探討符合線路SPECT配置針孔準直器進行小動物高能成像的可行性

張秀梅，馮玨，賈紅麗

1.河北醫科大學第二醫院 核醫學科，河北 石家莊 050000；2.河北醫科大學第一醫院 核醫學科，河北 石家莊 050031

探討符合線路SPECT配置針孔準直器進行小動物高能成像的可行性

張秀梅1，馮玨1，賈紅麗2

1.河北醫科大學第二醫院 核醫學科，河北 石家莊 050000；2.河北醫科大學第一醫院 核醫學科，河北 石家莊 050031

目的探討符合線路SPECT配置針孔準直器進行小動物高能成像的可行性。方法① 點源試驗。將14.8 MBq的99Tcm、131I和18F三種核素的點源分別置于針孔準直器表面中心軸線不同距離處，采集點源圖像并計算分辨率；② 小鼠成像。首先采集小鼠的99Tcm和18F-FDG平面圖像，次日采集小鼠的18F-FDG符合線路斷層融合影像。結果99Tcm的點源圖像清晰、無偽影；131I和18F點源周圍均存在少量透射和散射偽影，圖像邊緣有較明顯的環形透射偽影。三種核素點源分辨率均隨距離增加而下降，在距離探頭30 mm位置，99Tcm、131I和18F的點源分辨率FWHM分別為4.3、5.2、7.4 mm，分辨率FWTM分別為7.1、10.1、14.5 mm。其中，18F分辨率FWHM為7.2 mm，優于SPECT的系統分辨率10 mm。經過模擬放大2.5倍后，小鼠的高、低能影像均較清晰，環形偽影位于有效視野之外。小鼠符合線路18F-FDG的影像不清晰。結論在對分辨率要求不高的場合，符合線路SPECT配置低能針孔準直器進行小動物高能成像是可行的。

符合線路SPECT；針孔準直器；小動物成像；18F-FDG成像

隨著新型放射性藥物的不斷涌現，近幾年分子核醫學得到了迅猛發展，小動物分子成像研究受到了極大關注[1-4],但是臨床上還不具備microSPECT和microPET等先進的專用實驗設備。有研究報道，SPECT配置針孔準直器非常適合小動物的低能核素成像，而且通過對針孔準直器的優化設計，可以明顯提高成像質量[5-6]。符合線路SPECT在國內已普遍應用，其配置1英寸NaI（TL）晶體后，提高了高能探測的靈敏度。本研究旨在探討符合線路SPECT配置通用針孔準直器進行小動物高能核素成像的可行性。

1 材料與方法

1.1 儀器與材料

儀器：采用GE Infinia VC Hawkeye型SPECT，配置通用針孔準直器。通用針孔準直器的參數：準直孔的直徑3 mm，張角90o，焦距140 mm，物距15 mm，有效視野239 mm。

放射性藥物與實驗動物：131I、18F-FDG和99Tcm發生器（裂變）均由原子高科股份有限公司提供。清潔級KM小白鼠2只，雌性，購自河北醫科大學實驗動物中心。

1.2 方法

點源的圖像采集與處理：將14.8 MBq 的99Tcm、131I和18F-FDG三個點源分別置于距離針孔準直器表面0、21、42、63、84和105 mm等不同距離處，采集點源的平面影像。采集條件：矩陣256×256，模擬放大因子zoom1.0，總計數500 kc。99Tcm的能峰為140 keV，窗寬為±10%；131I的能峰為364 keV，窗寬為±10%；18F的能峰511 keV，窗寬±10%。像素大小為2.2 mm，共獲得18幅點源圖像。仔細調整點源圖像的灰度，評價點源圖像質量。從點源圖像的計數剖面曲線上，利用線性插值法獲得半高寬（Full Width at Half Maximum，FWHM）和十分之一高寬度（Full Width at Tenth Maximum，FWTM），則點源的分辨率分別為FWHM和FWTM與放大倍數的比值[6]。

小鼠99Tcm和18F-FDG成像：在2只小鼠的尾靜脈分別注射7.4 MBq的99Tcm和18F-FDG，并于20 min和1 h后進行平面顯像。采集條件：zoom2.5、矩陣256×256，采集計數500 kc，小鼠距準直器表面30 mm。次日相同劑量進行小鼠18F-FDG符合線路斷層融合成像。

2 結果

圖1 點源圖像及對應的歸一化計數剖面曲線

2.1 點源圖像

在距離準直器42 mm處，99Tcm、131I和18F的點源圖像和對應的歸一化計數剖面曲線，見圖1。99Tcm的點源圖像清晰，剖面曲線銳利，131I和18F的點源圖像邊緣均出現明顯的環形偽影。使用多層鉛皮進行針孔錐面的部分包繞后，環形偽影被遮擋，表明由于準直器針孔后側壁較薄，高能射線能夠部分穿透，對應的剖面曲線也顯示：在視野邊緣存在計數突起，18F比131I圖像更嚴重。（見圖1）

2.2 SPECT帶針孔準直器對不同核素點源的分辨率

點源距準直器不同距離時的分辨率曲線，見圖2。由圖2可知，三種核素的點源圖像分辨率FWHM和FWTM均隨探測距離的增加而下降；在相同距離處，核素能量越高，分辨率越差，原因可能是隨著射線能量的增高，進入探測視野的散射線也增多，引起圖像模糊，尤其是FWTM的下降使圖像本底增加，對比度下降。但是從分辨率曲線中可以推出：點源距準直器30 mm時，99Tcm、131I和18F的分辨率FWHM分別為4.3、5.2和7.4 mm，FWTM分別為7.1、10.1和14.5 mm。其中，18F分辨率FWHM為7.4 mm，優于SPECT的系統分辨率10 mm。

圖2 點源距準直器不同距離時的分辨率曲線

2.3 使用針孔準直器獲得的小鼠99Tcm和18F-FDG平面圖像

小鼠的99Tcm和18F-FDG圖像，見圖3。由圖3可知，在99Tcm圖像上，能夠清晰地顯示小鼠的身體輪廓以及甲狀腺、胃、膀胱等。在18F-FDG圖像上，小鼠全身輪廓清晰，頭、胸部和腹部及膀胱等能均能清晰分辨，腋下和四肢僅有血液本底水平，故有利于這些部位接種腫瘤后的影像學觀察。使用zoom2.5倍后，18F-FDG圖像上僅在視野邊緣四角存在少量偽影，不會對圖像造成明顯影響。

圖3 小鼠的99Tcm和18F-FDG平面圖像

2.4 小鼠的18F-FDG符合線路斷層融合圖像

小鼠的18F-FDG符合線路斷層融合圖像，見圖4。由圖4可知，在18F-FDG的最大密度投影重建圖像上，僅能夠顯示小鼠的全身輪廓，具體器官不能清晰分辨。在3個方向的斷層圖像上同樣也無法清楚分辨具體臟器的核素分布。

圖4 小鼠的18F-FDG符合線路斷層融合圖像

3 討論

目前SPECT小動物511 keV高能成像，可能的顯像形式有microSPECT、符合線路SPECT和SPECT配置針孔準直器3種方法。microSPECT成像的分辨率和靈敏度可以和microPET相媲美[7]，但多數用戶沒有這種專用設備。SPECT配置通用針孔準直器非常適合于小動物成像，這是因為針孔準直器有兩種影像放大方式：① 軟件完成的電子放大，即將采集條件中的zoom值加大，采集視野縮小，相當于增大采集矩陣，需要增加采集時間才能獲得較好的圖像，這種放大方式并不能提高系統的分辨率；② 通過小孔成像原理實現的光學放大，可以有效地克服探測器固有分辨率對系統成像分辨力的制約，取得較好圖像。小動物成像時通常是兩種方式并用。但是對于常規3/8英寸晶體的SPECT，對高能射線的探測效率僅為9%，能量響應范圍＜400 keV，不能完成18F 511 keV的高能成像。

符合線路SPECT配置1英寸NaI（Tl）晶體后，對511 keVγ單光子的探測效率提高到37%，而且探頭的能量響應范圍完全能覆蓋到511 keV以上，具有18F顯像所必須的各種均勻性、線性和能量等校正功能，具備進行高能顯像的基本條件。而采用雙探頭符合線路SPECT對小鼠進行斷層融合成像時，在3個方向的斷層圖像上無法清楚地分辨具體臟器的核素分布，因此不適合小動物成像。

針孔準直器距點源30 mm時，131I和18F中心點源的分辨率FWHM分別可達到5.2 mm和7.4 mm ，明顯優于普通SPECT的系統分辨率。在進行131I和18F顯像時，視野邊緣會出現偽影環，但使用多層鉛皮包繞準直器錐面側壁后相應的偽影環部分消失，說明高能射線在通用針孔準直器側壁存在透射和散射[8-9]，但是近端側壁因為有2.5 cm厚的針孔插件，能完全阻擋高能射線穿透，從而在影像與周圍偽影環之間形成了有效隔離，小鼠成像時使用2.5倍的zoom值，可以使偽影環遠離成像區，有效減少了散射對圖像的干擾。

符合線路SPECT配置針孔準直器進行小鼠的高能單光子平面成像，在分辨率上雖然無法和專用的MicroPET和MicroSPECT相比較（1～2 mm），無法清晰地顯示小鼠組織器官的結構，但是1英寸NaI（Tl）的應用，明顯提高了對高能射線的探測效率。在分辨率要求不高的場合，如對于腋下或大腿根接種荷瘤（瘤體＞1 cm）的小鼠，觀察其體內不同核素標記的放射性藥物的分布、排泄途徑等，均可滿足顯像要求。

[1] Mitchell GS,Cherry SR．A high sensitivity small animal SPECT system[J]．Phys Med Biol,2009,54(5):1291-1305．

[2] Kim JS,Lee JS,Im KC,et al．Performance measurement of the microPET focus 120 scanner[J]．J Nucl Med,2007,48(9):1527-1535．

[3] 黃勇,孫明山,安里奎·伊薩吉爾雷,等．小動物SPECT-CT裝置的研發[J]．醫療設備信息,2007,22(9):4-6．

[4] 陳紹亮,趙軍,石洪成,等．第51屆美國核醫學年會概況[J]．中華核醫學雜志,2004,24(6):382-383．

[5] 孟慶樂,楊瑞,曹艷,等．SPECT/CT融合顯像在99Tcm-MIBI甲狀腺親腫瘤顯像中的應用[J]．中國醫療設備,2014,(2):121-122,151．

[6] 馬天予,周榮,吳朝霞,等．基于Monte Carlo模擬設計MicroSPECT針孔準直器[J]．清華大學學報(自然科學版),2007,47(s1):933-936．

[7] Rowland DJ,Cherry SR．Small-animal preclinical nuclear medicine instrumentation and methodology[J]．Semin Nucl Med,2008,38(3):209-222．

[8] Tenney CR,Tornai MP,Smith MF,et al．Uranium pinhole collimators for 511-keV photon SPECT imaging of small volumes[J]．IEEE Transactions on Nuclear Science,2001,48(4):1483-1489．

[9] Zeniya T,Watabe H,Aoi T,et al．Use of a compact pixellated gamma camera for small animal pinhole SPECT imaging[J]．Ann Nucl Med,2006,20(6):409–416．

Discussion on the Feasibility of Small Animal High-Energy Imaging Using Coincidence SPECT with a Pinhole Collimator

ZHANG Xiu-mei1, FENG Jue1, JIA Hong-li2
1. Department of Nuclear Medicine, the Second Hospital of Hebei Medical University, Shijiazhuang Hebei 050000, China; 2. Department of Nuclear Medicine, the First Hospital of Hebei Medical University, Shijiazhuang Hebei 050031, China

ObjectiveThis study was aimed to explore the feasibility of small animal high-energy imaging using coincidence SPECT (Single-Photon Emission Computerized Tomography) with a pinhole collimator.MethodsFirst, the point sources of 14.8MBq’s three radionuclides (99Tcm,131I and18F) were placed at di ff erent distances from the central axis of the pinhole collimator respectively. Images of point sources were acquired to calculate their resolutions. Then,99Tcmand18F-FDG images of mice were acquired respectively. The coincidence images of the mouse were acquired on the second day.ResultsThe images of99Tcmpoint source were clear without artifacts; however, there were minor penetration and scattered artifacts in131I and18F images. Additionally, both images had signi fi cant circular penetration artifacts in their edges. Resolutions of99Tcm,131I and18F were declined with the distance increased. At the distance of 30 mm from the pinhole collimator, their FWHM (Full-Widths-at-Half-Maximum) and FWTM (Full-Widths-at-Tenth-Maximum) resolutions were 4.3, 5.2, 7.4 mm and 7.1, 10.1, 14.5 mm respectively. The FWHM resolution of18F showed advantages over the resolution of the images acquired by SPECT. After being zoomed in 2.5 times, both the high-energy and low-energy mice images were clear with the ring artifacts outside the e ff ective fi eld of view. Coincidence18F-FDG images of the mouse were not clear.ConclusionThe coincidence SPECT with the lowenergy pinhole collimator can be used for small animal high-energy imaging if there was no restriction on the resolution of images.

coincidence single-photon emission-computerized tomography; pinhole collimator; small animal imaging;18F-FDG imaging

R814.42

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.03.010

1674-1633(2015)03-0038-04

2014-07-22

2014-11-02

作者郵箱：zhangxm-65@163．com