PET-CT性能檢測技術的研究進展

張鵬，張璞，孫劼，李成偉，劉文麗

中國計量科學研究院 醫學與生物計量研究所，北京 100029

引言

正電子計算機發射斷層顯像儀（Positron Emission Tomography，PET）自20 世紀70 年代誕生以來，為神經系統、腫瘤和心血管系統等疾病的早期臨床診斷提供了非常有效的手段[1]。但由于PET 設備自身分辨力較低，不能提供足夠清晰的解剖結構圖像，因此經常出現病灶精準定位困難的問題。而電子計算機斷層掃描（Computed Tomography，CT）可以清晰地顯示人體的斷層影像，準確描述病變的大小、位置、形態等解剖學特性，但對有些病灶性質難以做出準確判定。隨著臨床需求的不斷增加和技術的快速發展，1998 年第一臺PET-CT 原型機在美國匹茲堡大學醫學中心問世[2]。兩種設備同機整合、兩種圖像同機融合，不僅可以反映病灶的功能性變化，還可以進行精確的解剖學定位診斷，使影像醫學的發展向前邁出了具有歷史意義的一步[3]。

此后，PET-CT 技術發展迅猛，硬件和軟件方面均有顯著進步。硅酸镥晶體（LSO）、硅酸镥銥晶體（LYSO）和基于镥元素的混合晶體（LBS）等新型探測器閃爍晶體的應用使探測器效率得到提高，PET-CT 的采集速度加快。電子準直技術使得數據采集方式由2D 升級為3D，靈敏度提高了10 倍以上，采集時間大大縮短[3-4]。早期的PET 一般采用濾波反投影法（Filtered Back Projection，FBP）進行圖像重建，但因其生成圖像噪聲較高、分辨率和定位精度較差，該方法逐漸被有序子集最大期望值法（Ordered Subsets Expectation Maximization，OSEM）所 替 代；OSEM 能 夠在重建過程中加入多種條件約束，并對空間分辨力的不均勻性進行校正，以提高圖像質量[4-5]。隨著LSO 和LYSO等快速閃爍晶體應用于探測器，點擴散函數（Point Spread Function，PSF）開始應用于PET-CT，使得圖像分辨率得到提高[5]。此外，飛行時間技術（Time of Flight，TOF）在醫用PET-CT 上的應用，使圖像噪聲水平降低，圖像質量得到改善。同時，TOF 技術使探測器采集計數丟失減少，靈敏度提高，從而減少患者的注射藥量，降低輻射劑量[6]。

自2000 年PET-CT 開始應用于臨床以來[1]，西門子、通用電氣、飛利浦先后推出各自的PET-CT 設備，并在全球范圍內占據主流市場。近年來，國產醫療器械制造商發展迅速，東軟、聯影、賽諾聯合等紛紛推出自主PET-CT設備。如表1 所列舉的內容，不同制造商的PET-CT 設備在設計上各具特色，各自的PET-CT 設備也在迅速發展。

表1 各品牌PET-CT設備特點

我國于2002 年引入第一臺PET-CT 設備，隨著腫瘤、心血管系統和神經系統等疾病診療需求的增多，PET-CT 設備裝機量逐年增加，截至2017 年底，國內PET-CT 設備裝機總量已超過300 臺[7]。《2018-2020 年全國大型醫用設備配置規劃》中指出：“到2020 年底，全國規劃配置PET-CT 710 臺內，其中新增377 臺”[8]。隨著PET-CT 的廣泛應用，人們對于PET-CT 的性能要求逐漸提高，PET-CT 性能檢測技術的研究得到了廣泛關注。

1 PET-CT性能檢測技術的發展

PET-CT 的性能參數主要分為PET 性能參數和CT 性能參數兩個方面，其中以PET 性能參數為最關鍵參數指標[9]。PET 的性能參數可以根據性能檢測方法并使用性能檢測模體進行測試，通過測試結果可以了解設備的性能。美國電氣制造商協會（National Electrical Manufacturers Association，NEMA）在1994 年發布了首個PET 性能檢測 標 準NEMA NU 2-1994：Performance Measurements of Positron Emission Tomographs，標準中規定了空間分辨力、散射分數、靈敏度、計數丟失、均勻度等參數的檢測方法，并推薦NEMA NU 2-1994 PET 模體（圖1）用于相關參數的檢測，該模體為外徑203 mm，長度190 mm 的空心圓柱體，模體內置三個圓柱形插件，向插件內灌入不同放射源可檢測不同參數[10]。1998 年，國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）發布IEC 61675 1-1998：Radionuclide Imaging Devices-Characteristics and Test Conditions. Part 1: Positron Emission Tomographs，該標準提出PET 圖像質量的檢測方法并規定使用NEMA IEC 軀干模體（圖2）進行圖像質量評價，該模體為仿軀干型空腔式結構，內置6 個不同尺寸的空心球用于圖像質量評價，模體中心插入與模體等高的圓柱體用于散射和衰減校正[11]。

圖1 NEMA NU 2-1994 PET 模體

圖2 NEMA IEC 軀干模體

隨著PET 技術的進步，特別是軸向FOV 的增加，全身顯像檢查開始增多，原有的性能檢測方法和模體已無法完全滿足PET 性能檢測需求[12]，因此NEMA 在2001 年發布的NEMA NU 2-2001 標準中對檢測方法和模體進行大幅度的修改。NEMA NU 2-2001 標準規定散射分數、計數丟失和隨機符合使用外徑為203 mm、長度為700 mm 的圓柱型散射模體進行檢測（圖3a）。靈敏度使用5 根內外徑不同、長度均為700 mm 的管狀靈敏度模體進行檢測（圖3b）。圖像質量評價部分的內容主要引自IEC 61675 1-1998 標準，該標準規定使用NEMA IEC 軀干模體對PET 圖像質量進行評估[13]。此后，NEMA 分別在2007 年和2012 年對標準進行了修訂，但與NEMA NU 2-2001 相比并無重大變化。隨后，IEC 在2013 年發布的IEC61675 1-2013 標準中對NEMA 標準進行了引用，該標準規定使用NEMA 散射模體對散射分數及靈敏度等參數進行檢測；此外，IEC 標準對PET-CT配準精度的檢測方法做出規定，檢測方法為計算PET 圖像和CT 圖像中NEMA IEC 軀干模體內6 個球體在X、Y、Z軸3 個方向上的偏差[14]。隨著TOF 技術逐漸成熟的應用于PET-CT，NEMA 在2018 年最新發布的NEMA NU 2-2018標準中加入TOF 分辨力測量以及PET-CT 配準精度測量，這是國際標準中首次系統地提出TOF 分辨力的檢測方法和檢測工具，此外NEMA NU 2-2018 標準還對PET-CT 配準精度的檢測方法和工具做出全新規定[15]。該標準的發布使PET-CT 性能檢測標準得到進一步完善。

圖3 NEMA 散射模體（a）與NEMA 靈敏度模體（b）

NEMA 標準中使用的性能檢測方法和檢測模體適用于目前絕大多數PET-CT 設備，并且NEMA 標準規定的性能檢測方法和檢測模體會根據PET-CT 技術的發展做出相應的升級改進，因此該標準在全球范圍內得到了最廣泛的認可[16-17]。

自CT 設備于1972 年應用于臨床開始，CT 設備的性能檢測技術就受到了普遍重視[18]。1977 年，美國醫學物理學家學會（American Association of Physical Medical，AAPM）發布第1 號報告AAPM Report No.001: Phantoms for Performance Evaluation and Quality Assurance of CT Scanners（1977），首次系統地提出了CT 設備性能檢測的方法及模體（圖4a）[19]。1989 年，德國標準化協會（Deutsches Institut für Normung，DIN）和日本工業標準調查會（Japanese Industrial Standards Committee，JISC） 針 對CT 設 備 性能參數、掃描用模體及圖像質量等方面發布了相關標準[18]。1994 年，IEC 發 布 的IEC 61223-2-6-1994 Evaluation and routine testing in medical imaging departments-Part 2-6: Constancy tests-X-ray equipment for computed tomography 是對CT 設備穩定性測試較為科學、權威的新規定，是第一部CT 設備國際通用標準[20]，此標準在2006 年被IEC 做出修訂。1999 年，IEC 發布的IEC 60601-2-44-1999 Medical electrical equipment-Part 2-44: Particular requirements for the safety of X-ray equipment for computed tomography 標準對CT 設備的安全性能做了規定[21]，此后IEC 對該標準做出多次修訂，目前最新的版本為IEC 60601-2-44 Edition 3.2-2016。2017 年，美國放射物理協會（American college of radiology，ACR）和AAPM 修訂了CT 設備診斷醫學物理性能的技術標準，并推薦使用GAMMEX 464 模體（圖4b）對CT 設備的CT 值、密度分辨力、空間分辨力等性能參數進行檢測，此技術標準成為現在國際上比較通用的CT 檢測規范[18,22-23]。此外，美國模體實驗室研制的多參數集合性能檢測模體Catphan 系列CT 性能檢測模體（圖4c）使用范圍也較為廣泛[24-25]，該模體可用于層厚精度、空間分辨力、密度分辨力、場均勻性等參數的檢測。

圖4 不同類型性能檢測模體

2 PET-CT性能檢測方法的研究進展

隨著PET-CT 技術的快速發展，探測器閃爍晶體材料、閃爍晶體單元、光電轉換器件、圖像重建算法等因素均會對PET-CT 的性能產生影響[26]。研究PET-CT 各項性能參數的檢測方法對于準確了解設備的性能指標、探究影響設備性能參數的因素等方面意義重大，從而促進PET-CT 技術的發展。

2.1 空間分辨力

空間分辨力表示PET 探測器能夠分辨最小物體的能力。通過測定空氣中點源重建圖像的半高寬（FWHM）和十分之一高寬（FWTM）[15]，可反映PET 最佳狀況下能達到的最高分辨性能，從而得到PET 設備空間分辨力[27]。Suljic 等[28]在研究影響PET 設備空間分辨力的因素時發現，在探測器中應用硅光電倍增管（Silicon Photo Multiplier，SiPM）、增加閃爍晶體數量、縮小單個閃爍晶體橫截面積均可有效提升空間分辨力，TOF 技術對于空間分辨力無明顯影響但可以有效提高圖像信噪比及對比度[29]，而在檢測過程中使用PSF 技術對圖像進行重建可明顯提高空間分辨力并減少失真[28,30]。

2.2 散射分數，計數丟失和隨機符合

正電子發生湮滅反應后發射的γ 射線與周圍物質相互作用時會產生散射，并最終導致錯誤的符合事件定位，散射符合會使采集的信噪比下降，使圖像質量變差[3]。不同品牌型號的PET 設備在設計和結構配置等方面各有特點，它們對散射符合有不同的敏感度，散射分數是指散射符合占散射符合與真符合之和的比例，可反映PET 設備對散射符合的敏感程度。計數丟失和隨機符合率可用于表達PET采集高放射性活度的能力[31]。使用NEMA 散射模體在較寬的活度范圍內測量計數率隨放射性源活度的變化即可獲得PET 散射分數、計數丟失、隨機符合率等性能參數[15]。

2.3 靈敏度

靈敏度表示設備使用的放射源活度所產生的計數丟失處在可以忽略的水平時，設備對符合事件的探測率，主要用于反映探測器所覆蓋的立體角和探測器效率[32]。使用NEMA靈敏度模體和計數丟失小于5%的低活度18F 放射源測量總計數率和測量時間并計算靈敏度。靈敏度越高，所需采集時間越低，患者負擔越輕，注射劑量越低，患者所受輻射越低；TOF 技術可以在一定程度上提高PET 靈敏度[32]。

2.4 圖像質量、衰減和散射較正

圖像質量是PET-CT 性能優劣的終端呈現，PET-CT 圖像直接影響臨床診斷，因此，圖像質量評價是PET-CT 性能檢測技術的重中之重。探測器性能和圖像重建算法等因素都會影響圖像質量，研究不同圖像重建算法及技術對于不同類型患者的成像質量的影響，可以幫助我們使用最準確恰當的重建算法及技術以發揮設備的最佳性能，從而提高圖像質量。

按照NEMA 標準中規定的PET 圖像質量檢測方法[15]，檢測人員可使用NEMA IEC 軀干模體對PET-CT 進行圖像質量檢測，然后比較不同圖像重建方式對于圖像質量的影響。國內外眾多研究發現，TOF 技術能有效提升圖像對比度和提升衰減和散射校正精度，而PSF 技術能有效提升本底變化率，TOF 技術和PSF 技術聯合使用時對小病灶效果顯著[16,27,29,31,33-34]。Taniguchi 等[35]通過在NEMA IEC軀干模體外部增加圓柱型水模的方式模擬超重患者來檢測PET-CT 掃描超重患者時的成像質量，其研究結果表明，OSEM+PSF+TOF 的圖像重建方式能夠有效提高超重患者的PET-CT 圖像質量。

2.5 CT性能檢測

CT 的性能參數主要包括：檢查床定位精度、CT 值、CT 噪聲、空間分辨力、密度分辨力、層位置精度、層厚精度等。CT 設備的性能檢測技術發展時間較長，性能檢測方法較為成熟，目前通常使用Catphan 系列CT 性能檢測模體或GAMMEX 464 型ACR CT 性能檢測模體等多參數性能檢測模體對PET-CT 的CT 部分進行性能檢測[23,36]。由于PET 圖像的分辨率和解剖定位都相對較差，需要CT 圖像準確描述病變的大小、位置、形態等解剖學特性，因此空間分辨力、層位置精度、層厚精度等是PET-CT 中CT部分的重要性能參數[1,37-39]。此外，PET 成像所需的放射性示蹤劑和CT 設備產生的X 射線均有可能會對人體造成電離輻射損傷，因此控制CT 設備的輻射劑量至關重要。JJG 961-2017 醫用診斷螺旋CT X 射線輻射源對CT 設備的劑量指數、CT 值、空間分辨力等性能參數的檢測方法、檢測工具、性能要求等方面均有詳細規定[40]。程李等[41]學者利用包含衰減信息的TOF PET 數據以及PET 圖像、CT 圖像結構上的相似性，通過數值模擬的方法進行驗證研究發現，引入TOF PET 數據進行聯合重建后可以改善臨床低劑量CT 的圖像質量。

2.6 PET-CT配準精度

PET-CT 將PET 圖像的功能信息CT 圖像的結構信息精準的融合是其最大的優勢，可以顯著提高診斷的準確性，其圖像的生成是通過軟件將PET 和CT 獨立產生的兩種圖像配準進行融合得到的。雖然PET 和CT 的掃描在同一檢查床上完成，但圖像融合的精度仍然受到掃描床的位移、人體器官位移等因素的影響，因此，對PET-CT 配準精度的檢測十分重要[9,42]。目前，PET-CT 配準精度的測量方法較為多樣。IEC61675 1-2013 標準中規定使用NEMA IEC 軀干模體來測量配準精度，通過計算模體內球體PET圖像和CT 圖像的球心偏差得到配準精度結果[14]。國內通常使用YY/T 0829-2011《正電子發射及X 射線計算機斷層成像系統性能和試驗方法》標準中推薦的檢測方法進行PET-CT 配準精度的檢測；該標準在IEC61675 1-2013 標準中檢測方法的基礎上對檢查床上增加負重，以模擬人體重量對PET-CT 配準精度產生的影響[43]。NEMA 最新發布的NEMA NU 2 2018 標準中對PET-CT 配準精度的檢測方法、檢測工具以及配準精度算法做出了全新規定，要求使用兩組相距95 cm 的點源對PET-CT 配準精度進行檢測[15]；該方法在模擬人體重量帶來的影響的基礎上，可檢測PET-CT在多視野、多位置內的配準精度，使PET-CT 配準精度檢測方法的全面性及精準度得到提高。

3 總結

安全穩定的運行和質量保證是PET-CT 得以迅速發展和廣泛應用的前提，性能檢測是了解PET-CT 質量及性能指標最直接和客觀的方式，圖像質量作為直接影響臨床診斷的重要參數在性能檢測技術研究中受到重點關注。NEMA 標準性能檢測方法和性能檢測模體在全球范圍內應用最廣，但并未考慮到PET-CT 參數設置對設備性能表現造成的影響，圖像質量模體不能完全滿足復雜或微小病灶的圖像質量檢測。許多學者基于NEMA 標準研究新的PET-CT 性能檢測方法和性能檢測模體，開發新的性能檢測模體時，在滿足當下檢測需求的前提下，還應預留一些功能以滿足PET-CT 技術發展所帶來了性能檢測需求。