基于NEMA NU 2-2007標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試國(guó)產(chǎn)uEXPLORER PET系統(tǒng)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(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院PET中心，廣東 廣州 510515；2.上海聯(lián)影智能醫(yī)療科技有限公司，上海 201807)

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，PET技術(shù)得到顯著發(fā)展，多環(huán)探測(cè)器、模塊化晶體、3D采集及飛行時(shí)間(time of flight, TOF)等技術(shù)相繼出現(xiàn)[1-3]，顯著提高了PET探測(cè)器的探測(cè)能力和空間分辨率。目前臨床所用PET探測(cè)器軸向視野(field of view, FOV)多較短(15～25 cm)，無(wú)法探測(cè)超出其范圍的光子，使得探測(cè)器的光子計(jì)數(shù)效率低下[4]，通常需要增加掃描時(shí)間以提高圖像信噪比，單次成人全身PET/CT檢查約需6～8個(gè)床位，耗時(shí)15～20 min。長(zhǎng)時(shí)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(yīng)用效率的最大化。本研究根據(jù)美國(guó)國(guó)家電器制造協(xié)會(huì)(National Electrical Manufacturers Association, NEMA)發(fā)布的 NEMA NU 2-2007標(biāo)準(zhǔn)對(duì)uEXPLORER系統(tǒng)的探測(cè)器物理性能進(jìn)行了測(cè)試與評(píng)估，并對(duì)4名志愿者行全身PET/CT掃描，初步觀察該系統(tǒng)的臨床應(yīng)用性能。

1 材料與方法

1.1 uEXPLORER系統(tǒng) 為上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司研制的全身PET/CT探測(cè)系統(tǒng)，其探測(cè)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(gè)晶體環(huán)，具有700 mm孔徑與1 940 mm的軸向FOV。

1.2 性能指標(biāo) 包括空間分辨率、系統(tǒng)靈敏度、散射分?jǐn)?shù)與噪聲等效計(jì)數(shù)率(noise equivalent count rate, NECR)[5]等。

1.2.1 空間分辨率 測(cè)定空氣中點(diǎn)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(tǒng)在最佳狀況下所能達(dá)到的最高分辨性能[6]。利用3根內(nèi)徑1 mm的毛細(xì)玻璃管吸取長(zhǎng)度約1 mm(目視)的18F水溶液[比活度為25 mCi/ml(925 MBq/ml)]，制成實(shí)驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)源。將測(cè)量工裝安裝在掃描床上，并將3根毛細(xì)玻璃管分別插在工裝的3個(gè)位置上，其坐標(biāo)(X，Y)位置分別是(0,10)、(100,0)及(0,100)，分別放置于PET探測(cè)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(jìn)行掃描。于每個(gè)擺放位置靜態(tài)掃描10 min，之后采用濾波反投影法(filtered back projection，F(xiàn)BP)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(tǒng)靈敏度 采用NEMA PET靈敏度模體測(cè)量系統(tǒng)靈敏度，該模體由5個(gè)長(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)FOV中心進(jìn)行靜態(tài)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(jìn)行掃描，采集時(shí)間均為5 min；隨后將線源置于偏離FOV中心10 cm位置處，重復(fù)進(jìn)行上述掃描。采用延遲符合法對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)校正，并于工作站進(jìn)行分析。

1.2.3 散射分?jǐn)?shù)與NECR 專用體模為實(shí)心聚乙烯圓柱，直徑為200 mm，長(zhǎng)為700 mm，在偏離軸心45 mm處由直徑6.4 mm小孔，用于插入長(zhǎng)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理。根據(jù)所得結(jié)果分別計(jì)算不同活度下的總計(jì)數(shù)率、真符合計(jì)數(shù)率、隨機(jī)計(jì)數(shù)率、散射計(jì)數(shù)率、NECR及散射分?jǐn)?shù)。總符合計(jì)數(shù)率為FOV中的總計(jì)數(shù)率，即真符合計(jì)數(shù)率、隨機(jī)符合計(jì)數(shù)率與散射符合計(jì)數(shù)率之和[7]。

1.3 初步臨床應(yīng)用 對(duì)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(guī)重建協(xié)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(gè)子集)，圖像大小為192×192，F(xiàn)OV為600 mm，并以3 mm高斯濾波器進(jìn)行后濾波；頭部成像臨床常規(guī)重建協(xié)議則采用OSEM(4次迭代和20個(gè)子集)，圖像大小為256×256，F(xiàn)OV為256 mm，以3 mm高斯濾波器進(jìn)行后濾波。志愿者4為左側(cè)輸尿管腫瘤患者，先以Biograph mCT行全身PET掃描(7個(gè)床位，采用TrueX+TOF算法重建，3次迭代和21個(gè)子集，圖像大小為200×200，F(xiàn)OV為600 mm，使用4 mm高斯濾波器)，發(fā)現(xiàn)左側(cè)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u(píng)EXPLORER行延遲顯像。

表1 4例志愿者基本信息

2 結(jié)果

2.1 空間分辨率 測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 基于 NEMA NU 2-2007標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試uEXPLORER PET系統(tǒng)的空間分辨率結(jié)果(mm)

2.2 靈敏度 系統(tǒng)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(jiàn)圖1。

圖1 uEXPLORER PET系統(tǒng)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(jī)符合及計(jì)數(shù)損失 真符合計(jì)數(shù)率與散射計(jì)數(shù)率隨放射性活度增高而加大，至活度為40.03 kBq/ml時(shí)，真符合計(jì)數(shù)率達(dá)到峰值，為5 664.7 kcps；散射分?jǐn)?shù)較大時(shí)，放射性活度變化范圍35.8%～37.2%；隨機(jī)計(jì)數(shù)率則隨放射性活度呈非線性快速增長(zhǎng)，在高活度時(shí)逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。放射性活度為18.7 kBq/ml時(shí), NECR峰值達(dá)到1 548.95 kcps，之后隨放射性活度增大而逐漸下降。見(jiàn)圖2。

圖2 uEXPLORER PET系統(tǒng)的散射符合、隨機(jī)符合及計(jì)數(shù)損失測(cè)量結(jié)果 A.不同放射性活度對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)率；B.不同放射性活度對(duì)應(yīng)的NECR；C.不同放射性活度對(duì)應(yīng)的散射分?jǐn)?shù)

基于NEMA標(biāo)準(zhǔn)對(duì)uEXPLORER的物理性能指標(biāo)與其他新型PET/CT產(chǎn)品，如Siemens Biograph Vision[9]、GE Discovery MI 5R[10]、Philips Vereos[11]進(jìn)行比較，結(jié)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(jiàn)表3。

表3 4種PET/CT系統(tǒng)物理效能比較

2.4 臨床應(yīng)用 uEXPLORER探測(cè)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(jié)構(gòu)，圖像分辨率較高(圖4)；全身PET掃描同時(shí)已行腦部PET重建，故無(wú)需單獨(dú)進(jìn)行腦部PET掃描，與常規(guī)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(xiàn)肉眼可見(jiàn)的信息丟失(圖5)。無(wú)論在低劑量或低光子數(shù)計(jì)數(shù)情況下，uEXPLORER均可采集到可滿足臨床診斷的全身PET圖像。見(jiàn)圖6、7。

圖3 志愿者1，肺癌廣泛骨轉(zhuǎn)移 右肺中葉外側(cè)段見(jiàn)結(jié)節(jié)狀輕度異常濃聚影(十字標(biāo)識(shí))，約0.6 mm×0.7 cm，最大標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)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(jīng)系統(tǒng)、心臟疾病及研發(fā)新型探針，空間分辨率、靈敏度、散射分?jǐn)?shù)及NECR是評(píng)價(jià)設(shè)備性能的重要指標(biāo)。

光子計(jì)數(shù)率受注射藥物劑量、掃描時(shí)間、晶體探測(cè)效率以及探測(cè)器軸向FOV等綜合因素的影響，在不改變軸向FOV長(zhǎng)度的情況下，通常選擇增加掃描時(shí)間或注射藥物劑量來(lái)以保證獲得足夠的光子計(jì)數(shù)。BADAWI等[12-13]發(fā)現(xiàn)，增加軸向FOV長(zhǎng)度可以增益系統(tǒng)靈敏度。靈敏度表征PET系統(tǒng)在單位輻射劑量下每單位時(shí)間檢測(cè)的真實(shí)計(jì)數(shù)能力，系統(tǒng)靈敏度越高，表示光子探測(cè)效率越高，因此，提高PET系統(tǒng)探測(cè)真符合計(jì)數(shù)的能力是改善靈敏度最直接的方式。不同于以往傳統(tǒng)多床位掃描系統(tǒng)，uEXPLORER PET的軸向FOV為1 940 mm，由8個(gè)PET探測(cè)器單位組成，超長(zhǎng)的軸向FOV使得光子對(duì)即便沿較大傾斜角發(fā)射仍能被探測(cè)到，從而形成有效計(jì)數(shù)，獲得足夠的光子計(jì)數(shù)。初步臨床測(cè)試中，對(duì)志愿者4在 首次掃描4 h后以u(píng)EXPLORER PET行延遲顯像，結(jié)果顯示在低光子計(jì)數(shù)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(biāo)下，PET系統(tǒng)靈敏度越高，對(duì)體內(nèi)藥物濃度要求越低。對(duì)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(tǒng)仍能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)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(yīng)用更為廣泛。

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

uEXPLORER系統(tǒng)的靈敏度高于傳統(tǒng)設(shè)備數(shù)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(fā)現(xiàn)與診斷腫瘤，有效提高治療效果并改善預(yù)后，具有重大應(yīng)用前景與優(yōu)勢(shì)。此外，uEXPLORER系統(tǒng)通過(guò)1個(gè)床位掃描即可實(shí)現(xiàn)探測(cè)全身各臟器、組織，將機(jī)體作為一個(gè)整體進(jìn)行觀察，為實(shí)現(xiàn)全身動(dòng)態(tài)成像提供了路徑[17-18]。通過(guò)全身動(dòng)態(tài)顯像可獲得探針代謝速率常數(shù)，更精確地鑒別良惡性腫瘤，對(duì)于新型探針的藥代動(dòng)力學(xué)研究亦具有重大意義。

綜上，基于NEMA NU-2 2007標(biāo)準(zhǔn)對(duì)國(guó)產(chǎn)uEXPLORER PET系統(tǒng)的物理性能的評(píng)估結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較高的空間分辨率、系統(tǒng)靈敏度，具備一定臨床應(yīng)用價(jià)值，有可能減少劑量或縮短掃描時(shí)間，并提高檢測(cè)小病變的能力。