符合线路SPECT显像原理及其应用*

2013-08-15王荣福

中国医学装备 2013年1期

王荣福

医用核子仪器是一类通过检测引入人体内的放射性核素及其标记化合物，即放射性药物在不同脏器和(或)病变组织的摄取和清除程度，显示脏器和病变组织的形态、血供、功能、代谢、免疫特性、递质浓度和受体密度的放射性显像仪器和检测体外待测物质含量的非放射性显像仪器[1]。医用核子仪器主要包括放射性核素显像仪器如γ相机、单光子发射型电子计算机断层显像(single photon emission computed tomography，SPECT)仪和正电子发射型电子计算机断层显像(positron emission computed tomography，PET)仪以及近年来推出并开始广泛用于临床的双和(或)三探头符合线路断层显像仪和非放射性核素显像仪器如放射免疫分析(radioimmunoassay，RIA)测定的γ闪烁计数仪和液体闪烁测量仪(liquid scintillation)等。然而上述仪器具有不同的临床适用范围，因此充分了解医用核子仪器设备的性能、工作原理和特点及其临床应用是非常重要的。

现代先进的医疗设备是促进医学事业发展的重要先决条件之一。分子影像新技术—PET/CT是当今核医学领域最先进的显像仪器，我国已安装运行的PET/CT160多台，北京地区已有23台，其临床应用价值已得到肯定[2]。但由于存在仪器昂贵、PET/CT属于甲类医疗设备需要卫生部配置证和检查费用目前尚未进入医保等具体问题，临床应用受一定限制。在学者、专家以及生产SPECT商家共同努力下，竟相推出在双探头或三探头SPECT机上进行符合探测，既实现了廉价正电子断层成像，又兼备SPECT断层显像功能，达到一机两用的目的，其图像质量已满足临床诊断需要[3]。符合线路SPECT既可更新设备老化SPECT，同时又可开展18F-FDG肿瘤代谢显像、心肌细胞存活性检测和脑功能与受体研究，对我国边远地区及部分医疗机构具有重要意义[4]。本文就针对符合线路SPECT的显像原理和应用综述如下。

1 符合线路SPECT显像发展史

正电子符合探测技术早在20世纪60年代由Anger等开始用高能准直器，厚晶体的γ相机进行了单光子的正电子放射性核素(511 keV)平面显像，不少学者或专家还做了正电子发射断层显像的尝试，由于当时科学技术水平限制，尚未成功。20世纪70年代初继X-CT新技术的出现，正电子显像技术发展迅速，并推出第一台适于临床应用的PET，到20世纪70年代中期第一台商业PET问世，历经20年不断改进和完善，PET技术已经成熟，国外已广泛用于临床。山东淄博万杰医院于1994年在国内首家引进美国GE公司Advance PET，1998年北京、上海、广州市相继引进或安装了PET，这无疑对促进和推动我国PET事业发展具有重大意义。然而，PET分辨率远不如X-CT，设备价格昂贵，还要考虑到安装生产正电子的加速器和合成示踪剂的全套装置以及配套人员和经营管理各种费用开支等多种因素，使得国内大多数医院难以给予这种高新技术的投资，因此，PET有它的局限性。20世纪80年代后，世界生产核医学仪器的各家公司结合发展中国家国情和遵循市场需求在可变角双探头SPECT机上进行正电子符合探测成像的开发与研究，取得重大成功，并在临床应用中得到了证实。

双探头符合线路断层显像是各公司竟相推出并能较廉价地用SPECT实现正电子符合探测成像的一种新技术。它具有单光子成像和部分正电子成像双功能，亦称为SPECT/PET或hybrid PET。目前，国际上先后研制出SPECT/PET产品，各自有其特色，各公司产品命名各不相同，但符合探测原理相同，并均获得美国FDA批准。与常规SPECT相比：①符合线路SPECT探测灵敏度高，探测效率高和图像质量较好；②空间分辨率较好，与病变深度无关；③可以进行高能正电子氟[18F]断层显像。

2 符合线路SPECT工作原理及特点

符合线路SPECT主要由可变角双和(或)三探头SPECT系统、符合探测技术和衰减校正(attenuation correction，AC)装置构成。其显像原理是利用湮没辐射产生的2个γ光子的直线性和同时性。当正电子放射性核素及其标记化合物引入人体内参与某种代谢或生化过程时自发地、不断地衰变发射出正电子，每个正电子与周围环境中一个负电子发生湮灭反应，并发射出一对能量相等(511 keV)在同一直线上方向相反的γ光子，而后分别被2个互相朝向的探头接收，并产生位置信号。目前，各厂家生产的SPECT机械结构已完全能满足这一要求。这种利用湮没辐射和2个相对探头做符合测量，对射线进行限束的技术称之电子准直。与常规SPECT探头不同，符合线路SPECT成像不需要机械准直器，从而大大提高了探测效率。符合线路只记录在一定时间范围内同时到达2个探头的2个光子，由于正电子的湮灭产生γ光子的空间位置到达2个探头面的距离不同，因而2个γ光子所飞行的时间将有一定的差别，将该时间差别为脉冲幅度，即可计算正电子湮灭产生的空间位置[5]。在实际测量中，往往规定一个时间差范围，如某公司产品为15 ns。在15 ns内进入的2个γ光子视为同时发生的γ光子，予以探测，在15 ns外的2个γ光子不予以探测。为此排除了散射光子的探测。在这个时间间隔(快符合线路的分辨时间)而被误认为“同时”发生而探测下来的即不是一个正电子产生γ光子称之为随机符合。随机符合为2个不相关γ射线分别在时间幅度变换器分析范围内到达2个探头所产生的信号，与计数率成正比关系，提高计数率不能降低随机符合，只能通过能量道可以去掉一部分。随机符合增加图像噪音，严重影响图像对比度，必须加以限制。由于随机符合在总符合中的比例仅占1%，因此，要提高正电子成像的信噪比，符合线路SPECT探测要求每个探头计数率至少达1000 kcps以上。ADAC公司生产的Vertex plus EPIC可达2400 kcps。由于符合探测的复杂性，尽管511 keV光子比低能光子在组织中的穿透能力强，吸收少，但其在组织中的衰减将严重影响图像质量。ADAC和Marconi公司生产的符合线路SPECT衰减校正分别采用单光子放射性核素137Cs(T½30.14年，662 keV)和133Be(T½ 10.9年，365 keV)，在注入正电子核素及其标记化合物后进行数据采集和透射采集，即通常所说的T+E，极大节省了成像时间。Seimens公司生产的符合线路SPECT衰减校正采用软件计算方法。GE公司生产的符合线路SPECT衰减校正采用X-CT发射的X射线，检查前先进行透射采集(约10 min)尔后进行数据采集，同时可进行同机解剖结构与功能代谢图像融合，对病灶可作出精确定位诊断。通常对心脏、纵隔、腹部、盆腔部位病灶要做衰减校正，可大大提高靶/非靶组织的对比度，有利于发现微小病变，提高正确诊断率[6]。

近年来，人们开始对符合线路SPECT探头晶体材料进行研究，NaI晶体不能有效地捕捉正电子衰减发射的γ射线，而BGO在转换低能γ射线为光信号时转换率也不佳，目前Seimens公司正在与CTI公司共同开发研究硅酸镥(lutetium-oxyothosilicate，LSO)晶体。它具有发光衰减期极短，仅为50 ns(NaI 200 ns)，且光子累积效应呈大幅度地降低的特点。实验初步证明LSO晶体转换低能γ射线为光信号时其转换率既接近NaI晶体性能要求，又与BGO晶体相媲美，能较高密度地、有效地捕捉511 keV γ光子。目前认为LSO晶体用于符合线路探测富有前景。飞利浦公司研制推出硅酸钆(gadolinium-oxyothosilicate，GSO)晶体[7]。此外光电倍增管将来会向半导体方向发展。随着计算机技术的开发应用和迅速发展，飞利浦公司已推出Forte、Brightview；GE公司推出Hawkeye、Infinia II和IV；西门子公司推出的Ecam、Symbia T2、T6等内存大，功能强大的新一代符合线路SPECT，处理速度大大加快，并配置不同性能的X射线球管、平板CT和单排或多排CT进行衰减校正等功能，使得符合线路探测技术更加完善，更符合临床诊断需求。

符合线路SPECT成像分辨率和灵敏度较高，空间分辨率(FWHM)较佳。符合线路SPECT设备比PET价格便宜，并兼备有单光子SPECT显像和18F正电子探测功能。符合线路SPECT18F-氟代脱氧葡萄糖(18F-fluorodeoxyglucose，18F-FDG)可进行身体任何部位的正电子成像包括脑功能代谢研究、心肌细胞存活性检测及全身各部位肿瘤成像。当然，符合线路SPECT功能及图像质量与PET相比略为逊色。临床应用发现在探测直径＜1.5 cm肿瘤病灶、动态定量分析及脑功能、脑受体研究方面，PET、PET/CT比符合线路SPECT正电子成像具有绝对优势[2]。

3 SPECT/PET临床应用

由于18F-FDG放射性药物的开发利用，符合线路SPECT18F-FDG用于肿瘤代谢显像、心肌细胞活性检测及脑功能和中枢神经精神疾病应用研究越来越受到人们的重视，且临床应用价值得到了充分肯定。

3.1 肿瘤应用

肿瘤细胞的异常增生表现为过度利用葡萄糖，这是所有恶性肿瘤的共同特点，其基本机制是FDG作为葡萄糖类似物参与体内糖代谢过程中，FDG在己糖激酶作用下变成6-磷酸氟化脱氧葡萄糖后不再进一步代谢而滞留在细胞内从而形成FDG浓聚影，且恶性肿瘤细胞具有较正常组织、良性病变和低度恶性肿瘤明显活跃的糖代谢浓聚灶或“热区”，因此，利用18F-FDG符合线路SPECT成像技术获得的图像所反映的信息是肿瘤组织细胞代谢状态[8]。符合线路SPECT对肿瘤良恶性鉴别及恶性程度判断、肿瘤临床分期和分级、鉴别肿瘤经手术或放射治疗后复发或坏死和纤维化以及预后判断具有独特优势。王晓新和王荣福等报道[9-10]对76例经手术病理或活检组织学印证进行SPECT/PET18F-FDG显像，灵敏度为95.5%。特异度为70%，阳性预测值为95.5%，阴性预测值为70%，诊断准确率为92.1%。66例恶性病变中，有37例由于FDG显像示局部淋巴结或远处脏器组织转移而重新作了分期，并改变了治疗方案，给临床医师为肿瘤患者制定合理化治疗方案提供了重要的信息。18例患者B超、CT和MRI检查结果阴性或不能定论，而FDG肿瘤显像检测出复发转移灶11例。这一新技术的引进和开发利用无疑给肿瘤患者早期诊断和治疗带来了福音，并广泛应用于肺癌、乳腺癌、胃肠道肿瘤诊断与鉴别诊断、淋巴瘤疗效判断及再分期[11-12]。

3.2 心脏病学应用

心肌细胞的主要能量来源是脂肪酸。心肌缺血、缺氧时，脂肪酸的需氧代谢受到抑制，而心肌葡萄糖酵解明显增加，坏死心肌则停止了所有的代谢活动。心肌灌注显像示病变部位血流灌注减低或缺损区而有FDG摄取，即所谓“不匹配”，表明病变部位心肌存活，仍保存代谢功能，可考虑血管再通术治疗；相反，血流灌注和FDG代谢显像病变部位示减低缺损区，即“匹配”，表明梗死灶为坏死或瘢痕形成，不宜进行血管再通术治疗。因此，利用18F-FDG进行心肌代谢显像是目前认为评价心肌细胞存活的“金标准”。心肌细胞活力评价，心肌梗死灶的存活判断，尤其对血管再通术前探测心肌细胞存活性决定是否手术治疗，合理制定治疗方案以及术后疗效监测和预后评价都具有重大意义[13]。“伪影”对心肌显像的诊断常造成一定困难，因此，FDG心肌代谢显像示左室间壁、下壁和后壁位置较深，须经衰减校正才能获得准确和可靠的结果，提高诊断准确率[6]。

3.3 中枢神经系统应用

18F-FDG符合线路SPECT代谢显像是鉴别脑瘤治疗后残存组织坏死或复发的有效方法，根据病变部位葡萄糖浓聚程度还可评价脑肿瘤恶性程度和作出预后判断。对难治性癫痫术前定位诊断明显优于X-CT和MRI，其发作期表现的葡萄糖利用增高和发作间期表现的葡萄糖摄取减少为特征从而对癫痫灶进行定位诊断，尤其对形态解剖学成像阴性的颞叶癫痫可作出60%～90%的正确判断。此外，18F-FDG符合线路 SPECT显像还可对不同类型的痴呆进行鉴别诊断，痴呆典型的FDG影像示双侧顶叶和双侧后颞叶皮质葡萄糖代谢减低，基底节糖代谢基本正常，根据病变部位、范围大小和葡萄糖摄取状态还可对痴呆病情程度进行评价。近年来正电子成像用于脑功能、脑受体和神经精神病方面的研究也取得了较大成功[15]。符合线路SPECT18F-FDG脑代谢显像可探测那些既往无法认识的脑内异常改变，不仅为这些疾病的诊断及其本质的认识提供了客观探测指标，还可用于客观评价各种治疗的效果，为进一步科学合理治疗这些疾病提供了客观依据。

4 前景及展望

随着可变角双探头SPECT符合探测技术的不断发展和完善以及18F正电子放射性核素及其标记化合物的不断开发利用，符合线路SPECT显像技术会得到更加广泛应用。目前主要局限是：①空间分辨率低于PET，动态定量受限，可能影响小病灶的检出率和检查结果准确性，用符合线路SPECT可探测到0.7～1.0 cm肿快；②受探头视野(40 cm为一个床位)限制，对同时探测头颈部和胸腹部多方向断层显像必须采集2～3个床位图像方能完成，采集时间较长，全身显像耗时(一般2 h)；③用外源放射性核素进行非均匀衰减校正可能增加受检者辐射剂量，同时校正后增加散射计数，影响图像质量。目前GE、飞利浦和西门子公司生产的符合线路SPECT采用X-CT技术进行衰减校正克服了上述缺点；④符合线路SPECT不具备完全PET或PET/CT性能，因此，在脑功能研究、中枢神经递质和受体显像，PET或PET/CT明显优于符合线路SPECT。国内已购置安装了近100多台符合线路SPECT，尤其适用于边缘地区医疗机构开展18F正电子放射性核素肿瘤显像，其运转良好，具有临床应用前景。

[1]王荣福.核医学[M].北京:北京大学医学出版社,2009:10-11.

[2]王荣福.PET/CT分子影像新技术应用[M].北京:北京大学医学出版社,2011:750.

[3]王荣福.符合线路探测正电子成像与临床[M].北京:北京大学医学出版社,2004.

[4]张建华,王荣福.符合探测正电子双时相显像临床应用研究进展[J].北京医学,2005,27(7):433-438.

[5]王荣福.分子符合探测成像[J].引进国外医药技术与设备,1999,5(2):40-43.

[6]付占立,林景辉,王荣福,等.衰减校正在18F-FDG SPECT显像中的价值[J].中华核医学杂志,2002,22(1):40-42.

[7]王荣福.PET/CT肿瘤诊断学[M].北京:北京大学医学出版社,2008:3-15.

[8]杨熊飞,张春丽,付占立,等.肿瘤18F-FDG摄取影响因素的实验研究[J].中国医学影像技术杂志,2003,19(3):266-268.

[9]王荣福,胡怀湘.肺部病变18F-FDG SPECT符合线路显像[J].中国医学计算机成像杂志,2002,8(1):62-64.

[10]王晓新,陈鸿义,刘桐林,等.18F-FDG PET在肺部病变诊断作用[J].中国肺癌杂志,2001,4(6):463-465.

[11]王荣福.杨熊飞,张春丽,等.18F-FDG SPECT/PET探测大肠癌术后复发转移的临床价值[J].中华肿瘤杂志,2004,26(1):62.

[12]王荣福,张秀梅,岑溪南,等.18F-FDG符合探测正电子显像对淋巴瘤的临床应用研究[J].中华内科杂志,2004,43(4):284-287.