心臟專用多針孔SPECT的性能評估

王海鵬 郭 峰 王新強 張宗耀 王道宇 徐瑩穎 陳 思 劉亞強

心肌灌注顯像(myocardial perfusion imaging，MPI)是單光子發(fā)射計算機斷層掃描(single-photon emission computed tomography，SPECT)在臨床上的重要應用，可直接檢測心肌是否缺血，對心血管疾病的診斷和治療效果評價有重要意義[1-3]。傳統(tǒng)雙探頭SPECT采用平行孔準直器，通過雙探頭的旋轉(zhuǎn)采集不同角度下的投影圖，從而實現(xiàn)斷層成像的功能。靜息心肌灌注顯像的檢查時間較長，檢查過程中患者的移動、呼吸和內(nèi)臟運動都可能導致心臟位置一定程度的移動，使得重建圖像出現(xiàn)偽影[4-6]。

近年來，針對心臟專用的SPECT技術得到了發(fā)展[7-8]。其中以GE公司的Discovery NM 530c[9]和Spectrum Dynamics公司的DSPECT[10]為代表，二者均采用碲鋅鎘(Cd Zn Te，CZT)半導體探測器，而一款心臟專用多針孔(multi-pinhole，MPH)準直器(北京永新醫(yī)療設備有限公司)，實現(xiàn)了更高的靈敏度和更好的空間分辨率，通過將其安裝在可變角雙探頭SPECT(ImageE NET 632)上組成MPH-SPECT成像系統(tǒng)，無需旋轉(zhuǎn)即可實現(xiàn)斷層成像，縮短了采集時間，達到了與心臟專用機相當?shù)男阅?。為此，本研究進行模型實驗和靜息心肌灌注顯像試驗，旨在對MPH-SPECT的性能進行評估。

1 資料與方法

1.1 一般資料

(1)采用直徑11 cm的球模型測量MPH-SPECT的歸一體積靈敏度，采用相互平行且間距在4～5 cm的5根線源模型評估MPH-SPECT的重建空間分辨率。球模型和線源模型內(nèi)均注入高锝酸(99Tcm-O4)水溶液，放射性活度為74 MBq。MPH-SPECT采用雙探頭77.6°夾角的采集模式，兩個準直器上的24個針孔共同聚焦在直徑170 mm的球形視野上。

(2)選取一位32歲的男性健康志愿者，采用99Tcm-甲氧基異丁基異腈(99Tcm-methoxy isobutyl isonitrile，99Tcm-MIBI)顯像劑對其進行靜息心肌灌注斷層顯像。志愿者對本研究知情并簽訂知情同意書。

1.2 心肌灌注方法

在心肌灌注模型內(nèi)注入99Tcm-O4水溶液，其放射性活度為74 MBq。心肌灌注模型的心肌厚度為10 mm，且在前壁中部和下側壁基底段各有一個“冷區(qū)”，沿著心軸方向的長度分別為20 mm和15 mm，以模擬心肌的缺血灶[11](如圖1所示)。

圖1 心肌灌注模型示圖

1.3 圖像采集

MPH-SPECT斷層成像在采集過程中不需要旋轉(zhuǎn)，為靜態(tài)采集，采集矩陣大小固定為512×512。

(1)將線源模型和球模型分別擺放在MPH-SPECT的視野中心，采集5 min；移走模型，采集5 min本底。

(2)將心肌灌注模型放置在MPH-SPECT的視野中心，心尖朝向與床軸平行，采集5 min；放置在Discovery NM 530c的視野中心，心尖朝向與床軸平行，按照標準采集流程采集5 min；放置在低能量高分辨率(low energy high resolution，LEHR)準直器SPECT(LEHR-SPECT)的視野中心，心尖朝向與床軸平行，L模式采集30幀，每幀30 s，采集矩陣大小128×128，放大倍數(shù)為1倍。

(3)志愿者注射顯像劑30 min后自行服用脂肪餐，90 min后依次在MPH-SPECT和Discovery NM 530c上進行采集，采集時間均為5 min。

1.4 數(shù)據(jù)處理

(1)對線源模型的重建圖像進行處理，取5根線源半高寬(full width at half maximum，F(xiàn)WHM)的平均值作為空間分辨率的評估值；對球模型的采集數(shù)據(jù)進行處理，從本底圖像中獲取本底總計數(shù)Nb，從球模型源圖像中獲取總計數(shù)N，系統(tǒng)歸一體積靈敏度Snorm計算為公式1：

式中averg為樣品的活度濃度，等于活度除以球模型的體積；R為球形源的半徑；T1為球模型采集時間；T2為本底采集時間；η為等效模型修正系數(shù)，為國標模型源體積與實驗模型源體積之比。

(2)對MPH-SPECT采集的數(shù)據(jù)采用基于精準系統(tǒng)建模的OSEM迭代算法進行重建，子集個數(shù)16，迭代次數(shù)3次；對Discovery NM530c和LEHR-SPECT采集的數(shù)據(jù)，采用儀器自帶的重建程序和默認重建參數(shù)進行重建。使用QPS定量計算軟件獲取心肌灌注模型重建圖像的靶心圖，以靶心圖內(nèi)最大計數(shù)值為100%，計算心肌灌注模型冷區(qū)域所在的前壁中部和下側壁基底段的計數(shù)百分比，并對不同圖像的處理結果進行比較[4]。

1.5 圖像分析

將不同設備所得的志愿者心肌灌注重建圖像生成報告圖，請3位資深核醫(yī)學醫(yī)師對圖像進行評估，以心臟專用SPECT的圖像作為參照，評價MPHSPECT圖像質(zhì)量的優(yōu)劣，以2位及以上醫(yī)師的一致意見作為最終評估結果。

2 結果

(1)MPH-SPECT的重建空間分辨率，線源平均半高寬為6.0 mm，傳統(tǒng)LEHR-SPECT的空間分辨率約為12 mm，前者明顯優(yōu)于后者；MPH-SPECT的歸一體積靈敏度為92 s-1/(kBq/cm2)，約為傳統(tǒng)LEHRSPECT的4倍[12]。

(2)MPH-SPECT和Discovery NM 530c所得圖像的邊緣更清晰，冷區(qū)對比度更高，對冷區(qū)的分辨能力更好。冷區(qū)灌注計數(shù)百分比見表1，心肌灌注模型重建圖像如圖2所示。

表1 不同灌注方法下冷區(qū)灌注計數(shù)百分比(%)

(3)靜息心肌灌注顯像的重建圖像中第1行對應心臟專用SPECT，第2行對應MPH-SPECT。經(jīng)過3位資深核醫(yī)學醫(yī)師對兩組重建圖像的比對一致認為，兩組重建圖像都能清晰分辨左心室的結構，心肌輪廓清晰，對比度良好，整體圖像質(zhì)量無明顯區(qū)別(如圖3所示)。

圖2 心肌灌注模型重建圖像的矢狀面、冠狀面和橫斷面示圖

圖3 靜息心肌灌注重建示圖

3 討論

目前，國內(nèi)外已有研究表明，采用心臟專用機進行采集可以有效提高患者舒適度、降低劑量以及減少偽影，獲得高質(zhì)量的重建圖像[13-14]。然而，基于CZT探測器的心臟專用SPECT的價格昂貴，給臨床普及帶來一定困難。為此，已有研究提出為SPECT探頭配備多針孔準直器，通過設計合適的針孔直徑和放大倍數(shù)實現(xiàn)更高的靈敏度和更好的空間分辨率，達到心臟專用SPECT性能的同時降低成本[15-16]。但MPH準直器仍面臨很多技術難題需要解決，尚處于研究階段，未見在臨床上的真正應用。

采用傳統(tǒng)LEHR-SPECT進行靜息心肌灌注顯像的主要問題是靈敏度低，分辨率差，為了避免采集到的計數(shù)過低、重建圖像的量子噪聲過大，臨床上采用延長采集時間的方法來增加圖像的采集計數(shù)。采集時間長使得患者的體驗差，采集過程中容易發(fā)生心臟移位，影響重建圖像的質(zhì)量。MPH-SPECT靜息心肌灌注顯像采用為心臟專門設計的多針孔準直器，通過多個針孔對心臟進行投影，最大化利用了探測器的視野，同時通過選擇合適的針孔放大倍數(shù)和孔徑，實現(xiàn)了探測效率和空間分辨率的良好折中，進而提高了探測效率，有效縮短了采集時間，減少了心臟移位造成的重建偽影。同時，MPH-SPECT的空間分辨率優(yōu)于LEHR-SPECT，可更好地分辨心肌上的缺血病灶，有助于提高閱片準確度，降低誤診概率。

本研究通過球模型和線源模型對MPH-SPECT的靈敏度和重建空間分辨率進行了評估，通過心肌灌注模型對照試驗對MPH-SPECT分辨心肌缺血病灶的能力進行了評估，并通過志愿者心肌灌注顯像對照試驗對MPH-SPECT的臨床圖像質(zhì)量進行了評估。研究結果顯示，MPH-SPECT的歸一體積靈敏度和重建空間分辨率均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)LEHR-SPECT；MPH-SPECT對心肌灌注模型上冷區(qū)的分辨能力優(yōu)于LEHR-SPECT且與基于CZT探測器的心臟專用SPECT相當；MPH-SPECT志愿者靜息心肌灌注重建圖像質(zhì)量與心臟專用SPECT相當。MPH-SPECT的核心部件是心臟專用多針孔準直器，與基于CZT探測器的心臟專用SPECT相比成本更低，在臨床應用上可作為后者的低成本替代品，有助于靜息心肌灌注顯像應用在臨床上的普及。

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