SPECT/CT的研究进展

郭晋纲，赵周社，马兴荣，郑永明

1 山西省肿瘤医院核医学科，太原市，030013

2 GE医疗系统集团，上海市，201203

SPECT/CT的研究进展

【作者】郭晋纲1，赵周社2，马兴荣2，郑永明1

1 山西省肿瘤医院核医学科，太原市，030013

2 GE医疗系统集团，上海市，201203

随着分子影像技术的发展，将多种模式医学影像成像技术结合的SPECT/CT和PET/CT技术有了一定程度的发展[1]。但是SPECT/CT和PET/CT技术相比较，尽管SPECT/CT远比PET/CT技术推向临床应用的早，但因多种因素的影响，SPECT/ CT的应用却远没有PET/CT临床应用增长的速度快。本文重点介绍SPECT/CT技术的进展和存在的问题。

SPECT/CT； 多种模式； 分子影像；技术进展

0 引言

SPECT-CT即单光子发射型计算机断层显像仪和CT一体化组合的影像诊断设备，将功能代谢与解剖结构完美结合显示成像，是目前国际上最尖端的医学影像诊断设备之一。SPECT-CT机是将放射性药物引入人体，经代谢后在脏器内SPECT外或病变部位和正常组织之间形成放射性浓度差异，探测到这些差异，通过计算机处理再成像，成为早期诊断各种恶性肿瘤、冠心病和脑癫痫等疾病的方法之一，并可指导治疗。一次检查同时提供病变精确的解剖结构和功能、代谢改变的信息，明显提高诊断的准确性。SPECT/ CT越来越受到临床和影像学科的重视，已经广泛应用于骨骼、心脏和肿瘤等多种临床疾病，SPECT/CT设备决定核医学分子影像技术在临床应用的价值[2]。

1 SPECT成像原理及技术进展

SPECT由探头、机架、患者检查床和图像采集处理工作站四部分组成。探头是SPECT成像核心。

1.1 在伽马照相机技术基础上发展起来的SPECT探头成像设备

传统的SPECT是在伽马照相机基础上发展起来的设备。SPECT探头由准直器(Collimator)、晶体(Crystal)、光电倍增管(PhotoMultiplier Tube， PMT)、后续电路几部分构成。一般用X、Y代表探测器位置信号，E代表能量信号，PMT代表光电倍增管。为了确定来自每个PMT光子信号的位置，需要对探头内的PMT进行加权处理，PMT距离探头中心距离不同给予不同的加权值。对处于不同位置的PMT即使获得了相同的信号，探头也能区分其位置。这样来自探头的X、Y信号确定来自探头的光子位置，来自探头X、Y位置信号与来自探头光子信号能量无关。E信号的大小与光子的能量有关，对于同一种放射性核素来自探头PMT获得的能量信号也应该是相同的。

对于SPECT设备来讲，晶体、PMT和后续线路是探测器的主要部分。PMT将荧光转化为电信号的效率仅有20%～25%，只有1/4的光子被转换成电信号。而且PMT体积大(直径4～8 cm，高度10～15 cm)，PSPMT(Position Sensitivity PMT，PSPMT)高度也在5 cm左右，这样导致SPECT探测器体积很难缩小；在SPECT探测器中需要配置的PMT数目也多，并且实际上很难获得性能一致的PMT，导致SPECT探测器均匀性下降；多数目的PMT也增加后续电路的复杂程度。传统基于晶体、光电培增管、后续电路基础的SPECT技术由于从g射线到成像需要的电信号之间经过多次转化、处理，因而丢失了大量的信息，同时也降低了对来自体内的g射线定位的精确度。尽管有学者建议采用特殊的准直器提高SPECT设备的灵敏度、分辨率，但是这种改变准直器的方法会导致获得信号的畸变。而且提高系统的灵敏度、分辨率的能力是非常有限的，特别是很难做到同时提高系统灵敏度、分辨率。对于SPECT系统的能量分辨率也无法作改进[3]。

传统基于晶体、光电培增管、后续电路基础技术的SPECT设备具有明显的缺陷。如，SPECT探头体积太大，特别是是采用目前常规PMT后导致SPECT整机很难小型化，以至于限制了整体性能上的提高。另外，大的SPECT探头环境要求也高很难做到高集成化的SPECT/CT；SPECT系统灵敏度和分辨率均很低，限制了SPECT临床应用。

1.2 晶体和PMT基础上数字化技术和“非伽马照相机”技术的SPECT探头进展

20世纪90年代后，在伽马照相机原理的基础上，对来自每一个PMT模拟信号先进行模数转换(A/D)。然后对数字信号再进一步放大和处理。将获得数字信号通过探头的X、Y、E矩阵线路部分后，再进行后续各种校正(线性、能量、均匀性等)。将校正后的数据传输到图像处理工作站进行平面图像显示和断层图像的重建。数字化探头明显提高了探头对光子信号处理的速度和精度，从而间接提高了探头的整体性能。但是，数字化技术仍然是基于传统Anger伽马照相机探头对光子定位原理[4]。所以，所谓的全数字化技术对SPECT探测器并无实质性的改进。

目前，提供的商品化的SPECT探头多数也已经是全数字探头。GE公司的Millennium MG和MPR设备采用的是“非伽马照相机”技术。在探头内使用正方形PMT后可以采用矩阵阵列模式来排列PMT，并对来自每一个PMT信号进行A/D转换后做进一步的处理。这样非常容易精确的确定来自探头X、Y位置信号。在MG和MPR探头中采用了相关信号增强技术CSE(Correlation Signal Enhanced，CSE)技术使得来自探头的信息提高28%以上，这样就明显提高了平面和断层SPECT图像质量。

1.3 半导体探测器成像技术的SPECT探头技术进展

碲锌镉(Cadmium-Zinc-Telluride，CZT)半导体探测器是国际上最新研究出来的一种新型射线探测器[2-3]。它具有很高的探测效率，与传统的碘化钠闪烁体探头相比，它具有更高的能量分辨率。在室温情况下，CZT半导体探测器可以直接将g射线转化成电信号。CZT探测器成像原理是：当具有电离能力的射线和CZT晶体作用时，晶体内部产生电子和空穴对，并且数量和入射光子的能量成正比。带负电的电子和带正电的空穴朝不同的电极运动，形成的电荷脉冲经过前放大变成电压脉冲，其强度与入射光子的能量成正比。经过前放大出来的信号经过再放大后续电路处理进行图像重建。CZT探测器在室温状态下能够处理200万光子/ (s·mm2)。2000年后由于生产技术和工艺的大幅度改进，从而保证在室温下CZT探测器的性能和稳定性得到质的提高。

CZT半导体探测器易于加工成像素阵列探测器。配合桥接的硅集成信号读出电路，可做成紧凑、高效、高分辨率的g射线成像装置，可广泛用于安检、工业探伤、医学诊断、天体g线望远镜等多个领域。CZT半导体探测器的SPECT成像仪具有以下的特点。(1)缩小了传统SPECT探测器的体积：CZT半导体探测器直接取代了传统晶体、PMT，明显缩小探测器的体积，整体探测器可以通过高度集成化的线路来实现。由于探测器体积小，采用屏蔽需要的材料也就少，所以明显减轻了整个SPECT设备探头的重量。(2)直接获得来自探测器光子的位置信号和能量：对于半导体探测器无需使用传统Anger伽马照相机对光子的定位模式来确定光子位置和能量信号。(3)提高SPECT探测器的性能：具有高的能量分辨率，同时提高系统灵敏度、分辨率。

对于CZT探测器的SPECT首先是提高能量分辨率，SPECT系统高的能量分辨率对于提高病灶的对比度非常重要的。提高SPECT系统灵敏度不但可以缩短扫描时间，也可以降低对患者注射的放射性示踪剂的用量。CZT探测器具有模块结构的特点，在SPECT探测器制作中可以方便进行组合。这样可以设计成各种专用的SPECT。这些均是CZT探测器的优点。尽管已经有商品化的CZT探测器的SPECT设备被应用于临床，但是CZT探测器也有其不足。那就是成本高、短期内还不能被用于普通的SPECT或PET设备。

2 SPECT/CT设备介绍

从SPECT和CT技术本身来看，SPECT/CT技术实质上仍然是将SPECT技术和成熟的CT技术结合起来的产物。CT在SPECT图像中的应用包括SPECT和CT图像融合来提高对SPECT图像发现病灶的定位，以及采用CT图像对SPECT图像进行衰减校正。按照SPECT/CT设备中SPECT和CT结合的方式，可以将SPECT/CT技术分成两种：SPECT与CT位于同一机架整合的SPECT/CT和SPECT与CT位于不同机架组合的SPECT/CT。

2.1 SPECT与CT位于同一机架整合的SPECT/CT[5]

该技术是将CT高压发生器、X线管球、CT的X线探测器安装在SPECT的滑环机架上，这样SPECT和CT位于同一机架。这种技术的优势是：SPECT和CT位于同一机架，SPECT/CT设备整体体积小、结构紧奏、稳定性高，对分别获得的SPECT和CT图像能够达到高精度图像融合的目的。这种SPECT和CT图像从同一机架获得的图像融合也被称为“自身图像配准技术”(Inherent Registration)。该技术另外的优点是CT旋转的速度比较低。不仅能够获得每一个SPECT床位的平均CT图像(CT旋转一圈/14 s)以保证CT图像与SPECT图像达到最佳的匹配，而且这样CT旋转震动对SPECT探头性能的影响也就很小，可以被忽视；使用超低剂量CT图像来完成SPECT与CT图像融合，显著降低来自CT的X射线对患者辐射剂量。但是，这种将SPECT和CT位于同一机架的技术也存在限制CT性能的提高。如，CT扫描速度和高压发生器功率的提高等。最近推出了带有4排CT的Hawkeye 4。采用全新的图像重建技术明显提高了Hawkeye 4 CT图像的质量(信噪比)。

2.2 SPECT与CT位于不同机架组合的SPECT/CT[6]

为了提高CT扫描速度就需要采用SPECT和CT组合式的机架形式[8-9]。这类SPECT设备是将SPECT和CT放置在同一底座上，一般采用SPECT机架在前，CT机架在后的模式，这样主要是为了SPECT/CT设备不影响SPECT的临床应用。同时需要在底座上装有轨道以便能够将CT设备推开，使得SPECT和CT具有一定距离，这样便于安装、调试和维修。但是，SPECT探头和机架的存在却限制了位于SPECT机架后的CT部分临床应用。比如：对于大范围CT增强扫描(很不方便)，CT不能完成机架倾斜角度扫描等。SPECT探头因为固有技术限制和采用屏蔽等，使得SPECT探头部分很重，高速旋转的CT导致CT机架的震动对于SPECT探头性能(均匀性，线性，能量分辨率等)均有非常明显的影响。所以，对于SPECT/CT中的CT需要在使用中尽量避免使用快速扫描的CT。另外，此类CT给患者带来的辐射剂量是Hawkeye 类的4倍以上，所以在SPECT/CT使用中尽量采用低级量CT，以减少对受检者的辐射吸收剂量。这类SPECT/CT组合机架也有其优点就是：SPECT/CT中的CT(2，4，6，16， 64或128排)可以任意选择，不受技术的限制[7,8]。

从工程设计的角度来看，要提高SPECT/CT中CT性能，就需要将SPECT探头部分重量明显的降低。最佳的选择是选择半导体探测器的SEPCT探头，这样可以显著降低SPECT探头整体的重量。对于基于晶体和PMT基础上的SPECT也可以选择具有高性能、短的PMT的 SPECT探头，这样尽管没有达到CZT探头降低探头重量的程度，也可以将SPECT探头重量在一定程度上减小和缩小。降低SPECT探头重量后能够提高SPECT设备整体寿命、保证SPECT设备性能和断层图像的质量。

3 SPECT/CT设备技术进展

3.1 对SPECT/CT探头的技术改进和革命性创新

SPECT/CT探头技术进展包括两种，一种采用新型CZT半导体探测器的SPECT/CT探头，已达到从整体上提高SPECT/CT设备的性能；另外一种提高SPECT/CT探头的技术就是将SPECT/CT探头重量减轻，以提高SPECT/CT设备整体性能[9]。

最近推出的Discovery NM 530 c(半导体SPECT)和Discovery NM/CT 570 c(半导体SPECT+64排CT)。这款革命性产品均基于其专利的Alcyone技术，是全球最早采用半导体探测器的SPECT设备。由于SPECT探头部分是采用多个探头组合而成，进行断层扫描时无需SPECT探头的旋转就可以获得三维图像，这样就可以在CZT探测器技术上组合使用高速旋转的CT。从而从整体上提高了SPECT/CT的性能。该设备也被用于临床前期的动物研究中，并获得了满意的效果。Alcyone主要优势如下：(1) 采集速度大大加快。传统SPECT的检查时间通常为15～20 min，Alcyone完成一次相应检查仅需2～4 min。(2) 空间分辨率极大地改善。传统SPECT的固有空间分辨率约4～8 mm，Alcyone的固有空间分辨率可达2.46 mm。(3) 能量分辨率更高。传统SPECT的能量分辨率约为9.5%～12%，Alcyone的能分辨率6.2%。(4) 更强大的多核素显像能力。(5) 图像质量已接近和超过PET显像质量。由于信号转换采用全数字化模式，其图像对比度大幅提高。(6) 固定模式采集避免了运动伪影。(7) 可实现动态断层扫描及动态门控断层扫描。时间分辨率为1 ms，为断层首次通过动态显像奠定了基础。(8) 更加小巧轻便。Discovery NM 530c整机重量不到1 000 kg，机房面积仅需要2.5 m×3.6 m。

用降低SPECT/CT探头重量和体积来提高SPECT/CT整体性能的技术目前正在研究中。该技术尽管无法与半导体CZT探测器性能相提并论。但是，在并不缩小SPECT/CT探头视野情况下，通过减轻SPECT/ CT探头的重量和体积后提高SPECT/CT整体性能包括：提高SPECT/CT断层旋转速度以达到提高采集速度目的、提高了SPECT/CT探头的稳定型、减少SPECT/CT设备中CT对SPECT探头影响来实现提高SPECT/CT设备性能等。基于此类技术基础的SPECT/ CT探头比传统SPECT技术基础上的探头的重量降低了25%以上[10]。

3.2 SPECT/CT设备中对CT技术改进和提高

包括选择16排或64排以上的CT来完成对CT冠脉成像工作，通过降低CT剂量来实现SPECT/CT受检者吸收剂量的降低。如SPECT/CT临床使用仅仅局限于肿瘤研究(骨骼、肺、脑脏器等)，那么一般认为选择16排以下的CT足以满足临床需要。如需要进行心脏冠脉成像，那么就需要选择64排或64排以上的CT探测器。另外，通过低剂量扫描技术(将CT扫描剂量降低一半以上而保证CT图像质量不变的技术)来从整体上提高SPECT/CT性能。如，采用20～40 mA获得的CT图像质量与80～150 mA基本相同，在不降低CT图像质量的前提下可以将受检者的辐射吸收剂量降低一倍以上。该技术目前已经获得了令临床医师非常满意的效果。

就SPECT/CT而言，提高SPECT设备性能(灵敏度和分辨率)比提高CT探测器排数更具有价值。对于核医学分子影像来讲[11]，SPECT/CT“核心”是SPECT，而不是CT。具有高性能的SPECT与来自独立CT设备的图像结合仍然能够完成核医学分子影像临床工作。所以，推广基于CZT技术的新型SPECT和采用新型PMT的SPECT设备比推广传统技术基础上的SPECT/CT更具有实际意义。

综上所述，新型半导体CZT技术的探测器SPECT同时提高SPECT的灵敏度和分辨率，特别是分辨率达到或超过一些PET的分辨率。CZT技术基础上的SPECT将是SPECT技术发展的方向和未来。SPECT/CT和PET/CT在发展的方向和临床使用上具有一些不同。在以后较长时间内SPECT和SPECT/CT将处于共同发展之中。对于SPECT/CT设备中的SPECT将来会被半导体技术的SPECT取代，在短期内为了降低SPECT探头的重量也需要采用一些新型的光电倍增管(PMT)。

[1] Madsen MT. Recent advances in SPECT imaging[J]. J Nucl Med, 48(4): 661-673.

[2] 赵周社, 徐家骅. 基于碲锌镉半导体探测器技术的单光子发射型计算机成像仪设备和临床应用进展[J]. 世界医疗器械, 2009，15(4): 72-74.

[3] Sharir T1, Ben-Haim S, Merzon K, et al. Berman. High-speed myocardial perfusion imaging initial clinical comparison with conventional dual detector anger camera imaging[J]. JACC Cardiovasc Imaging, 2008, 1(2): 156-163.

[4] Patton JA, Sandler MP, Berman D. D-SPECT: a new solid state camera for high speed molecular imaging[J]. J Nucl Med, 2009，47(suppl 1): 189.

[5] Lang TF, Hasegawa BH, Liew SC, et al. Description of a prototype emission-transmission computed-tomography imaging system[J]. J Nucl Med, 2012, 33: 1881-1887.

[6] Patton JA, Turkington TG. SPECT/CT physical principles and attenuation correction[J]. J Nucl Med Tech, 2010, 36: 1-10.

[7] Bybel B, Brunken RC, DiFilippo FP, et al. SPECT/CT imaging: clinical utility of an emerging technology[J]. Radio Graphics, 2012, 28: 1097-1113.

[8] Greg Freiherr. Great expectations and the saga of SPECT/CT[J]. Diagnostic Imaging. 25, 2011.

[9] Buck AK, Nekolla S, Ziegler S. SPECT/CT[J]. J Nucl Med, 209, 49: 1305-1319.

[10] Delbeke D, Coleman RE, Guiberteau MJ, et al. Procedure guideline for SPECT/CT imaging 1.0[J]. J Nuc Med, 2006, 47(7): 1227-1234.

[11] 赵周社. 分子影像进展、发展的机遇和挑战[J]. 世界医疗器械杂志, 2009, 15(2): 47-49.

The Research Progress of SPECT/CT

【Writers】Guo Jingang1, Zhao Zhoushe2, Ma Xingrong2, Zheng Yongming1
1 Department of nuclear medicine in Shanxi provincial Cancer Hospital, Taiyuan, 030013
2 GE medical systems group，Shanghai，201203

With the development of molecular imaging technology, incorporate multiple modes of medical imaging imaging techniques of SPECT/CT and PET/CT technology with a certain degree of development [1]. But compared to SPECT/ CT and PET/CT technologies, SPECT/CT far earlier than PET/CT technology to clinical applications, due to a variety of factors infuence SPECT/CT far PET/CT clinical applications to grow faster. This article highlights the progress and problems of SPECT/CT technology.

SPECT/CT, multiple modes, molecular imaging, technical progress

R817.4

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.06.019

1671-7104(2014)06-0454-04

2014-03-17

山西职工医学高等教育教委研究项目(14-1-007)

郭晋纲，E-mail: gjgtysx@163.com