NEMA NU2-2018標準與現行國家標準GB/T 18988.1-2013的主要差異

付國濤，王培臣，焦春營，劉迪

1 北京市醫療器械檢驗研究院 (北京 101111)；2 醫療器械檢驗與安全性評價北京市重點試驗室 (北京 101111)；3 放療設備監測與評價重點試驗室 (北京 101111)

GB/T 18988.1-2013《放射性核素成像設備 性能和試驗規則 第1部分：正電子發射斷層成像裝置》是我國現行的正電子發射斷層成像裝置(position emission tomography，PET)性能測試執行的重要推薦性標準。該標準等同采用國際電工委員會(International Electrote-chnical Commision，IEC)發布的IEC 61675—1：1998《Radionuclide imaging device-Characteristics and test conditions-Part 1：Position emission tomography》。由于PET主要制造商的生產場地均在美國[1]，其性能測試均以美國電氣制造商協會(National Electrical Manufacturers Association，NEMA)發布的標準為主，因此GB/T 18988.1-2013將NEMA NU2-2007《Performance Measurements of Positron Emission Tomographs》的內容作為附錄引入。由于IEC 61675—1：1998與NEMA NU2-2007在測試方法上存在一定差別，所以在標準使用過程中應完整地引用兩種方法中的任意一種。目前，NUMA NU2-2007標準已經經歷了兩次較大的版本更新，分別為NEMA NU2-2012和NEMA NU2-2018，我國現行的行業標準與NEMA最新標準(即NEMA NU2-2018)相比已經落后兩個版本。本文主要對比了最新版NEMA標準NEMA NU2-2018與現行國家標準GB/T 18988.1-2013附錄部分(即NEMA NU2-2007)的差異，并探討這些差異對PET性能測試所產生的影響，使相關企業和檢測機構能更深入地理解新版標準的主要變化，為該標準的轉化提供參考。

1 現行國標GB/T 18988.1-2013簡介

GB/T 18988.1-2013規定了PET性能測試的測試方法[2-4]，主要測試內容包括空間分辨率、散射分數、計數損失和偶然符合測量、靈敏度、精確性(計數損失與偶然符合計數校正)、圖像質量及衰減校正與散射校正的精確性等，測試目的是提供一組可以比較的PET性能測量值，測試結果可由制造商引用作為PET的性能特征。隨著PET性能測試方法的逐漸成熟，潛在用戶可能會采用這些測試方法來比較不同制造商生產的設備性能，該標準制定的標準測試方法有助于用戶進行驗收測試。但GB/T 18988.1-2013并未定義PET性能指標的限值要求或者典型值要求，而是將測試細節(如數據采集頻率等指標)留給制造商來確定，同時由于進行各種測試的困難程度和每個測試結果的精度各不相同，采用哪一個結果作為設備性能的典型值也由制造商來確定。此外，該標準制定的測試方法主要針對用于全身腫瘤成像的PET，并不能反映其他類型PET(如腦部成像專用PET)的最佳性能；該標準假定使用此標準的PET系統均可創建正弦圖和斷層切片圖像，并能夠確定和操作二維圓形或者方形的感興趣區域以及能夠獲取在特定時間間隔內探測到的符合事件計數等參數，系統的橫向視野大小應當適用于人體檢查。除了圖像質量測試之外，其他所有測試的可用直徑至少應大于260 mm，并且使用的模體長度均為70 cm，為了測得所有斷層切片的性能，軸向視野應不大于65 cm。對于圖像質量測試，可用的掃描直徑應至少為350 mm。雖然看起來圖像質量測試可以適用于腦部成像PET系統，但需要注意該標準的測試方法是為全身PET系統設計的，并不適用于專用腦部成像系統。

2 NEMA NU2-2018與GB/T 18988.1-2013的主要差異

與GB/T 18988.1-2013相比，NEMA NU2-2018的最大變化是增加了兩個新的章節[2]：第8章飛行時間(time-of-flight，TOF)分辨率和第9章PET/CT配準精度。其他的差別是一些相對次要的變化，目的是使測試更加方便可行。

2.1 空間分辨率測試

GB/T 18988.1-2013要求測試所用放射源為18F，且要求放射源分布由少量濃縮放射性液體組成，盛裝液體的毛細玻璃管的內徑為1 mm或更小，外徑不超過2 mm，放射性物質在毛細玻璃管中的軸向長度不超過1 mm；而NEMA NU2-2018允許的測試所用放射源為18F和22Na，增加了一個可選的放射源22Na，同時明確要求放射源的分布為一個點狀的放射源(線源被指定為備選)，每一個點源都由在各個方向上不超過1 mm的濃縮放射性液體組成，可以用毛細玻璃管或者其他器具盛裝這些放射性物質。

2.2 散射分數、計數損失和偶然符合測試

GB/T 18988.1-2013要求測試模體放置在制造商提供的標準檢查床上，并使線源最接近檢查床，模體中心位于設備橫向和軸向視野的中心，誤差不超過5 mm，且在計數損失和偶然符合測試(涉及計數損失和偶然符合校準的準確性測試及TOF分辨率測試，它們均使用同一測試數據)的數據分析步驟中，并未提及具體的數據分析軸向區域；而NEMA NU2-2018為了使測試結果更加準確，要求測試模體放置在指定位置，位于橫向視野的中心，床的底部位于橫向視野中心下方(15±1)cm處(等效于將患者放置在橫向視野的中心，實際操作時可以將塑料泡沫塊或其他類似物品放置在掃描系統視野外用于支撐測試模體)，同時要求數據分析區域不包括軸向視野中心80%區域之外的切片圖像。

2.3 圖像質量測試

在對于放射源的分布描述中，GB/T 18988.1-2013要求在2個最大的球體(內徑28、37 mm)中填充水，用于冷區成像，4個最小的球體(內徑10、13、17、22 mm)中填充18F，用于熱區成像，球體的中心應距離體部模體的端板68 mm，使它們在軸向上位于同一斷層內；而NEMA NU2-2018中，內徑28、37 mm的冷成像區被替換為熱成像區，所有的6個填充球均填充18F用于熱區成像，球體的中心應距離體部模體的端板70 mm，使它們在軸向上位于同一斷層內。

在對放射性核素的描述中，GB/T 18988.1-2013要求冷區應充滿不含放射性物質的水，熱區中應填充放射性活度比本底高N倍的放射性物質(N等于4和8)；而NEMA NU2-2018刪除了熱區和背景放射性活度比為8︰1的要求，所有的填充球內均填充4倍于背景活度的放射性物質。

在對于衰減校正和散射校正精確性的計算中，GB/T 18988.1-2013要求直徑為(30±2)mm的圓形感興趣區域應位于肺插件的中心，對每層切片圖像i，記錄感興趣區域內的平均像素值Clung,i,12個直徑為(30±2)mm的圓形本底感興趣區域應位于每層本底感興趣區域所在處；而NEMA NU2-2018中，直徑為(30±2)mm的圓形感興趣區域同樣位于肺插件的中心，需在去除肺插件邊緣30 mm以內的切片圖像后再對肺插件內的切片和感興趣區域進行處理。

2.4 第8章TOF分辨率

NEMA NU2-2018新增加的第8章TOF分辨率[5]是為了提高TOF測試的精度。TOF分辨率被表征為探測器響應的半高全寬(full width at half-maximum amplitude，FWHM)。該測試方法表征了探測數據固有的TOF分辨率，并不涉及重建過程或者TOF重建圖像，所采用的模體與散射分數測試的模體相同，所采用的放射源為18F(18F活度應足夠高，使得采集的噪聲等效計數率曲線中包含峰值)；放射源的位置與數據采集過程等與散射分數測試基本相同。被測響應線與模體的空間位置關系見圖1。

圖1 響應線與線源的最短間距示意

TOF分辨率測試的數據處理與分析中，線源方向的單位向量為：

(1)

響應線(line-of-response，LOR)方向的單位向量為：

(2)

LOR和線源的間距為：

(3)

式中，r為響應線到線源的最短間距。LOR上距離線源間距最近的點為：

(4)

測試TOF與期望TOF的時間偏差為：

(5)

式中，t1、t2為一對符合事件中兩個光子各自的到達時間(單位為ps)。

減去隨機符合計數與散射符合計數后的一維時間直方圖用公式計算：

(6)

式中，Cj(t,r)為第j次采集形成的二維計數直方圖，CL,t,j、CR,t,j為以Cj(t,r)為中心，在40 mm帶寬內左側和右側各自的計數。

根據獲得的一維時間直方圖Cj(r)，計算直方圖FWHM作為TOF分辨率。

2.5 第9章PET/CT配置精度

新增加的第9章PET/CT配置精度[6-7]是為了測定PET數據和CT數據直接的配準誤差。該測試需獲取位于PET和CT感興趣區域內的6個位置的基準標記物的重建數據，并且在檢查床上均勻放置115 kg的配重來模擬患者，要求提供數據中基準標記物的分布寬度，基準標記物的中心位置可通過計算獲得，配準精度誤差通過計算基準標記物中心的距離確定?；鶞蕵擞浳飸謩e滿足PET成像和CT成像的要求，重建圖像的中心應一致，大小應滿足特定的要求，包含的放射性物質可以為18F和22Na，并且CT值應大于500 HU。模擬患者的配重為(115±2.5)kg，其中一半的質量均勻分布在直徑為65 cm的區域內，該范圍與檢查床的近端距離為20 cm，剩余的質量均勻分布在直徑為65 cm的區域內，兩個區域中間的距離為30 cm。采集過程中檢查床的高度固定，位于橫向感興趣區域中心下方(15±1)cm處。6個基準標記物分為兩組，放置在兩個橫向平面上，其中一個平面位于床近端5 cm處，另外一個平面位于床近端100 cm處。在橫向平面中，3個基準標記物的坐標分別為(0，1)cm、(0，20)cm和(20，0)cm。所有的斷層圖像均應使用制造商推薦的用于全身成像的標準重建算法進行重建，并應計算6個基準標記物的最大誤差。

3 討論

NEMA NU2-2018最大的變化是增加了兩個章節，即第8章TOF分辨率和第9章PET/CT配準精度。

TOF分辨率表征探測系統探測光子對到達探測器時間差的不確定性[5]。TOF技術理論于20世紀60年代被提出，但直到2000年左右，該理論才被逐漸應用于臨床，目前是PET最熱門和最核心的技術[8]，很多制造商都在積極深入地研發TOF技術。TOF-PET與傳統PET最大的區別在于，其能根據兩個伽瑪光子飛行到兩端晶體條的時間差，來確定湮滅反應發生在LOR上的大致位置。由于傳統PET無法預知湮滅反應發生的位置，因而只能將每條LOR對應的事例等權重分配到該LOR經過的所有路徑，而TOF-PET能夠按照不同的權重對LOR上的計數進行分配，可以帶來更好的圖像質量、更少的用藥劑量、更快的采集速度。TOF分辨率是體現設備性能的重要參數，因此NEMA NU2-2018引入了TOF分辨率的測試。

PET和CT系統集成在一起的一體化成像系統經過十多年的快速發展，目前已經是核醫學成像設備的主流產品，其目的是將兩種成像模態圖像結合起來，呈現出解剖結構圖像和功能圖像的多方面信息，形成優勢互補。PET數據和CT數據之間的配準精度對圖像重建過程中的衰減校正處理和感興趣的解剖結構的定位是非常關鍵的，許多系統校正了PET和CT系統機架的機械偏差，將殘余配準誤差減小到最低，這對于衰減校正和定位是非常重要的。配準的誤差在一定程度上影響對圖像的解讀，因此NEMA NU2-2018加入了PET/CT配準精度的測試。

NEMA NU2-2018的其他變化，如空間分辨率、散射分數等，主要是為了使測試更加容易進行，具有更好的重復性，對位置放置等的描述更加清楚。在圖像質量測試中，內徑28、37 mm的冷成像區被同樣大小的熱成像區代替，考慮的是正常的生物組織中不會有如此大的冷成像區，而比較大的冷成像區可能并不是軟組織(一般為骨骼等結構)，所以設置兩個冷成像區并不能準確地模仿人體組織；而刪除了熱區和背景放射性活度比為8︰1的要求，主要考慮到PET技術的進步，腫瘤等高代謝疾病區域均可以被早期發現，臨床上較少出現活度比為8︰1的情形，而活度比為4︰1的情形則是更為常見的情況，因此活度比為4︰1的定量結果更能反映臨床實際使用情況；肺插件的殘差分析去除肺插件邊緣30 mm以內的切片圖像，是由于每項測試均應盡可能測試設備所能達到的最好性能，而軸向邊緣的數據容易受到兩端其他物質的成像數據影響，從而導致定量結果變差，去除肺部邊緣比較大的范圍內的數據，可保證得到系統能達到的最好肺部區域的成像能力；對于將模體位置的擺放，明確為應將其放置在床體上，既使床體不能升高到使模體中心與系統中心對應的位置，也禁止將模體懸在床體上方，這樣的擺放要求可以保證測試模體的擺放方式與患者實際檢查的位置保持一致，避免為了獲取好的模體定量測試結果，而將模體懸空放置的情況出現。

4 小結

綜上所述，NEMA NU2-2018相比于GB/T18988.1-2013，引入了TOF分辨率和PET/CT配準精度的測試，改進了一些測試方法，其要求更加明確、更具有針對性和可操作性，并且順應了PET設備的發展趨勢，有利于促進新技術的發展和運用，能夠更好地反映設備的性能，具有先進性和科學性。本研究淺析了標準變化的情況，以期為制造商及檢測和監管部門提供參考，并為新版國家標準的制修訂提供參考和必要的依據。