小動物SPETC/CT日常質(zhì)量控制

張建平 鄭宇佳

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

研究疾病在活體小動物模型體內(nèi)的動態(tài)生物學(xué)過程，促進了高分辨率核醫(yī)學(xué)顯像方法的進步。這些方法能在個體分子水平上闡明疾病的發(fā)生、發(fā)展，遴選評估生物相關(guān)性探針和治療藥物的靶向性和療效。單光子核素在這些方面有許多優(yōu)點，而單光子發(fā)射計算機斷層掃描（single photon emission computed tomography，SPECT）可顯示這些核素的三維空間分布。此外，結(jié)合了CT的SPECT/CT可協(xié)助確定解剖背景下的生化過程，提高SPECT數(shù)據(jù)的量化精度。在過去10年里，專用的小動物SPECT和SPECT/CT系統(tǒng)有了快速發(fā)展，目前已開發(fā)出多個商業(yè)化機型（如BioscanNanoSPECT/CT、GE Triumph X-SPECT，MILabs U-SPECT-II和SIEMENS Inveon SPECT），在科研和臨床工作中發(fā)揮了巨大作用。

小動物影像設(shè)備結(jié)構(gòu)精細、復(fù)雜，整機運行受多方面因素影響，只有對其性能參數(shù)定期檢測和修正，才能保證工作在最佳狀態(tài)，從而達到理想的成像質(zhì)量。因此，定期的日常質(zhì)量控制非常必要。對小動物PET，美國電器制造商協(xié)會（National Electrical Manufacturers Association，NEMA）已在2008年頒布了其性能測試標準[1]。但對小動物SPECT性能測試，目前尚無可被廣泛接受的統(tǒng)一標準。Harteveld等[2]使用前述小動物PET圖像質(zhì)量模型測試小動物SPECT，也有學(xué)者利用分布有“熱”、“冷”區(qū)，類似Derenzo微孔陣列模型研究小動物SPECT基于有效空間分辨率的圖像質(zhì)量[3-7]。本研究基于廠家提供的日常質(zhì)量控制標準，對本科室的Bioscan公司小動物SPECT/CT產(chǎn)品NanoSPECT/CT Plus的日常質(zhì)量控制作一分析。

1 資料和方法

1.1 試劑和儀器

99mTc 溶液由放射性藥房提供。近場均勻性（near field flood, NFF）模型、Jaszczak模型、SPECT定量校正模型、CT幾何校正和Hounsfield模型、聚合酶鏈反應(yīng)（polymerase chain reaction，PCR）管、微量移液器均為Bioscan公司提供。小動物SPECT/CT為Bioscan公司NanoSPECT/CT Plus提供。

1.2 方法

1.2.1 NFF測試用移液器將12～15 μCi/ 5 μL的99mTc溶液裝到200 μL PCR管底部，再將該管放入NFF模型中。通過改變管的高度使每個探頭接收到的計數(shù)率一致，但每個探頭的計數(shù)率不能高于30000cps。每個探頭采集20 M計數(shù)。采集好后利用機器自帶軟件分析采集數(shù)據(jù)，自動給出結(jié)果。

1.2.2 Jaszczak模型測試用1～2 mCi/mL、總量約3 mL的99mTc溶液填充Jaszczak模型，排除氣泡，將ATP108孔板（理論分辨率為1.0 mm）置于探測器視野中央，用矩陣256×256、Zoom=1.14286、“Fine”采集模式等參數(shù)，每個投影采集1 M計數(shù)。圖像重建選擇“Phantom”模式。

1.2.3 SPECT定量校正使用3 mL注射器抽取1～2 m Ci /1.5 mL放射性溶液，取下注射器針頭用針筒帽代替。將此注射器置于活度計中精確記錄活度和測量時間，隨后將其置于相應(yīng)的定量模型中，再將整個模型置于相應(yīng)大鼠或小鼠檢查床上，確認其置于床的中心，用膠帶固定。接著將模型置于SPECT探頭中心后，查看每個探頭的峰值計數(shù)率，根據(jù)計數(shù)率設(shè)置采集時間，使每個投影總計數(shù)不低于50000個，如果超過50000個但時間不到30 s，則將采集時間設(shè)為30 s。采集后利用HiSPECT NG軟件重建，重建算法為OSEM，3次迭代，7個子集。重建后的圖像利用Invivoscope?軟件的Quantification 功能生成感興趣區(qū)，使感興趣區(qū)包含整個針筒。輸入活度、測量時間及核素名稱，系統(tǒng)自動給出定量因子。

1.2.4 CT幾何校正使用專用的CT幾何校正模型。投影數(shù)360，螺距1，管電壓65 kVp，曝光時間1500 ms，Binning 1∶4。重建參數(shù)如下。IN-Plane Voxel Size：Large；層厚：Thick；濾波：Butterworth。

1.2.5 Hounsfield校正采集模式：Circular scan；幀數(shù)：360/rotation；管電壓：ALL kVp；管電流：ALL μA；曝光時間：ALL ms；幀大小：Standard（Binning1∶4）；重建參數(shù)為重建算法：Feldkamp cone-beam；濾波：Ramp；截止：100%；矩陣大小：Large；Voxel size：Smallest。

2 結(jié)果

2.1 NFF測試結(jié)果

如圖1所示，機器4個探頭的性能指數(shù)（figure of merit，F(xiàn)OM）值分別為13.38、15.46、16.06和13.08，均＜20。通過裸眼觀察，未發(fā)現(xiàn)較大面積的黑色區(qū)域；軟件也顯示四探頭在NFF測試方面均合格，說明四探頭對射線的響應(yīng)均勻性較好。

圖1 NFF測試結(jié)果

2.2 Jaszczak模型測試結(jié)果

如圖2所示，所有熱區(qū)除1.0 mm有些模糊外，其余熱區(qū)均清晰可辨，即分辨率接近1.0 mm，線性和均勻性佳。

圖2 Jaszczak模型測試結(jié)果（孔板為ATP108，模型孔徑1.0～1.5 mm）A：矢狀面；B：SPECT與CT融合后的橫斷面，＞1.1 mm的熱區(qū)均清晰可見，線性和均勻性較好

2.3 SPECT定量校正結(jié)果

如表1所示，對應(yīng)不同孔板和不同核素，SPECT校正因子均不相同。

2.4 CT幾何校正結(jié)果

如圖3所示，一階軌道圖（圖3A）顯示其軌道基本呈圓形，二階軌道圖（圖3B）顯示機架在360o繞軸旋轉(zhuǎn)過程中搖擺在±0.5 mm內(nèi)，其均方差為0.1981。每個角度的軌道偏移量均可定量。

表1 不同孔板不同核素的SPECT定量校正因子

圖3 CT幾何校正結(jié)果A：一階軌道圖；B：二階軌道圖

2.5 CT Hounsfield 校正

結(jié)果如表2所示。

表2 不同管電壓和管電流條件下空氣和水的HU值

3 討論

SPECT NFF主要用于監(jiān)測每個探頭光電倍增管（photomultiplier，PMT）增益的穩(wěn)定性，可監(jiān)測圖像的均勻性。Jaszczak模型可監(jiān)測SPECT整體性能，通過模型斷層圖像觀察分辨的最小圓柱直徑和線性插件的均勻性及是否產(chǎn)生偽影，不同的孔板用Jaszczak測出的分辨率不同。本次測量使用ATP108孔板，標稱理論分辨率為1.0 mm，但實際結(jié)果顯示本機的分辨率接近1.0 mm，比臨床SPECT分辨率（一般在1 cm）要好得多，這主要歸因于針孔型準直器的運用、多孔設(shè)計和合理利用探測器有效面積[8-10]，此校正應(yīng)每個月校正1次。小動物SPECT的定量校正非常重要，常用于測量藥品的劑量響應(yīng)曲線，監(jiān)測療效和腦功能區(qū)被激發(fā)后的腦代謝改變。?射線在進入探測器前會被組織吸收和散射，此外儀器固有分辨率會模糊放射性分布及引入兩次誤差—部分容積效應(yīng)，為更精確地獲得更加真實的放射性分布，必須采用各種校正，如衰減校正、散射校正等。臨床上SPECT由于孔徑較大及人體直徑較大，故衰減效應(yīng)和散射效應(yīng)非常明顯，給獲得精確的定量數(shù)據(jù)帶來了挑戰(zhàn)。小動物SPECT由于孔徑較小及光子在小動物體內(nèi)衰減距離較小，似乎散射和衰減的影響可不考慮，但事實上，這兩種效應(yīng)不能忽略。有研究表明，在大鼠大小的物體中，軟組織使高達50%的125I和25%的99mTc可探測光子衰減[11]。類似研究也表明，在嚙齒類動物大小的物體中，多種核素的散射計數(shù)占總計數(shù)的20%～25%[11-12]。目前可通過兩種方法來消除或減小衰減效應(yīng)給數(shù)據(jù)定量帶來的誤差，一種是利用CT圖像進行厚度衰減校正[12-14]，另一種是使用合適的模型來模擬動物體內(nèi)的衰減。本文定量校正采用后者，絕對誤差在12%以內(nèi)。進一步的比較顯示，動物體內(nèi)顯像與體外生物分布（在活度為200 kBq～5 MBq范圍內(nèi)）的相關(guān)性為0.99[15]。

NanoSPECT機架在沿著自身軸旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生周期性搖擺，CT幾何校正測量這種搖擺并產(chǎn)生一個文件，用以在重建圖像過程中校正這種搖擺。此外，該校準數(shù)據(jù)也被用來評估搖擺的嚴重性并確認搖擺不會超過±0.5 mm。從圖3可知，本機搖擺程度在±0.5 mm以內(nèi)。CT HU測量結(jié)果顯示，本機CT可在任何管電壓和電流條件下對水及空氣給出較為準確的HU值，測試指標均合格。

以上所有測試均達標，儀器性能良好。要保證SPECT/CT總體性能長期穩(wěn)定，一方面需按要求進行質(zhì)量控制；另一方面要做好日常保養(yǎng)，如確保環(huán)境溫度處于（18±3）℃、濕度10%～80%、注意供電及電壓、最好配置不間斷電源（uninterruptible power supply，UPS）。小動物SPECT／CT復(fù)雜精密，晶體數(shù)量多，應(yīng)嚴格按操作規(guī)程進行保養(yǎng)，及時發(fā)現(xiàn)問題及時校正，以確保儀器始終處于最佳狀態(tài)。

[1]NEMA Standards Publication NU 4-2008.Performance measurements of small animal position emission tomograph[S].Rosslyn, VA: National Electrical Manufacturers Association, 2008.

[2]HARTEVELD A A, MEEUWIS A P, DISSELHORST J A, et al.Using the NEMA NU 4 PET image quality phantom in multipinhole small-animal SPECT [J].J Nucl Med, 2011, 52(10): 1646-1653.

[3]VAN HAVE F D, VASTENHOUW B, RAMAKERS R M, et al.U-SPECT-II: an ultra-high resolution device for molecular small-animal imaging [J].J Nucl Med,2009, 50(4): 599-605.

[4]DIFILIPPO F P.Design and performance of a multipinhole collimation device for small animal imaging with clinical SPECT and SPECT-CT scanners [J].Phys Med Biol, 2008, 53(15): 4185-4201.

[5]METZLER S D, VEMULAPALLI S, JASZCZAK R J,et al.Feasibility of whole-body functional mouse imaging using helical pinhole SPECT [J].Mol Imaging Biol, 2010,12(1): 35-41.

[6]OGAWA K, OHMURA N, IIDA H, et al.Development of an ultrahigh resolution SPECT system with a CdTe semiconductor detector[J].Ann Nucl Med, 2009,23(8):763-770.

[7]SCHRAMM N U, EBEL G, ENGELAND U, et al.High-resolution SPECT using multipinhole collimation[J].IEEE Trans Nucl Sci, 2003, 50(3):315-320.

[8]SMITH M F, JASZCZAK R J.An analytic model ofpinhole aperture penetration for 3D pinhole SPECT image reconstruction [J].Phys Med Biol,1998, 43(4):761–775.

[9]DELOAR H M, WATABE H, AOI T, et al.Evaluation of penetration and scattering components in conventional pinhole SPECT: phantom imaging using Monte Carlo simulation [J].Phys Med Biol, 2003, 48(8):995–1008.

[10]Smith M F, Jaszczak R J.The effect of gamma ray penetration on angle dependent sensitivity for pinhole collimation in nuclear medicine[J].Med Phys,1997,24(11):1701-1709.

[11]Hwang A B, Franc B L, Gullberg G T, et al.Assessment of the sources of errors affecting the quantitative accuracy of SPECT imaging in small animals [J].Phys Med Biol,2008, 53(9):2233-2252.

[12]Hwang A B, Hasegawa B H.Attenuation correction for small animal SPECT imaging using X-ray CT data [J].Med Phys, 2005, 32(9):2799-2804.

[13]Kastis G A, Furenlid L R, Wilson D W, et al.Compact CT/SPECT small-animal imaging system [J].IEEE Trans Nucl Sci, 2004, 51:63-67.

[14]Weisenberger A G, Wojcik R, Baradley E L, et al.SPECT-CT system for small animal imaging [J].IEEE Trans Nucl Sci, 2003, 50(1):74-79.

[15]Finucane C M, Murray I, Sosabowski J K, et al.Quantitative accuracy of low-count SPECT imaging in phantom and in vivo mouse studies [J].Int J Mol Imaging,2011, 2011: 197381-197388.