mCT-Flow PET/CT性能測試及與mCT-S64-4R和16HR的比較

潘禾戎 ，姚 杰，戚 鳴 ，茅娟莉，姚之豐 ，宋少莉 , ，章英劍 , ，張建平 , , 7

1. 復旦大學附屬腫瘤醫院核醫學科，復旦大學上海醫學院腫瘤學系，上海 200032；

2. 復旦大學生物醫學影像研究中心，上海 200032；

3. 上海分子影像探針工程技術研究中心，上海 200032；

4. 上海市疾病預防控制中心，上海 200336；

5. 海軍軍醫大學附屬長海醫院核醫學科，上海 200433；

6. 上海市質子重離子醫院核醫學科，上海 201315；

7. 復旦大學核物理與離子束應用教育部重點實驗室，上海 200433

正電子發射計算機體層顯像儀（positron emission tomography and computed tomography，PET/CT）在中國裝機數量逐年增多，各大主要生產廠商均推出了具有最新技術的PET/CT。設備的性能測試非常重要，有多項研究［1-7］測試了各廠家設備的性能。本文基于上海市疾病預防控制中心對復旦大學附屬腫瘤醫院核醫學科新安裝的德國Siemens公司的mCT-Flow PET/CT的性能測試結果，與早先測試過的德國Siemens公司Biograph系列的mCT-S64-4R（簡稱mCT）及16HR的測試結果進行了比較研究。mCT-Flow PET部分測試標準主要參照《放射性核素成像設備性能與試驗規則第1部分：正電子發射斷層成像裝置》（GB/T 18988.1—2013）［8］，該標準與美國國家電氣制造商協會（National Electrical Manufacturers Association，NEMA）NU2-2007類似；CT部分測試標準參照《X射線計算機斷層攝影裝置質量保證檢測規范》（GB 17589—2011）［9］。

1 資料和方法

1.1 儀器、模型和放射性核素

mCT-Flow PET/CT系統的機架孔徑為78 cm。PET軸向視野為22.1 cm，探頭由4個探測器環組成，每個環則由48個探測模塊組成，而每個模塊又由13×13排列的硅酸镥晶體（4 mm×4 mm×20 mm）組成，最終構成了109個圖像層（層厚為2.027 mm）。雙光子探測的符合時間窗為4.1 ns，能量窗為435～650 keV。CT為64層CT系統（Siemens SOMATOM Definition AS+），球管型號為straton mx，探測器為32排64層。本研究使用標準的NEMA測試模型及配件，包括聚四氟乙烯散射分數模體、內徑為1 mm的毛細玻璃管、聚乙烯膠管和廠方提供的專用支架。放射性核素為18F溶液。CT標準測試模型包括Catphan 500模體、直徑為16 cm的頭部模體和直徑為32 cm的體部模體。水的CT值使用標準水模。

1.2 方法

1.2.1 空間分辨率測試

用毛細管制成放射性濃度為12.02 MBq、長度為1 mm的18F點源，置于（X，Y）坐標，此（X，Y）分別為（0 cm，1 cm）、（0 cm，10 cm）和（10 cm，0 cm）。后將其分別置于軸向1/2 FOV和3/4 FOV處，測量上述3個位置及3個方向的半高寬（full width at half maximum，FWHM）。設定采集計數后開始采集，采集結束后自動重建并處理數據。

1.2.2 散射分數、真符合計數率、散射符合計數率、隨機符合計數率及噪聲等效計數率（noise equivalent count rate，NECR）測試

測試使用聚四氟乙烯圓柱體標準模體，其直徑為203 mm、長度為700 mm。距圓柱體中心45 mm處，沿模型長軸有一直徑為6.4 mm的圓柱，柱內可插入一根聚乙烯膠管（內徑為3.2 mm、外徑為4.8 mm、長度為800 mm），于膠管內注入1 009.30 MBq的18F溶液。使用NEMA NECR 協議采集，采集時間設為15 h。

1.2.3 系統靈敏度測試

使用長70 cm、總屏蔽厚度為1.25 cm的5層鋁套管與細膠管組成的模體。將其分別置于有效FOV中心和偏離中心10 cm處，待放射性濃度分別為7.75和5.97 MBq時開始測量。系統靈敏度測定在沒有計數率損失的前提下，設備對一定濃度的正電子核素放射源所探測到的符合事件率。

1.2.4 CT性能測試

CT的測試項目包括定位光精度、噪聲、圖像均勻性、重建層厚偏差、高對比分辨率、低對比可探測能力、CT值線性、診斷床定位精度、CT劑量指數和水的CT值。其中，前7項使用Catphan 500 模體。CT劑量指數使用直徑為16 cm的頭部模體和直徑為32 cm的體部模體。水的CT值使用標準水模。所用儀器性能評價軟件基于NEMA NU2-2007。

2 結 果

2.1 空間分辨率

3臺設備空間分辨率見表1。

表1 mCT-Flow、mCT 和16HR在距FOV中心1和10 cm處的FWHM

2.2 散射分數、真符合計數率、散射符合計數率、隨機符合計數率及NECR

mCT-Flow的散射分數為35%。真實計數率與散射計數率隨源濃度變化的曲線見圖1。總計數率和隨機符合計數率見圖2。當放射性濃度逐漸升高時，真符合計數率成正比升高，當濃度達到12 kBq/mL時，真符合計數率不再與濃度升高成正比。同樣，隨著源放射性濃度的升高，散射符合計數率在12 kBq/mL以下時基本成正比增加，而后增加速率逐漸下降。總符合計數率與源的平均濃度在很寬的范圍內（0～45 kBq/mL）均成正比，而隨機符合計數率隨源濃度的增加其速率增加逐漸加快。NECR曲線見圖3。當平均濃度達到0.021 MBq/mL及k=1時，NECR峰值為117 kcps，當平均濃度達到0.027 MBq/mL及k=0時，NECR峰值為165 kcps。

圖1 真實計數率和散射計數率比較

圖3 峰值NECR比較

2.3 系統靈敏度及CT性能

如圖4所示，源在探頭有效FOV中心處時，mCT-Flow的靈敏度為9.24 cps/kBq，源在偏離中心10 cm處的靈敏度為9.14 cps/kBq。CT性能如表2所示，各項指標均在標準范圍內。

表2 CT性能測試結果

圖4 靈敏度比較

3 討 論

隨著飛行時間（time of flight，TOF）及點擴展函數技術（point spread function，PSF）的推出，PET/CT的信噪比及空間分辨率進一步提高，獲得的圖像越來越清晰，使用的放射性藥物濃度也進一步減少［12-14］。德國Siemens公司率先推出了Flow技術，使得PET/CT采集不受床位的限制，甚至可實現全身4D動態采集。但其主要技術指標在特定環境下的性能尚不清楚，本文對復旦大學附屬腫瘤醫院核醫學科新裝的1臺mCTFlow進行了性能測試，并與我們先前在完全相近條件、相同處理、同一標準下測試過的2臺同廠商的其他機型進行了對比。

空間分辨率表征PET系統分辨2個相鄰點源的能力，用點源擴展函數FWHM表示。測試結果如表1所示，mCT-Flow 在距FOV中心1 cm處的橫斷面分辨率（4.51 mm）略低于mCT（4.30 mm）和16HR（4.10 mm），而在軸向則略高于后者（分別為4.41、4.60和4.70 mm）。10 cm處，在徑向和軸向上的分辨率均略低于mCT和16HR（分別為5.14、4.90、5.00 mm和5.99、5.90、5.40 mm），而在切向上mCT-Flow則略高（分別為4.60、4.70和4.70 mm）。

計數率特征可反映出在較寬濃度范圍內，計數率隨著源濃度的變化而變化的特征。具體可通過測量總符合計數率、真實符合計數率、隨機符合計數率、散射符合計數率和NECR隨源濃度的變化特征反映。從測試結果可知，隨著放射源濃度的增加，總符合計數率在比較寬范圍內與源濃度成正比，相較于16HR，mCT-Flow和mCT的線性更好（圖2），說明可探測正電子核素種類、濃度范圍更廣。3臺設備的真符合計數率和散射符合計數率在低濃度區與源濃度成正比，而在高濃度區，計數率的增加速率逐漸下降，隨機符合計數率則隨著源濃度的增加其增加速率逐漸加快（圖1）。NECR定義為在無散射和隨機符合計數條件下，達到同樣的信噪比所需真符合計數，可用于衡量噪聲、評估PET圖像質量，可認為NECR相等的兩幅圖像的信噪比相等。從本測試（圖3）可知，mCT-Flow的NECR在源濃度為0.021 MBq/mL且k為1時或源濃度為0.027 MBq/mL而k=0時達到飽和，此時再提高源濃度，圖像的信噪比不會提高反而會下降。該結果與mCT相近而數值高于HR16，提高了約125%［10］。可以推斷，對于50 kg的人體，如果其放射性分布可視為均勻分布，則注射的藥量最高劑量應低于1 050 MBq （28.37 mCi），此時NECR達到飽和（k=1）。因此，如進行C-11正電子藥物顯像，其藥量不應因半衰期很短而給予太高。NECR的大幅提高可實現大劑量注射，從而明顯改善大體積患者的圖像質量。此外，我們發現在測量范圍（0～44 kBq/mL）內，即使NECR達到飽和，mCT-Flow PET的真實計數率和總計數率仍保持上升趨勢（圖1、2），并沒有達到飽和［15-16］。

散射分數是散射符合計數在總符合計數中所占百分比，用來表征PET系統對散射符合計數的靈敏程度，散射分數越高，則系統剔除散射符合計數的能力就越弱。由本文的測試結果可知，mCT-Flow的散射分數為35%與16 HR（34%）相近［11］，略低于mCT（37%）［10］，表明其剔除散射符合計數的能力較強。

在一定的統計誤差（總計數）條件下，靈敏度決定了PET顯像劑的使用劑量及掃描時間和方式。從圖4A可看出，mCT-Flow 3D采集時，其軸向FOV靈敏度計數率分布呈三角形（圖4B），設備邊緣處靈敏度較低，中心處較高，同其他設備3D采集時一樣極不均勻，提示在多床位采集時，床位之間需重疊采集范圍較大，以達到床位邊緣與中心均勻性相等。而16HR靈敏度計數率分布呈梯形（圖4C），中間層面的均勻性相同。因此，為達到各層面均勻，mCT-Flow目前默認的重疊采集區域達到50%，16HR重疊則為25%。此外，從測試結果可知，mCT-Flow靈敏度在FOV中心處為9.24 kcps/kBq，結果與Rausch等［17］測試結果（9.6 kcps/MBq）相近，與mCT相比［10］，靈敏度低約7.7%（0 cm處）和11.8%（10 cm處），這可能是設備之間差異所造成。與16HR相比［11］，靈敏度分別提高了51.9%和49.6%。設備靈敏度的提高可能與PET探測環數的增加有關，由原來的39環增加到現在的52環，相應軸向FOV增加了5.4 cm，從而使得符合探測線角度增大2.9°。靈敏度的提高，可縮短采集時間和減少藥物注射量。總之，mCT-Flow與mCT性能相近，但mCT-Flow增加了連續進床的新功能，兩者性能均優于早期的HR16。