , 耿建华 , 陈智文 , 苏雪松 , 王雪鹃 , 李静     
国家癌症中心 国家肿瘤临床医学研究中心 中国医学科学院北京协和医学院肿瘤医院核医学科, 北京 100021
收稿日期: 2024-01-19
通信作者: 李静, Email: dr.lijing@163.com
[摘要] 目的 研究点源到探头铅栅模体表面距离的变化对单光子发射计算机断层成像设备(SPECT)固有空间分辨力和固有空间线性的影响, 为探讨质量控制性能检测方法提供参考。方法 在点源到铅栅模体表面垂直距离150、170、190、210、230 cm共5个不同位置处, 使用平行狭缝铅栅模体方法对两台双探头SPECT设备(机型1、2)进行固有空间分辨力和固有空间线性指标检测。结果 两台SPECT设备双探头在被检测的5个位置图像采集完成后通过软件计算分别得出固有空间分辨力x方向、y方向的两项检测指标与固有空间线性x方向、y方向的4项检测指标波动较小, 各指标范围: 有效视野(UFOV)半高宽(FWHM)3.310~3.902mm、中心视野(CFOV)半高宽(FWHM)3.274~3.910mm、UFOV微分线性0.059~0.180mm、FUOV绝对线性0.171~0.628mm、CFOV微分线性0.046~0.165mm、CFOV绝对线性0.115~0.534mm。当源距为150 cm时, 固有空间分辨力略差, 两台设备UFOV FWHM检测值(3.80±0.07) mm, 其范围3.695~3.902 mm, CFOV FWHM检测值(3.73±0.11) mm, 其范围3.572~3.910mm, 但是机型1与机型2的固有空间分辨力比较, 差异无统计学意义(P＞0.05), 依据WS 523-2019标准, 两台设备双探头固有空间分辨力和固有空间线性检测均合格。机型1与机型2的固有空间线性比较, 机型1劣于机型2, 差异有统计学意义(t=15.09, P＜0.001)。结论 点源到探头铅栅模体表面距离变化(150~230 cm)时, 固有空间分辨力和固有空间线性未随源距而变化。在对SPECT进行固有空间分辨力和固有空间线性检测时, 应保证点源到探头的垂直距离>150 cm, 推荐应至少为170 cm。
[关键词] 源距    平行狭缝铅栅模体    固有空间分辨力    固有空间线性    
Study on impact of source distance changes on the intrinsic spatial resolution and linearity of single photon emission computed tomography equipment
Hong Hao , Geng Jianhua , Chen Zhiwen , Su Xuesong , Wang Xuejuan , Li Jing     
Department of Nuclear Medicine, National Cancer Center/National Clinical Research Center for Cancer/Cancer Hospital, Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College, Beijing 100021, China
Corresponding author: LI Jing, Email: dr.lijing@163.com
[Abstract] Objective To study the impact of changes in distance from the point source to the detector lead grid phantom surface on the intrinsic spatial resolution and linearity of single photon emission computed tomography equipment (SPECT), and to provide references for exploring quality control performance testing method. Methods The intrinsic spatial resolution and linearity indexes of the dual detectors of the two SPECT machines(model 1, 2) were examined using the parallel slit lead grid phantom method, respectively, at five different positions of the vertical distance from the point source to the surface of the lead grid phantom, namely, 150, 170, 190, 210 and 230 cm. Results After completion of image acquisition about the two SPECT machines with dual detectors at the five positions, the software-based calculated intrinsic spatial resolution and linearity in x and y direction fluctuated both within a very small range: effective field of view half-width half-maximum 3.310-3.902 mm, central field of view half-width half-maximum 3.274-3.910 mm, UFOV differential linearity (0.059-0.180 mm), FUOV absolute linearity (0.171-0.628 mm), CFOV differential linearity (0.046-0.165 mm), CFOV absolute linearity (0.115-0.534 mm). The intrinsic spatial resolution was slightly poor at a source distance of 150 cm. The UFOV FWHM detection value of two machines was (3.80±0.07) mm, with a range of 3.695-3.902 mm. The CFOV FWHM detection value was (3.73±0.11) mm, with a range of 3.572-3.910 mm. However, no statistically significant difference was found in inherent spatial resolution between model 1 and model 2 (P>0.05). Under the WS 523-2019, the intrinsic spatial resolution and linearity of two machines with dual detectors were both qualified. The comparison of inherent spatial linearity between model 1 and model 2 showed that model 1 was inferior to model 2, with statistically significant difference (t=15.09, P < 0.001). Conclusions There was no variation in intrinsic spatial resolution and linearity with the source distance when the vertical distance from the point source to the surface of the detector lead grid phantom was changed (150 to 230 cm). When intrinsic spatial resolution and linearity testing were performed on SPECT, it is necessary to ensure that the vertical distance from the point source to the detector is greater than 150 cm and recommended to be at least 170 cm.
[Key words] Source distance    Parallel slit lead grid phantom    Intrinsic spatial resolution    Intrinsic spatial linearity    

单光子发射型计算机断层显像仪(SPECT)是核医学进行代谢功能显像的一类常用设备[1-2]，对其进行质量控制非常重要。2019年1月国家卫生健康委发布了卫生行业标准《伽玛照相机、单光子发射断层成像设备(SPECT)质量控制检测规范》(WS 523-2019)[3]，促进了SPECT设备质量控制开展[4]。固有空间分辨力和固有空间线性检测是WS 523-2019[3]标准中对SPECT设备进行质量控制非常重要的检测指标，但该标准和美国电器制造商协会(NEMA)NU1标准[5]对放射性点源到探头铅栅模体表面的距离(源距)要求不同。本研究依据WS 523-2019[3]标准并结合模体不能竖直固定于探测器表面及医疗机构SPECT机房装修后净高度的情况，将点源分别放置在距铅栅模体表面150、170、190、210、230 cm共5个不同位置(其中下限150 cm是WS 523-2019[3]标准规定必须大于的距离，上限230 cm是本实验机房净高300 cm情况下探头垂直向上可获得的最大距离)，使用平行狭缝铅栅模体方法对两台SPECT设备双探头进行固有空间分辨力、固有空间线性指标检测，以研究源距变化对这两项指标的影响，并为探讨SPECT质量控制性能检测方法提供参考。

材料与方法

1. 仪器设备：SPECT设备为Optima NM/CT 640型双探头SPECT-CT(美国GE公司，机型1)、Symbia T型双探头SPECT-CT(德国SIEMENS公司，机型2)。测量仅使用其中的双探头SPECT，不使用CT部分。两台设备使用年限均超过5年。质量控制模体为RGRMS-2012型SPECT质量控制通用模体套装(卡迪诺科技北京有限公司)中的平行狭缝铅栅模体[6]，附带处理软件。点源为放射性高锝酸钠注射液(Na 99TcmO4)，自行制备。

2. 固有空间分辨力和固有空间线性检测：两者检测方法相同，步骤包括：①准备探头1，卸下探头准直器，将SPECT设备的两个探头旋转成“L”形，探头1旋转至最低位置且探头表面水平向上。②使用注射器抽取体积尽量小放射性活度为185~370 MBq Na99TcmO4溶液并装入RGRMS-2012型套装配置的点源瓶中作为点源。③将y方向平行狭缝铅栅模体(模体中的狭缝平行于探头旋转轴)轻放在探头1上，谨防损坏探头。④将点源瓶用专用支架置于探头1中心平行狭缝铅栅模体表面正上方150 cm处，并使安装铅栅模体后计数率不大于2.0 × 104/s，启动静态检测采集程序，采集条件：放大倍数为1，能峰140 keV，采集矩阵512 × 512，采集总计数20 M。⑤卸下y方向平行狭缝铅栅模体，将x方向平行狭缝铅栅模体(模体中的狭缝垂直于探头旋转轴)轻放在探头1上，继续对探头1进行相同条件检测。⑥相同的条件与方法对探头2进行检测。⑦同样的条件与方法对源距为170、190、210、230 cm进行探头1与探头2检测。⑧采集结束后将数据以医学数字成像和通信(DICOM)的格式保存。

3. 数据分析：采用RGRMS-2012型SPECT质量控制通用模体套装所带软件对上述DICOM数据进行处理分析，获得设备每个探头固有空间分辨力和固有空间线性的检测结果，固有空间分辨力用线源图像的有效视野(UFOV)半高宽(FWHM)与中心视野(CFOV)FWHM表示。固有空间线性用UFOV的微分线性和绝对线性及CFOV的微分线性和绝对线性表示。

4. 统计学处理：采用SPSS 27.0软件进行数据分析。多组间比较采用单因素方差分析，方差不齐则采用Kruskal-Wallis H检验，两组之间比较采用配对t检验，P < 0.05为差异有统计学意义。

结果

1. 固有空间分辨力：点源到探头铅栅模体表面垂直距离为150、170、190、210、230 cm时，依据WS 523-2019[3]标准状态检测要求，两台SPECT设备双探头在x方向、y方向的固有空间分辨力检测均合格。其中，点源到探头铅栅模体表面垂直距离为150 cm处，两台设备双探头的固有空间分辨力的检测值略大，固有空间分辨力略差。模体套装软件还对十分之一高宽(FWTM)进行检测，其与固有空间分辨力检测值FWHM的比较，见图 1。对所采集固有空间分辨力数据进行统计学分析，机型1在UFOV和CFOV视野范围内双探头5个位置的检测值与机型2在UFOV和CFOV视野范围内双探头5个位置的检测值比较，差异无统计学意义(P＞0.05)，探头1在x方向与探头2在x方向两台设备5个位置的检测值比较，差异无统计学意义(P＞0.05)，探头1在y方向与探头2在y方向两台设备5个位置的检测值比较，差异无统计学意义(P＞0.05)。详细结果列于表 1

注：UFOV. 有效视野；FWHM. 半高宽；CFOV. 中心视野；FWTM. 十分之一高宽 图 1 两台SPECT设备固有空间分辨力FWHM与FWTM随源距变化趋势图 A.机型1-探头1；B. 机型1-探头2；C.机型2-探头1; D.机型2-探头2 Figure 1 Trend of intrinsic spatial resolution (FWHM) and FWTM of two SPECT machines with varying source distances  A. Model 1-detector 1;B. Model 1-detector 2;C. Model 2-detector 1; D. Model 2-detector 2

表 1 点源到探头铅栅模体表面不同距离下两台SPECT设备固有空间分辨力和固有空间线性检测结果 Table 1 Testing results of intrinsic spatial resolution and spatial linearity of two SPECT machines at different distances from point source to detector lead grid phantom surface

2. 固有空间线性：点源到探头铅栅模体表面垂直距离为150、170、190、210、230 cm时，依据WS 523-2019[3]标准状态检测要求，两台SPECT设备双探头固有空间线性x方向和y方向的检测结果均合格，分别见图 2，3。对所采集固有空间线性检测数据进行统计学分析，机型1双探头的UFOV微分线性和绝对线性、CFOV微分线性和绝对线性4个检测指标和机型2双探头的相同检测指标在5个位置的检测值比较，差异无统计学意义(P＞0.05)。两台设备探头1在x方向与y方向、探头2在x方向与y方向5个位置的固有空间线性的检测值比较，差异无统计学意义(P＞0.05)。其中，机型1在x、y两个方向的线性检测值均大于机型2的线性检测值，机型1的固有空间线性劣于机型2的固有空间线性，对两台机器的相同检测指标配对t检验比较，差异有统计学意义(t=15.09，P＜0.001)。详细结果列于表 1。

图 2 两台SPECT设备x方向固有空间线性随源距变化及与合格值比较图  A.UFOV微分线性；B.UFOV绝对线性；C.CFOV微分线性；D.CFOV绝对线性 Figure 2 Variation of intrinsic spatial linearity in x-direction of two SPECT machines with source distance and its comparison with qualified value  A. UFOV differential linearity; B. UFOV absolute linearity; C. CFOV differential linearity; D.CFOV absolute linearity

图 3 两台SPECT设备y方向固有空间线性随源距变化与合格值比较图 A.UFOV微分线性; B.UFOV绝对线性; C.CFOV微分线性; D.CFOV绝对线性 Figure 3 Variation of the intrinsic spatial linearity in y-direction of two SPECT machines with source distance and its comparison with qualified value A. UFOV differential linearity; B. UFOV absolute linearity; C. CFOV differential linearity; D. CFOV absolute linearity

讨论

固有空间分辨力和固有空间线性是描述SPECT性能的2个重要指标，直接影响临床图像质量[4]。固有空间分辨力是不带准直器时精确分辨开空间两个放射性点源的能力，用线源的FWHM表示，FWHM越小，固有空间分辨力越高；固有空间线性是描述图像的位置畸变程度，考察位置矩阵电路的性能，固有空间线性值越小，固有空间线性越好。固有空间分辨力及固有空间线性受晶体、光电倍增管、光导组件及定位线路等因素的影响，空间线性不合格图像在检测过程中容易被发现[7-8]。当固有空间线性较差时，将会导致均匀性变差及图像失真[9]。定期的进行状态检测及稳定性检测，可及时发现问题并进行校正维修并保证临床图像质量[10]。

WS 523-2019[3]对固有空间分辨力及空间线性的验收检测及状态检测给出了确定的方法：狭缝铅栅模体法，而稳定性检测又给出了1种可选方法：四象限铅栅模体法[3]。本研究只探讨狭缝铅栅模体法。WS 523-2019[3]标准中的狭缝铅栅模体方法参考国家电气制造商协会(NEMA)NU1标准[5]，但点源到铅栅模体表面距离要求却分别是>150 cm和>5倍FOV。理论上，该源距只影响探头上计数的均匀性，理想情况下，应用平面源来检测，点源距离探头距离越大，探头上计数越均匀。忽略空气对γ光子的吸收，点源活度一定的情况下，产生的计数率与距离平方成反比。美国医学物理学家学会(AAPM)有研究表明在点源距探头距离为4倍FOV时探测器边缘的计数率低于探测器中心计数率不足2%，对于质量控制测试结果是足够的[11]。NEMA NU1对源距中FOV的解释为UFOV视野范围内最大距离(即对角线的长度)[5]，UFOV通常为探头尺寸的95%[12]，目前临床上常见的UFOV尺寸为51 cm × 40 cm。忽略空气对γ光子的吸收，150 cm时探测器边缘的计数率低于探测器中心计数率不足3%。有研究显示SPECT全身平面显像中分辨率不随计数变化而明显变化[13]。双探头符合成像视野内活度较小时系统分辨率不发生变化，活度达到一定值后系统分辨率随活度增加缓慢增加，但在PET的研究中总活度从3.48到147.98 Mbq变化，其分辨率基本不变[14-15]。

为研究点源到探头的距离变化对固有空间分辨力和固有空间线性的影响，实验中在点源距探头铅栅模体表面150~230 cm之间设置了5个采集位置。医疗机构机房装修后的室内净高国家没有统一标准，只是对机房使用面积和单边最小长度规定[16-18]，根据核医学科常用的两个设备厂商《装机指南》推荐装修后SPECT机房净高分别为244和280 cm，本研究机房的净高远高于厂商推荐，所有SPECT机房均能满足。实验中5个位置处两台SPECT设备双探头固有空间分辨力和固有空间线性的检测值未发现随点源到探头距离的增加而明显增大或者减小等趋势性变化，且检测值均满足WS 523-2019[3]中状态检测要求。当点源到探头模体表面距离为150 cm时，两台设备双探头的固有空间分辨力略劣于其他位置处检测值，部分检测值超过验收检测限值，结果与WS 523-2019[3]标准中对固有空间分辨力和固有空间线性检测源距>150 cm的要求相一致，因此在对SPECT设备特别是使用年限较长机型进行固有空间分辨力和固有空间线性检测时，务必保证将点源到探头的距离放置在>150 cm位置处以满足检测需求。验收检测通常适用于新设备装机时，该时期设备的性能指标较优，而设备出厂值指标通常优于状态检测相关指标，例如标准中有效视野和中心视野固有空间分辨力验收检测值分别为≤3.9 mm和≤3.8 mm，而状态检测要求则为≤5.4 mm。本研究中两台机器虽使用已5年以上，当源距>150 cm时，多数检测结果仍能满足验收检测限值。无论是状态检测还是验收检测，在源距150~230 cm范围内，源距变化均不会影响固有空间分辨力和固有空间线性的检测结果。因此尽管WS 523-2019[3]要求验收检测以设备出厂值判定是否合格，而设备的出厂指标是通过NEMA NU1方法获得的，150~230 cm不同的源距不会影响WS 523-2019[3]中状态检测和验收检测中固有空间分辨力和固有空间线性检测的实施。实验中RGRMS-2012型SPECT质量控制通用模体套装所带软件对所采集狭缝铅栅图像进行处理后中还得出设备的FWTM数值，虽然FWTM检测在WS 523- 2019[3]标准中没有提及，但FWTM与FWHM同等重要，FWHM需要的信息量较少，但不受噪声的影响，结果准确性高；FWTH需要信息量大，但噪声影响较大，精确度下降，两者相结合更能反映SPECT设备探头的固有空间分辨力的优劣，且两项指标的检测值均是越小SPECT固有空间分辨力越优。同时本研究也对所采集的数据进行统计学分析，也未发现点源到探头检测距离的变化会对固有空间分辨力和固有空间线性的各检测指标产生影响。本研究结果还显示，源距为170 cm时两指标的检测结果与源距190~230 cm时结果基本一致。因此进行SPECT质量控制检测时，推荐源距至少170 cm，该距离对所有满足装机条件的机房均能实现。本研究平行狭缝铅栅模体检测方法仅对150~230 cm处的固有空间分辨力和固有空间线性进行研究，也有学者对1台1英寸SPECT设备进行研究，当点源到探头距离分别是150和300 cm时，固有空间分辨力和固有空间线性的检测结果差别较大[19]，本研究150~230 cm范围内研究结果的变化趋势与之不一致。由于市场上可获得的狭缝铅栅模体均为通用的，实验时只能平放而不能固定在SPECT探头上，常规SPECT机房场地的高度难以使源距>230 cm，如果要使源距>230 cm，则需要配备和检测SPECT机型配套的专门的固定在SPECT探头上的铅栅模体，而目前国内市场上的SPECT模体多不具备该功能。

总之，依据WS 523-2019[3]标准，对固有空间分辨力和固有空间线性的检测源距(150~230 cm)进行研究，未发现检测结果随源距发生变化。对SPECT设备进行固有空间分辨力和固有空间线性检测时，应将点源放置在距探头垂直距离>150 cm位置处，推荐该距离应至少170 cm。

利益冲突  无

作者贡献声明  洪浩负责实验及论文撰写；耿建华、李静负责实验设计与审阅和修改论文；陈智文参与实验操作；苏雪松参与数据处理；王雪鹃参与论文指导

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