mCT-Flow PET/CT性能測(cè)試及與mCT-S64-4R和16HR的比較

潘禾戎 ，姚 杰，戚 鳴 ，茅娟莉，姚之豐 ，宋少莉 , ，章英劍 , ，張建平 , , 7

1. 復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科，復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院腫瘤學(xué)系，上海 200032；

2. 復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)影像研究中心，上海 200032；

3. 上海分子影像探針工程技術(shù)研究中心，上海 200032；

4. 上海市疾病預(yù)防控制中心，上海 200336；

5. 海軍軍醫(yī)大學(xué)附屬長(zhǎng)海醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科，上海 200433；

6. 上海市質(zhì)子重離子醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科，上海 201315；

7. 復(fù)旦大學(xué)核物理與離子束應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200433

正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)體層顯像儀（positron emission tomography and computed tomography，PET/CT）在中國(guó)裝機(jī)數(shù)量逐年增多，各大主要生產(chǎn)廠商均推出了具有最新技術(shù)的PET/CT。設(shè)備的性能測(cè)試非常重要，有多項(xiàng)研究［1-7］測(cè)試了各廠家設(shè)備的性能。本文基于上海市疾病預(yù)防控制中心對(duì)復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科新安裝的德國(guó)Siemens公司的mCT-Flow PET/CT的性能測(cè)試結(jié)果，與早先測(cè)試過的德國(guó)Siemens公司Biograph系列的mCT-S64-4R（簡(jiǎn)稱mCT）及16HR的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了比較研究。mCT-Flow PET部分測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)主要參照《放射性核素成像設(shè)備性能與試驗(yàn)規(guī)則第1部分：正電子發(fā)射斷層成像裝置》（GB/T 18988.1—2013）［8］，該標(biāo)準(zhǔn)與美國(guó)國(guó)家電氣制造商協(xié)會(huì)（National Electrical Manufacturers Association，NEMA）NU2-2007類似；CT部分測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)參照《X射線計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置質(zhì)量保證檢測(cè)規(guī)范》（GB 17589—2011）［9］。

1 資料和方法

1.1 儀器、模型和放射性核素

mCT-Flow PET/CT系統(tǒng)的機(jī)架孔徑為78 cm。PET軸向視野為22.1 cm，探頭由4個(gè)探測(cè)器環(huán)組成，每個(gè)環(huán)則由48個(gè)探測(cè)模塊組成，而每個(gè)模塊又由13×13排列的硅酸镥晶體（4 mm×4 mm×20 mm）組成，最終構(gòu)成了109個(gè)圖像層（層厚為2.027 mm）。雙光子探測(cè)的符合時(shí)間窗為4.1 ns，能量窗為435～650 keV。CT為64層CT系統(tǒng)（Siemens SOMATOM Definition AS+），球管型號(hào)為straton mx，探測(cè)器為32排64層。本研究使用標(biāo)準(zhǔn)的NEMA測(cè)試模型及配件，包括聚四氟乙烯散射分?jǐn)?shù)模體、內(nèi)徑為1 mm的毛細(xì)玻璃管、聚乙烯膠管和廠方提供的專用支架。放射性核素為18F溶液。CT標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試模型包括Catphan 500模體、直徑為16 cm的頭部模體和直徑為32 cm的體部模體。水的CT值使用標(biāo)準(zhǔn)水模。

1.2 方法

1.2.1 空間分辨率測(cè)試

用毛細(xì)管制成放射性濃度為12.02 MBq、長(zhǎng)度為1 mm的18F點(diǎn)源，置于（X，Y）坐標(biāo)，此（X，Y）分別為（0 cm，1 cm）、（0 cm，10 cm）和（10 cm，0 cm）。后將其分別置于軸向1/2 FOV和3/4 FOV處，測(cè)量上述3個(gè)位置及3個(gè)方向的半高寬（full width at half maximum，F(xiàn)WHM）。設(shè)定采集計(jì)數(shù)后開始采集，采集結(jié)束后自動(dòng)重建并處理數(shù)據(jù)。

1.2.2 散射分?jǐn)?shù)、真符合計(jì)數(shù)率、散射符合計(jì)數(shù)率、隨機(jī)符合計(jì)數(shù)率及噪聲等效計(jì)數(shù)率（noise equivalent count rate，NECR）測(cè)試

測(cè)試使用聚四氟乙烯圓柱體標(biāo)準(zhǔn)模體，其直徑為203 mm、長(zhǎng)度為700 mm。距圓柱體中心45 mm處，沿模型長(zhǎng)軸有一直徑為6.4 mm的圓柱，柱內(nèi)可插入一根聚乙烯膠管（內(nèi)徑為3.2 mm、外徑為4.8 mm、長(zhǎng)度為800 mm），于膠管內(nèi)注入1 009.30 MBq的18F溶液。使用NEMA NECR 協(xié)議采集，采集時(shí)間設(shè)為15 h。

1.2.3 系統(tǒng)靈敏度測(cè)試

使用長(zhǎng)70 cm、總屏蔽厚度為1.25 cm的5層鋁套管與細(xì)膠管組成的模體。將其分別置于有效FOV中心和偏離中心10 cm處，待放射性濃度分別為7.75和5.97 MBq時(shí)開始測(cè)量。系統(tǒng)靈敏度測(cè)定在沒有計(jì)數(shù)率損失的前提下，設(shè)備對(duì)一定濃度的正電子核素放射源所探測(cè)到的符合事件率。

1.2.4 CT性能測(cè)試

CT的測(cè)試項(xiàng)目包括定位光精度、噪聲、圖像均勻性、重建層厚偏差、高對(duì)比分辨率、低對(duì)比可探測(cè)能力、CT值線性、診斷床定位精度、CT劑量指數(shù)和水的CT值。其中，前7項(xiàng)使用Catphan 500 模體。CT劑量指數(shù)使用直徑為16 cm的頭部模體和直徑為32 cm的體部模體。水的CT值使用標(biāo)準(zhǔn)水模。所用儀器性能評(píng)價(jià)軟件基于NEMA NU2-2007。

2 結(jié) 果

2.1 空間分辨率

3臺(tái)設(shè)備空間分辨率見表1。

表1 mCT-Flow、mCT 和16HR在距FOV中心1和10 cm處的FWHM

2.2 散射分?jǐn)?shù)、真符合計(jì)數(shù)率、散射符合計(jì)數(shù)率、隨機(jī)符合計(jì)數(shù)率及NECR

mCT-Flow的散射分?jǐn)?shù)為35%。真實(shí)計(jì)數(shù)率與散射計(jì)數(shù)率隨源濃度變化的曲線見圖1?？傆?jì)數(shù)率和隨機(jī)符合計(jì)數(shù)率見圖2。當(dāng)放射性濃度逐漸升高時(shí)，真符合計(jì)數(shù)率成正比升高，當(dāng)濃度達(dá)到12 kBq/mL時(shí)，真符合計(jì)數(shù)率不再與濃度升高成正比。同樣，隨著源放射性濃度的升高，散射符合計(jì)數(shù)率在12 kBq/mL以下時(shí)基本成正比增加，而后增加速率逐漸下降?？偡嫌?jì)數(shù)率與源的平均濃度在很寬的范圍內(nèi)（0～45 kBq/mL）均成正比，而隨機(jī)符合計(jì)數(shù)率隨源濃度的增加其速率增加逐漸加快。NECR曲線見圖3。當(dāng)平均濃度達(dá)到0.021 MBq/mL及k=1時(shí)，NECR峰值為117 kcps，當(dāng)平均濃度達(dá)到0.027 MBq/mL及k=0時(shí)，NECR峰值為165 kcps。

圖1 真實(shí)計(jì)數(shù)率和散射計(jì)數(shù)率比較

圖3 峰值NECR比較

2.3 系統(tǒng)靈敏度及CT性能

如圖4所示，源在探頭有效FOV中心處時(shí)，mCT-Flow的靈敏度為9.24 cps/kBq，源在偏離中心10 cm處的靈敏度為9.14 cps/kBq。CT性能如表2所示，各項(xiàng)指標(biāo)均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

表2 CT性能測(cè)試結(jié)果

圖4 靈敏度比較

3 討 論

隨著飛行時(shí)間（time of flight，TOF）及點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)技術(shù)（point spread function，PSF）的推出，PET/CT的信噪比及空間分辨率進(jìn)一步提高，獲得的圖像越來(lái)越清晰，使用的放射性藥物濃度也進(jìn)一步減少［12-14］。德國(guó)Siemens公司率先推出了Flow技術(shù)，使得PET/CT采集不受床位的限制，甚至可實(shí)現(xiàn)全身4D動(dòng)態(tài)采集。但其主要技術(shù)指標(biāo)在特定環(huán)境下的性能尚不清楚，本文對(duì)復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科新裝的1臺(tái)mCTFlow進(jìn)行了性能測(cè)試，并與我們先前在完全相近條件、相同處理、同一標(biāo)準(zhǔn)下測(cè)試過的2臺(tái)同廠商的其他機(jī)型進(jìn)行了對(duì)比。

空間分辨率表征PET系統(tǒng)分辨2個(gè)相鄰點(diǎn)源的能力，用點(diǎn)源擴(kuò)展函數(shù)FWHM表示。測(cè)試結(jié)果如表1所示，mCT-Flow 在距FOV中心1 cm處的橫斷面分辨率（4.51 mm）略低于mCT（4.30 mm）和16HR（4.10 mm），而在軸向則略高于后者（分別為4.41、4.60和4.70 mm）。10 cm處，在徑向和軸向上的分辨率均略低于mCT和16HR（分別為5.14、4.90、5.00 mm和5.99、5.90、5.40 mm），而在切向上mCT-Flow則略高（分別為4.60、4.70和4.70 mm）。

計(jì)數(shù)率特征可反映出在較寬濃度范圍內(nèi)，計(jì)數(shù)率隨著源濃度的變化而變化的特征。具體可通過測(cè)量總符合計(jì)數(shù)率、真實(shí)符合計(jì)數(shù)率、隨機(jī)符合計(jì)數(shù)率、散射符合計(jì)數(shù)率和NECR隨源濃度的變化特征反映。從測(cè)試結(jié)果可知，隨著放射源濃度的增加，總符合計(jì)數(shù)率在比較寬范圍內(nèi)與源濃度成正比，相較于16HR，mCT-Flow和mCT的線性更好（圖2），說明可探測(cè)正電子核素種類、濃度范圍更廣。3臺(tái)設(shè)備的真符合計(jì)數(shù)率和散射符合計(jì)數(shù)率在低濃度區(qū)與源濃度成正比，而在高濃度區(qū)，計(jì)數(shù)率的增加速率逐漸下降，隨機(jī)符合計(jì)數(shù)率則隨著源濃度的增加其增加速率逐漸加快（圖1）。NECR定義為在無(wú)散射和隨機(jī)符合計(jì)數(shù)條件下，達(dá)到同樣的信噪比所需真符合計(jì)數(shù)，可用于衡量噪聲、評(píng)估PET圖像質(zhì)量，可認(rèn)為NECR相等的兩幅圖像的信噪比相等。從本測(cè)試（圖3）可知，mCT-Flow的NECR在源濃度為0.021 MBq/mL且k為1時(shí)或源濃度為0.027 MBq/mL而k=0時(shí)達(dá)到飽和，此時(shí)再提高源濃度，圖像的信噪比不會(huì)提高反而會(huì)下降。該結(jié)果與mCT相近而數(shù)值高于HR16，提高了約125%［10］。可以推斷，對(duì)于50 kg的人體，如果其放射性分布可視為均勻分布，則注射的藥量最高劑量應(yīng)低于1 050 MBq （28.37 mCi），此時(shí)NECR達(dá)到飽和（k=1）。因此，如進(jìn)行C-11正電子藥物顯像，其藥量不應(yīng)因半衰期很短而給予太高。NECR的大幅提高可實(shí)現(xiàn)大劑量注射，從而明顯改善大體積患者的圖像質(zhì)量。此外，我們發(fā)現(xiàn)在測(cè)量范圍（0～44 kBq/mL）內(nèi)，即使NECR達(dá)到飽和，mCT-Flow PET的真實(shí)計(jì)數(shù)率和總計(jì)數(shù)率仍保持上升趨勢(shì)（圖1、2），并沒有達(dá)到飽和［15-16］。

散射分?jǐn)?shù)是散射符合計(jì)數(shù)在總符合計(jì)數(shù)中所占百分比，用來(lái)表征PET系統(tǒng)對(duì)散射符合計(jì)數(shù)的靈敏程度，散射分?jǐn)?shù)越高，則系統(tǒng)剔除散射符合計(jì)數(shù)的能力就越弱。由本文的測(cè)試結(jié)果可知，mCT-Flow的散射分?jǐn)?shù)為35%與16 HR（34%）相近［11］，略低于mCT（37%）［10］，表明其剔除散射符合計(jì)數(shù)的能力較強(qiáng)。

在一定的統(tǒng)計(jì)誤差（總計(jì)數(shù)）條件下，靈敏度決定了PET顯像劑的使用劑量及掃描時(shí)間和方式。從圖4A可看出，mCT-Flow 3D采集時(shí)，其軸向FOV靈敏度計(jì)數(shù)率分布呈三角形（圖4B），設(shè)備邊緣處?kù)`敏度較低，中心處較高，同其他設(shè)備3D采集時(shí)一樣極不均勻，提示在多床位采集時(shí)，床位之間需重疊采集范圍較大，以達(dá)到床位邊緣與中心均勻性相等。而16HR靈敏度計(jì)數(shù)率分布呈梯形（圖4C），中間層面的均勻性相同。因此，為達(dá)到各層面均勻，mCT-Flow目前默認(rèn)的重疊采集區(qū)域達(dá)到50%，16HR重疊則為25%。此外，從測(cè)試結(jié)果可知，mCT-Flow靈敏度在FOV中心處為9.24 kcps/kBq，結(jié)果與Rausch等［17］測(cè)試結(jié)果（9.6 kcps/MBq）相近，與mCT相比［10］，靈敏度低約7.7%（0 cm處）和11.8%（10 cm處），這可能是設(shè)備之間差異所造成。與16HR相比［11］，靈敏度分別提高了51.9%和49.6%。設(shè)備靈敏度的提高可能與PET探測(cè)環(huán)數(shù)的增加有關(guān)，由原來(lái)的39環(huán)增加到現(xiàn)在的52環(huán)，相應(yīng)軸向FOV增加了5.4 cm，從而使得符合探測(cè)線角度增大2.9°。靈敏度的提高，可縮短采集時(shí)間和減少藥物注射量。總之，mCT-Flow與mCT性能相近，但mCT-Flow增加了連續(xù)進(jìn)床的新功能，兩者性能均優(yōu)于早期的HR16。