不同數學函數算法對SPECT空間分辨性能檢測影響分析

馮澤臣 朱維杰 耿建華 劉 輝 杜國生 婁 云

隨著核醫學的快速發展，單光子發射型電子計算機斷層掃描儀(single-photon emission computed tomography，SPECT)的配置數量不斷增加，只有保證設備的性能要求，方可滿足臨床影像質量。2012年，通過檢測全國十多個省市數十家醫院的40余臺SPECT固有性能測試，不合格率達到24%[1]；2017年，對某地區21臺SPECT的性能測試，不合格率達50%[2]。由此可見，設備的性能驗收檢測、狀態檢測和常規質量控制檢測至關重要。

放射診斷設備和放射治療設備有系列的質量控制檢測規范，對于核醫學SPECT的質量控制規范正在制定中，在SPECT空間分辨性能參數質量控制檢測圖像數據分析時有不同的分析方法，美國電氣制造商協會(National Electrical Manufacturers Association，NEMA)NU1-2012建議采取拋物線法[3]。然而，一些SPECT性能分析軟件則采用高斯擬合算法[4-9]。為此，本研究通過分析拋物線算法和高斯算法的兩種數學函數算法的差異，確定合適的算法，為SPECT性能檢測標準的制定提供參考。

1 材料與方法

1.1 檢測儀器

采用Symbia型SPECT(德國西門子)，通用型SPECT質量控制檢測模體符合NEMA NU1-2012檢測方法要求。

1.2 檢測方法

使用點源和鉛柵采集固有空間分辨力圖像，采集矩陣512×512；使用線源采集系統空間分辨力(采集矩陣512×512)和全身平面空間分辨力圖像(采集矩陣256×1024)。測量方法按照NEMA NU1-2012要求。使用image j對醫學數字成像和通信(digital imaging and communications in medicine，DICOM)圖像進行數據矩陣獲取，對獲取的數據每個性能參數隨機選取10次，分別采取拋物線法和高斯擬合方法確定半高寬(full width at half maximum，FWHM)。

(1)拋物線法。選取數據中像素值最大的3個點解析出a、b、c，計算像素值的最大值為公式1：

(2)高斯法。高斯擬合按y=a+(b-a)×FWHM=2.35 d。

1.3 統計學方法

采用SPSS 19.0統計軟件對數據進行統計分析，對拋物線法和高斯擬合方法確定的FWHM進行配對t檢驗，以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 固有空間分辨力

(1)在固有空間分辨力采集的圖像中，在圖像縱向方向隨機選取10個像素點(如圖1所示)。

圖1 固有空間分辨力采集圖像示圖

(2)固有空間分辨力使用imagej獲取過10個像素點垂直于鉛柵縫隙的矩陣數據見表1。

表1 固有空間分辨力矩陣數據

2.2 系統空間分辨力

(1)系統空間分辨力采集的圖像如圖2所示。

圖2 系統空間分辨力采集圖像示圖

(2)系統空間分辨力的矩陣數據見表2。

2.3 全身平面空間分辨力

(1)全身平面空間分辨力采集的圖像如圖3所示。

圖3 全身平面空間分辨力采集圖像示圖

表2 系統空間分辨力矩陣數據

表4 FWHM及分辨力大小(mm)

(2)全身平面空間分辨力的矩陣數據見表3。

表3 全身平面空間分辨力矩陣數據

2.4 FWHM

(1)不同數學函數算法擬合時，X軸方向為像素點，Y軸方向為像素值，3個性能參數高斯算法擬合相關系數R2為0.974～0.999，拋物線擬合如圖4所示，高斯擬合如圖5所示。

圖4 拋物線擬合示圖

圖5 高斯擬合示圖

(2)對拋物線法和高斯法獲得的FWHM進行配對t檢驗，檢驗固有空間分辨力、系統空間分辨力和全身平面空間分辨力的P值分別為0.0001、0.057和0.075；根據DICOM信息得到每個像素點大小，對于512×512矩陣為1.2 mm，256×256矩陣為2.4 mm。分別按拋物線法和高斯法計算出的FWHM見表4。

3 討論

為提高數據擬合的準確性，像素點的選取覆蓋了最大像素值的十分之一，3個性能參數高斯算法擬合相關系數R2值為0.974～0.999。系統空間分辨力高斯擬合R2值多數＜0.99，其原因分析應為計數過低，應增加采集計數，為減小采集時間可采用256×256矩陣。

對拋物線法和高斯法獲得的FWHM進行配對t檢驗，固有空間分辨力、系統空間分辨力和全身平面空間分辨力的檢驗P值分別為0.0001、0.057和0.075，固有空間分辨力差異具有統計學意義。

崔惠軍等[10]對SPECT檢測的兩種分析軟件測試結果進行了比較，固有空間分辨力、系統空間分辨力的分析結果存在差異，國內大多分析軟件使用高斯算法，高斯算法受選取的像素點數量影響，對同樣采用高斯算法的軟件由于像素點數量選取的不同也會造成結果不同，而拋物線法計算的結果不受像素點數量影響，NEMA NU1-2012建議采取拋物線法，為保證數據可靠并與國際相關標準接軌，對于SPECT空間分辨性能的分析應采用拋物線法進行分析。