NEMA NU1-2007標準對基于碲鋅鎘探測器SPECT性能測試的適用性*

馮 健

NEMA NU1-2007標準對基于碲鋅鎘探測器SPECT性能測試的適用性*

馮 健①

目的：正確應用美國電氣制造商協會(NEMA)制定的NEMA NU1-2007標準，為基于碲鋅鎘(CZT)探測器的單光子發射計算機斷層成像裝置(SPECT)進行性能測試提供參考。方法：在對基于CZT探測器的SPECT進行性能測試時，需對CZT探測器與單晶體探測器加以區別，探討NEMA NU1-2007標準不適用于CZT探測器的性能測試項目。結果：給出了不適用于基于CZT探測器的SPECT進行NEMA NU1-2007的實驗項目，并給出原因分析和處理辦法。結論：基于CZT探測器的SPECT進行性能測試時不能完全按照NEMA NU1-2007標準的規定進行，制造商需要明確不適用的測試項目及其原因。

碲鋅鎘；單光子發射計算機斷層成像裝置；NEMA NU1-2007標準；性能測試

1996年，具有臨床使用價值的半導體探測器碲鋅鎘(cadmium zinc telluride，CZT)替代NaI晶體的單光子發射計算機斷層成像裝置(single photon emission computed tomography，SPECT)問世，標志著核醫學儀器硬件上的新突破[1-3]。CZT半導體探測器取代了通用型SPECT探頭中的NaI晶體及光電倍增管(photo multiplier tube，PMT)的功能，直接完成了將γ光子轉變成電信號的功能[4-5]。目前，商品化的CZT半導體探測器SPECT的制造商有：美國GE Healthcare公司、Spectrum Dynamics公司和美國Gamma Medica公司[6-7]。GE Healthcare公司生產的Discovery NM530 c用于心臟顯像成像，NM750 b用于乳腺成像，NM670 CZT用于通用成像，可用于全身成像[8]；Spectrum Dynamics公司生產的D-SPECT用于心臟成像[9-10]；Gamma Medica公司生產的LumaGEM用于乳腺成像[11-12]。

目前，絕大多數核醫學制造商使用美國制造商協會(National Electrical Manufacturers Association，NEMA)編制的NEMA NU1-2007標準進行性能測試。由于NEMA NU1-2007標準的性能條款主要針對單晶體探測器，如NaI(Tl)晶體，因此對于使用CZT探測器的SPECT系統，不能完全引用NEMA NU1-2007標準的條款進行測試[13]。基于此，本研究依據CZT探測器與單晶體探測器在結構組成上的區別，闡明如何選擇及修改采用NEMA NU1-2007標準對使用CZT探測器的SPECT設備進行性能測試。

1 CZT探測器與單晶體探測器的區別

1.1 單晶體探測器成像特點

單晶體探測器使用一整塊晶體，γ光子入射到晶體后，會在一定區域內轉化成光，經由光導進入PMT進行光電倍增，然后由定位線路對入射光子進行定位[14-15]。由此可見，即便是一束非常窄的入射γ射線，在晶體上也會出現一個光斑，而不是一個點。

1.2 CZT探測器成像特點

CZT探測器的成像原理是直接將γ射線轉化為電信號。當采集的γ射線與CZT晶體作用時，晶體內部產生電子和空穴對，其數量和入射光子的數量成正比。帶負電的電子和帶正電的空穴向不同的電極運動，形成的電荷脈沖經過前置放大變成電壓脈沖。前置放大輸出的信號經過后續電路處理，然后進行圖像重建。CZT探測器在室溫狀態下能夠處理100萬光子/(s·mm2)，從而保證CZT探測器對γ射線探測具有極高的系統靈敏度[5]。

2 NEMA NU1-2007標準不適用CZT型SPECT的指標

NEMA NU1-2007標準規定了SPECT設備的固有性能、使用準直器的系統成像性能、斷層成像性能及全身成像性能等19項性能指標的測試方法，其中有些指標的測試方法可適用于CZT探測器的SPECT。需要特別表明的是，目前使用CZT探測器的SPECT大部分只適用于特定的部位，如GE Healthcare公司生產的用于心臟顯像成像的Discovery NM530c，用于乳腺成像的NM750b，因此需要根據實際具體確定NEMA NU1-2007標準的適用情況。

2.1 固有空間分辨率和固有空間線性

根據NEMA NU1-2007標準的規定，本測試使用盡可能靠近晶體、能覆蓋整個UFOV范圍、具有1 mm寬以及相鄰縫隙中心距離為30 mm的平行縫隙鉛掩模模型。平行縫隙鉛掩模模型人為地將整個晶體分成若干部分，然后利用縫隙形成的圖像進行半高寬(full width at half maximum，FWHM)和十分之一高寬(full width at one-tenth maximum，FWTM)的測量。由于CZT探測器是離散晶體探測器，固有空間分辨率與每個模塊相鄰2個陽極之間的距離等設計因素有關，如果使用平行縫隙鉛掩模模型，由于擺位等要求的精度很高，反倒不易獲得準確的計數分布情況，因此CZT探測器不適用本測試項目，空間分辨率可以使用“無散射系統空間分辨率”描述的試驗方法進行特征描述。

2.2 空氣中固有計數率特性

根據NEMA NU1-2007標準的說明，當計數率在4000 cps以下時，死時間影響很小，此時認為輸入計數率(ICRi)等于觀測計數率。隨后的第i次ICRi計算為公式1：

使用公式1的另一種表達方式計算，即為公式2：

式中ICRi為第i次ICRi；OCRn為低于4000 cps時最后一次的觀測計數率；tn為最后一次觀測計數率的時間；ti為第i次測量的時間。

隨著ICRi的增加，觀測計數率與ICRi之間失去線性關系，計數損失逐漸增加。使用最近兩點線性插值的方法確定損失20%的觀測計數率，即為公式3：

當ICRi高于單晶體探測器的響應能力時，隨著ICRi的增加，觀測計數率并不會隨之增加，而會出現反折區，如圖1所示[5]。

圖1 單晶體探測器固有計數率特性曲線圖

對于CZT探測器，由于探測器的系統探測效率已經＞500 kcps，而且伽瑪光子直接轉換成光電子，消除了模擬噪聲和信號丟失，使得計數定位和能量定位更加準確。因此在計數過程中的損失也極大降低。經過擬合后的觀測計數率和ICRi是一條直線，計數損失一般會在1%以下。因此，無法提供NEMA NU1-2007標準規定的20%損失時的計數率，如圖2所示。

圖2 CZT探測器固有計數率特性曲線圖

2.3 多窗空間配位

多窗空間配位(MWSR)是SPECT探頭使用不同光峰能窗成像過程中，對不同能量光子精確位置的測量能力。從Anger型探測器的原理上看，光子的定位與能量無關系，理想狀態下采用不同能窗獲得的光峰位置是相同的，但是由于單晶體探測器在處理模擬信號時存在電子電路方面的漂移和誤差，因此在不同能窗下的光峰位置計算會出現一些差異。

CZT探測器模塊中的每個獨立采集單元直接將伽瑪光子轉換成光電子，消除了模擬噪聲和信號丟失，能夠獲得精確的計數定位和能量定位，不存在不同能窗下的光峰位置偏移的情況。因此，使用CZT探測器的SPECT設備不需要進行多窗空間配位測試。NEMA NU1-2007標準在多窗空間配置的備注中聲稱本測試適用于離散像素照相機值得商榷。

2.4 在75 kcps處固有空間分辨率

對于單晶體探測器，NEMA NU1-2007標準中的許多測試規定：“通過能窗的計數率應該≤20 kcps”。從圖2的計數率特性圖可以看出，在20 kcps的ICRi時，ICRi和觀測計數率仍然在線性范圍內，但是在75 kcps時，ICRi和觀測計數率已經在線性關系的邊緣，或者已經是非線性關系。在75 kcps處測量固有空間分辨率和固有泛源非均勻性，主要目的是考量高計數率情況下設備的物理性能變化。

對于CZT探測器，由于其在很高的ICRi下仍然保持較低的計數損失(如在1%以下)，ICRi和觀測計數率存在良好的線性關系，設備物理性能與計數率高低的關系不大，因此不必進行75 kcps處的性能測試。

2.5 系統平面靈敏度和穿透性

NEMA NU1-2007標準要求使用直徑150 mm的塑料盤盛放放射源，這種未按照實際探頭尺寸就給出面源器皿尺寸的做法并不可取，很容易引起不必要的誤解和誤用。根據本研究測試的需求可以看出，面源器皿的底面積只要大于CFOV的尺寸即可。此外，平面靈敏度的測試與距離無關系，穿透性的計算才需要有距離的變化，其計算為公式4和公式5：

使用99Tcm，其源活度在7：50的活度9.9 mCi，在15：41進行采集， 掃描時間是3 min， 掃描后獲得總計數是1487521，則按照公式6獲得的平面靈敏度是公式7：

3 結論

本研究分析顯示，相對于使用模擬線路的單晶體探測器，CZT探測器是使用多晶體的數字型離散像素探測器。兩種探測器無論從成像原理上，還是從機械結構上都有很大的區別。在NEMA NU1-2007標準發布之后CZT探測器才逐漸技術成熟和市場化，因此NEMA NU1-2007標準并未考慮CZT探測器的情況。

由于我國將NEMA NU1-2007標準的內容分別放入了現行國家標準GB/T 18989-2013、GB/T 18988.2-2013以及GB/T 18988.3-2013的附錄中，作為SPECT產品注冊時可供使用的性能要求和試驗方法之一，尤其需要指出，以上3個國家標準的正文部分是等同采用的 國際電工委員會(International Electrotechnical Commission，IEC)標準，附錄中包含中文(NEMA)標準。由于IEC標準和NEMA標準在試驗要求、試驗方法上存在一定差別，采用的模體、測試條件、測試位置以及計算方法都有所不同，所以2個標準檢測項目之間無法互相比較，建議標準使用者完整地引用兩種方法中的任何一種，不應交叉使用。因此，要特別注意在使用以上國家標準進行基于CZT探測器的SPECT的性能測試時，不能夠完全按照NEMA NU1-2007標準的規定編制注冊產品文檔，而是需要在了解CZT探測器工作原理和機械結構后確定測試項目，并對不適用的測試項目進行充分說明。

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The applicability of NEMA NU1-2007 for the performance testing of SPECT based on CZT detector

FENG Jian

Objective:To provide reference for the performance testing of single photon emission computed tomography (SPECT) based on CZT detector by correct applying NEMA NU1-2007 that established by NEMA.Methods:When the performance of SPECT based on CZT detector was tested, the CZT detector should be distinguished from single crystal detector. And the items of performance testing of CZT detector that was not suitable for NEMA NU1-2007 standard were discussed and explored. Result: The experiment items which was not suitable for NEMA NU1-2007 standard were grasped, and the research provided the relative analysis of reason and method of disposition.Conclusion:The performance testing of SPECT based on CZT detector could not completely be implemented according to the standard of NEMA NU1-2007. Besides, manufacturer need know which testing items were inapplicable and their reasons.

Cadmium zinc telluride; SPECT; Standard of NEMA NU1-2007; Performance test

Beijing Institute of Medical Device Testing, Beijing 101111, China.

1672-8270(2017)11-0016-04

R197.39

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.11.005

馮健,男,(1975- ),碩士，工程師。北京市醫療器械檢驗所機電二室，從事放射治療、核醫學器械檢測、醫用軟件檢測以及醫療器械標準制訂和修訂工作。

北京市醫療器械檢驗所科研發展基金(KFXM-014-2015)“PET性能測試軟件的開發與應用”

①北京市醫療器械檢驗所機電二室 北京 101111

China Medical Equipment,2017,14(11):16-19.

2017-04-12