基于uEXPLORER PET-CT機的NEMA標準性能檢測方法

凌文嘉，林曉琴，龔琬玲，陳曼珊

廣東省人民醫(yī)院（廣東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院）醫(yī)療設(shè)備處，廣東廣州 510080

前言

X 線正電子發(fā)射斷層掃描儀（PET-CT）是反映病變的基因、分子、代謝及功能狀態(tài)的顯像設(shè)備。它利用正電子核素標記葡萄糖等人體代謝物作為顯像劑，通過病灶對顯像劑的攝取來反映其代謝變化，從而為臨床提供疾病的生物代謝信息。PET-CT是PET與CT 兩種影像設(shè)備有機結(jié)合在一起形成的一種新設(shè)備，PET 主要實現(xiàn)功能成像，CT 實現(xiàn)結(jié)果成像［1-4］。PET/CT 完成功能與結(jié)構(gòu)的雙模態(tài)顯像，相比較于常見的CT、MR，它能更早且更清晰地發(fā)現(xiàn)腫瘤，是當(dāng)今生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)影像技術(shù)發(fā)展的新里程碑。2019年我國聯(lián)影公司研制的2 m 全景動態(tài)掃描uEXPLORER PET/CT 是核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重大突破，配置有80 排CT，擁有超長的掃描視野。在一個屏氣周期內(nèi)就能實現(xiàn)對全身組織臟器的掃描及高清動態(tài)成像，掃描靈敏度是傳統(tǒng)PET-CT 的40倍?？剖铱梢杂眠@臺設(shè)備開展更多新的藥物研發(fā)，個性化精準診療等，以滿足臨床多樣化的檢查需求［5-8］。為了確保儀器系統(tǒng)處于良好的工作狀態(tài)，并獲取高質(zhì)量圖像，需做好日常質(zhì)控及預(yù)防性保養(yǎng)工作。本文通過分析廣東省人民醫(yī)院新引進的1 臺聯(lián)影uEXPLORER PET/CT 基本結(jié)構(gòu)和工作原理，從PET 角度探討該設(shè)備的NEMA 標準（美國國家電氣制造商協(xié)會的PET 檢測標準）性能檢測方法，共4 個檢測項目:空間分辨率、靈敏度、散射分數(shù)和等效噪聲計數(shù)率［9-12］。

1 PET子系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和工作原理

該PET/CT 機主要由PET 系統(tǒng)、CT 系統(tǒng)、檢查床、水冷機、軟件系統(tǒng)、控制臺組成。其中PET 子系統(tǒng)位于機架后方，主要部件包括探測器、電子系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)，其中探測器用來接收通過人體內(nèi)示蹤劑發(fā)射的γ 射線，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后將接收到的射線轉(zhuǎn)換為電信號，電信號通過電子系統(tǒng)處理后提取位置、能量、時間等信息后將信號傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng)進行圖像重建［13-15］，水冷系統(tǒng)為探測器提供恒定的溫度，PET成像原理如圖1所示。

圖1 PET成像原理Figure 1 Principle of PET imaging

2 材料與方法

2.1 空間分辨率測量

空間分辨率是指兩點間的最近距離，對PET 系統(tǒng)應(yīng)測量橫斷面兩個方向（徑向和切向）的空間分辨率和軸向空間分辨率，本次性能檢測針對的是半高寬（FHWM），空間分辨率要求為距離射野中心1 cm處的橫向及軸向結(jié)果均為3.5 mm；距離射野中心10 cm處的橫斷面徑向、切向結(jié)果及軸向結(jié)果＜3.8 mm。首先將空間分辨率測試工裝進行定位，將工裝安裝在檢查床上，按照NEMA 標準要求將3 支毛細管插在工裝上，其（X,Y）坐標位置分別是（0, 10 mm）、（100 mm, 0）和（0,100 mm）。進行CT 掃描，并在CT圖像上（偏離射野中心1 cm 位置）確定毛細管頂端的位置，根據(jù)此位置重新調(diào)整病床高度，并微調(diào)測試工裝在X 方向的位置，確保點源橫截面位置正確，再次掃描CT，在3D viewer 界面記錄線源頂端的床碼值。毛細管F18-FDG（氟代脫氧葡萄糖）放射源模型點源制作方法：準備3 根毛細管點樣（1 mm 內(nèi)徑），準備活度濃度為25 mCi/cc（925 MBq/mL）的FDG，放在小器皿內(nèi)并注入少量紅墨水，每根點樣未封的一端戳入微量的高吸水性樹脂粉末（粉末在規(guī)格為1 mm 毛細管子內(nèi)的長度目測1 mm 為佳），隨后清潔此管口。按上述步驟，制作出3個FDG點源。

點源數(shù)據(jù)采集方法：分別在1/2 AFOV（軸向視野）位置與1/4 AFOV 位置，首先將制作好的3 根點源，按照NEMA 標準要求的位置，插入測試工裝上，將底座移動至PET 位，并將檢查床位置移至之前記錄的1/2 AFOV 床碼位置，設(shè)定時間為10 min 后進行數(shù)據(jù)采集。然后將檢查床從1/2 AFOV 位置移至1/4 AFOV 位置，在1/4 AFOV 位置根據(jù)系統(tǒng)的軸向視場角（FOV）長度，同樣設(shè)定時間每10 min 后進行數(shù)據(jù)采集。

2.2 靈敏度測試

靈敏度測試包含F(xiàn)OV 中心與距離FOV 中心10 cm位置兩個點的靈敏度，結(jié)果標準為≥150 kcps/MBq。安裝靈敏度測試工裝：首先兩個支架放置于PET 掃描孔徑之中，PET 側(cè)支架的外沿與孔徑圓筒縫齊平，水平尺調(diào)平，把5 根鋁管一一放于支架之上，使得每根鋁管在PET 側(cè)從支架外沿向外延伸長度相同，在每根鋁管上做好標記。準備放射源：測得靈敏度測試所用的塑料軟管被注入70 cm 長水柱時的體積，按上述體積，將FDG 放射源注入塑料管中，記錄當(dāng)時的活度以及采集時間，把線源插入最小直徑鋁管中，并在線源的塑料軟管外壁標上記號。數(shù)據(jù)采集：將線源放置在FOV 中心的卡槽上，從最小直徑的鋁管開始數(shù)據(jù)采集，將剩余鋁管按從小到大的順序逐次套在上次采集的鋁管外，并進行掃描，每次掃描時間為5 min，且每次嵌套完鋁管后需更換相對應(yīng)卡槽，以保證線源在PET 的FOV 中心位置不變；每次更換完畢后，用水平尺檢查工作的水平度，并作相應(yīng)調(diào)整，最后記錄每次掃描的初始時間和掃描持續(xù)時間，將卡槽移動至距離中心10 cm位置，重復(fù)上述4條步驟，并記錄時間，見表1。

表1 FOV中心與距離中心10 cm 處掃描時間記錄Table 1 Record of scanning time at FOV center and 10 cm from the center

2.3 散射符合/等效噪聲計數(shù)率測量

準備模型：把散射水模的4個聚四氟乙烯圓柱放在病床上，在其軸心插入塑料棒，把4 個圓柱連接起來，使用塑料管往內(nèi)注入清水，插入散射水模的小孔中，確保小孔連接通暢，并在線源上做標定，使得放射源分布能夠貫穿整個水模，量得整個線源內(nèi)水柱長度達到70 cm 時的體積。使用CT 對其進行定位：通過CT 螺旋掃描成像，記錄水模中心的坐標值，根據(jù)從圖像上得到的誤差，調(diào)整水模和床高位置，直至水模中心位于FOV 中心，線源孔位于水模中心軸的正下方。準備足夠高活度的放射源，按照第一個步驟測得的體積準備清水，隨后把放射源稀釋于其中，將放射源注入塑料軟管中，并記錄其中的活度以及測量時間，并將塑料軟管插入散射水模中。數(shù)據(jù)采集：使用NEMA NECR 協(xié)議進行采集，設(shè)定好采集時間和暫停時間；采集過程耗時14.5 h，需記錄采集初始時間。

3 結(jié)果

3.1 空間分辨率測量值

把在1/2 AFOV 和1/4 AFOV 位置采集的所有數(shù)據(jù)拷貝至測試移動工作站，得出3 個點源在X、Y、Z方向空間分辨率（FWHM），見表2。并利用設(shè)備自帶的測試處理工具分析數(shù)據(jù)和匯總測試結(jié)果得到NEMA 徑向、切向和軸向空間分辨率（FWHM），見表3。結(jié)果顯示NEMA空間分辨率距離射野中心1 cm處的橫向結(jié)果為3.10 mm，軸向結(jié)果為3.28 mm；距離射野中心10 cm 處的橫斷面徑向結(jié)果為3.48 mm，橫斷面切向結(jié)果為3.24 mm，軸向結(jié)果為3.49 mm，其結(jié)果均符合標準。

表2 3個點源在X、Y、Z方向空間分辨率（FWHM,mm）Table 2 Spatial resolution of 3 point sources in X,Y,Z directions(FWHM,mm)

表3 NEMA徑向、切向和軸向空間分辨率（FWHM,mm）Table 3 NEMAradial,tangential and axial spatial resolutions(FWHM,mm)

3.2 靈敏度測量值

2 次數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，將結(jié)果拷貝至測試移動工作站中利用測試處理工具分析數(shù)據(jù)和匯總測試結(jié)果，如圖2、圖3 所示。最終得到FOV 中心位置系統(tǒng)靈敏度為174.279 kcps/MBq，距離FOV 中心10 cm 位置系統(tǒng)靈敏度為180.261 kcps/MBq，F(xiàn)OV中心位置系統(tǒng)靈敏度軸向曲線如圖4 所示，距離FOV 中心10 cm位置系統(tǒng)靈敏度軸向曲線如圖5所示，其結(jié)果符合靈敏度測試標準范圍≥150 kcps/MBq。

圖2 FOV中心位置靈敏度測試數(shù)據(jù)Figure 2 Sensitivity test data at FOV center

圖3 距離FOV中心10 cm位置靈敏度測試數(shù)據(jù)Figure 3 Sensitivity test data at 10 cm from FOV center

圖4 FOV中心靈敏度軸向曲線Figure 4 Axial sensitivity at FOV center

圖5 距離FOV中心10 cm位置靈敏度軸向曲線Figure 5 Axial sensitivity at 10 cm from FOV center

3.3 散射符合/等效噪聲計數(shù)率測量值

把之前采集到的數(shù)據(jù)拷貝至測試移動工作站后利用NECR測試處理工具分析數(shù)據(jù)，其分析界面如圖6 所示。最終得到計數(shù)率活度，如圖7 所示。散射分數(shù)活度曲線如圖8 所示。NECR 計數(shù)率活度曲線如圖9所示。

圖6 NECR測試處理工具分析界面Figure 6 NECR test processing tool analysis interface

圖7 計數(shù)率活度曲線Figure 7 Counting rate-activity curve

圖8 散射分數(shù)活度曲線Figure 8 Scattering fraction-activity curve

圖9 NECR計數(shù)率活度曲線Figure 9 NECR count rate-activity curve

根據(jù)計數(shù)率活度曲線數(shù)據(jù)得出真計數(shù)率峰值Rt,peak=5 379.8 kcps，真計數(shù)率峰值對應(yīng)的活度ɑt,peak=24.04 kBq/cc；根據(jù)散射分數(shù)活度曲線得出NECR 計數(shù)率峰值對應(yīng)的散射分數(shù)SF=36.7%，低活度時的散射分數(shù)SF=35.3%，NEMA 散射分數(shù)符合在NECR 計數(shù)率峰值處標準要求≤45%；根據(jù)NECR 計數(shù)率活度曲線得出等效噪聲計數(shù)率峰值RNEC,peak=1 569.5 kcps，此時對應(yīng)的活度ɑNEC,peak=15.4 kBq/cc，結(jié)果符合NEMA等效噪聲計數(shù)率要求≥1 350 kcps。

4 討論

依據(jù)檢測標準，本次聯(lián)影uEXPLORER PET/CT的PET 系統(tǒng)的空間分辨率、靈敏度和散射/隨機/計數(shù)損失等性能指標測試均通過，具體結(jié)論見表4。

表4 本次性能檢測結(jié)論Table 4 Performance test conclusions

本文闡述的4個性能檢測方法與傳統(tǒng)進口PET-CT機型檢測方法相比，無需進入維修模式。并且空間分辨力的測試過程中，增加點源位置的復(fù)檢，提高了位置的精準度；靈敏度測試采集數(shù)據(jù)時間短可重復(fù)性強，使得流程更加順暢。散射分數(shù)、等效噪聲計數(shù)率檢測無需重復(fù)設(shè)置條件，具有較好的可操作性。綜合分析該檢測方法與傳統(tǒng)進口機型的檢測對比有較大的改變，但是操作簡便，過程合理，并利于質(zhì)量控制工作的推廣。希望本文的基于uEXPLORER PET-CT機的NEMA標準性能檢測方法能為PET-CT機的質(zhì)量控制及預(yù)防性維護保養(yǎng)提供參考，并通過快速、高質(zhì)量地完成PET-CT機的性能檢測工作，以提高機器的高效穩(wěn)定運行，保證患者的生命安全［16-18］。

由于該設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密元器件眾多，因此日常保養(yǎng)工作中需關(guān)注機器環(huán)境溫度，大型醫(yī)療設(shè)備環(huán)境要求正常溫度為20～24 ℃，濕度要求為40%～60%。在以后的工作中可進一步關(guān)注溫濕度的變化對設(shè)備性能的影響程度的研究。

5 結(jié)論

綜上所述，PET性能測試中空間分辨力、靈敏度、散射分數(shù)、等效噪聲計數(shù)率都是直接評價機器性能的重要指標［19-20］。例如當(dāng)PET-CT檢測檢查發(fā)現(xiàn)SUV值（標準攝入值）異常時，是否是患者自身腫瘤組織攝取18F-FDG 示蹤劑定量指標引起的個別現(xiàn)象，還是因為設(shè)備的原因?qū)е碌恼w現(xiàn)象？當(dāng)出現(xiàn)整體現(xiàn)象時，設(shè)備的性能檢測結(jié)果尤為重要，因此為保證設(shè)備系統(tǒng)的正常運行和掃描圖像質(zhì)量，需要定期對設(shè)備進行系統(tǒng)的性能檢測。PET-CT作為高風(fēng)險大型醫(yī)療設(shè)備在日常工作中做好機器的性能檢測及質(zhì)控工作，不僅能延長機器壽命，而且保證圖像質(zhì)量，滿足臨床需求［21-22］。通過推廣性能檢測方法并熟悉性能檢測流程，從而能夠持續(xù)定期進行性能監(jiān)測和具體了解機器的性能狀況，對核醫(yī)學(xué)的質(zhì)量控制工作具有重要意義。