一体化PET-MR中PET设备性能指标测试研究*

刘家金　刘 猛　姚树林　彭 齐　尹大一　陈英茂　徐白萱*

近年来，正电子发射断层扫描-MR(positronemission tomography-MR，PET-MR)作为一种新的多模态成像技术开始在临床应用，实现了多模态多参数成像[1-2]。在PET-MR的发展过程中，历经分体式设计、嵌入式设计，直至现在的一体化时代，实现了PET与MR的同步采集[3]。然而，在PET与MR设备的一体化过程中存在一系列的挑战，如MR中的高静态磁场、快速变化的梯度场和射频信号，使传统PET中的光电倍增管不能正常工作。又如位于MR中的PET金属部件中会产生涡流，影响MR磁场的均匀性，从而降低MR成像质量。

近10年来，雪崩光电二极管(avalanche photomultiplier tube，APD)和硅光电倍增管(silicon photomultiplier tube，SiPM)替代传统光电倍增管(photo multiplier tube，PMT)等技术[4-6]的发展使一体化PET-MR设备成功走向临床，在国内使用逐渐增多。PET-MR与正电子发射断层扫描-CT(positronemission tomography，PET-CT)不同，PET-MR中的PET始终处于磁场的环境中，同时PET性能测试过程中的模型也处于磁场中。本研究主要探讨PET-MR在MR常规序列采集时的磁场环境中PET的性能测试情况。

1　材料和方法

1.1　仪器设备

使用Biograph mMR VB20P型PET-MR(德国西门子公司)。

(1)MR部分。铌钛超导磁体(磁体长度163 cm、磁体腔孔径60 cm)形成强度为3特斯拉(Tesla，T)的均匀静磁场，全身梯度线圈系统(极低涡流、磁体线圈长度159 cm、梯度场强45 mT/m、梯度切换率200 mT/m/s)，射频体线圈(射频放大器最大功率35 kW、发射带宽800 kHz)。MR系统的扫描视野为0.5～50 cm，二维层厚为0.1～200 mm，三D层厚为5～500 mm，最大矩阵为1024。

(2)PET部分。探测器嵌入MR机架内的射频线圈系统与梯度系统之间，由8个探测环构成，每个探测环有56个LSO_APD探测器部件按圆周形式排列，每个LSO_APD探测器模块由8×8个4 mm×4 mm×20 mm的LSO晶体和3×3个水冷式的APD组成，构成了共计4032个探测通道和Z轴方向上64个晶体环，最终形成横向和轴向的视野分别为58.8 cm和25.8 cm的PET探测系统。采集能量窗430～610 keV，符合时间窗为5.86 ns。采集模式分为3D静态和列表模式，重建方法包括滤波反投影、3D-迭代和带有点扩散函数校正的迭代。

1.2　性能检测

PET性能检测依据美国国家电气制造商协会(National Electrical Manufacturers Association，NEMA)NU2-2007标准[7]。在检测之前，首先进行探测器设置，包括APD增益归一化、晶体区域图生成和晶体能量峰值调整，然后进行探测器时间校正和归一化；此外，确保所有计算机及活度计的时钟同步；测试模型为NEMA标准模型。为评估常规MR扫描环境对PET性能测试的影响，在所有PET测试时都同步进行19 s的Dixon序列采集(TR：20 ms；TE：1.17 ms；翻转角度为10)。

1.2.1空间分辨率测试

树脂毛细管(内径为1.0 mm，壁厚为0.2 mm，长度为75 mm)吸附18F-氟代脱氧葡萄糖(18F-flurodeoxyglucose，18F-FDG)溶液制备点源，毛细管内的活动范围仅限于1 mm轴向的吸水树脂，总活度为9.8 MBq。将L形点源固定器安装至PET-MR支架上，确保固定器位于支架的最低位置。将含有点源的毛细管先后置于L形固定器的(0，1 cm)、(0，10 cm)和(10 cm，0)3个坐标位置。使用厂家NEMA 2007测试软件先后在点源位于轴向视野中心和距轴向视野中心1/4处时采集数据，采集计数2.35×106个，NEMA 2007重建图像使用滤波反投影法，矩阵为334×334×172，点源在横向、切向和轴向的扩展函数半高宽(full width at half maximum，FWHM)和十分之一高宽(full width at tenth maximum，FWTM)通过线性插值法进行计算。

1.2.2散射分数、计数丢失和随机符合测试

将800 mm聚乙烯管(内径3 mm，外径4.8 mm)填充中段700 mm 1.5 GBq的18F-FDG溶液，插入孔径6.5 mm的聚乙烯散射体模内(直径202 mm，长度695 mm)。将散射模体置于PET-MR检查床上的组合支架中，使体模圆柱端与组合支架对齐并使聚乙烯管靠口位于6点位的位置，使散射体模中心置于扫描视野中心。采集15 h，40 min/帧，开始采集时刻的活度为632 MBq。采用NEMA2007软件自动计算散射分数以及真实、随机、散射计数、等效噪声计数和总计数率。此外，使用列表模式采集5 min无放射性药物数据，用于评估本底计数。

1.2.3计数丢失及随机符合校正精度测试

在散射分数、计数丢失和随机符合检测采集和分析完成后，将2个掺有NaCl的MR校准瓶置于NEMA散射体模两侧，操作过程中不得移动检查床，使用Dioxn序列采集散射体模衰减校正图，NEMA2007软件自动计算结果。图像重建使用傅里叶变换滤波反投影。矩阵为334×334×172，校正类型包括归一化、物体衰减校正、散射校正、随机校正以及时间衰变校正等。

1.2.4灵敏度测试

将700 mm聚乙烯管(2.4 ml)充满10.5 MBq的18F-FDG溶液并插入同心的5个铝制套管(长度：700 mm，内径和外径分别为3.9 mm和6.4 mm、7 mm和9.5 mm、10.2 mm和12.7 mm、13.4 mm和15.9 mm以及16.6 mm和19.1 mm)中。将2个PET-MR组合支架置于机架通道内并位于检查床导轨的轴向边缘，将5个铝制套管沿轴向居中置于泡沫固定器之间，以使套管位于泡沫的浅槽内，检查床置于扫描视野外。使用NEMA 2007灵敏度软件进行采集和数据分析，每次采集完成后移除1根铝制套管，每次采集5 min，完成中心视野测试后进行偏离横向视野(field of view，FOV)中心10 cm测量。

1.3　图像质量测试

(1)对于PET图像质量的检测使用Phantom-NEMA 2007体模，其内部长度、宽度和高度分别为175 mm、293 mm和224 mm；将填充泡沫的圆桶(外径为50 mm；长度为175 mm)插入体模中心固定以模拟肺部。6个内径分别为10 mm、13 mm、17 mm、22 mm、28 mm和37 mm，壁厚≤1 mm的球体置于体模内；球体的中心距离体模底板均为68 mm，从而保证所有球体在轴向同一横断层面上；所有球体在横断层面中的位置应满足球体的中心距离模型中心的半径为5.72 cm。两个大球体填充无放射性的水形成“冷灶”，其他球和体模腔内分别填充活度为4∶1(21.2 kBq/ml∶5.3 kBq/ml)和8∶1(42.4 kBq/ml∶5.3 kBq/ml)的18F-FDG溶液，形成“热灶”和“背景区”，放置于视野中心；将散射模型内插入110 MBq的18F-FDG溶液线源并置于体模顶端，与之邻接。

(2)体模采集12 min，采用点扩展函数校正的迭代重建算法(3次迭代，21个子集)，172×172矩阵，包括归一化、死时间、时间衰变、3D散射、随机符合校正以及4 mm FWHM的高斯滤波进行重建，得到体素大小为4.2 mm×4.2 mm×2.0 mm图像。使用NEMA 2007软件计算“冷区”和“热区”的对比度百分比以及背景的变异系数来评价显像质量，并获得本底变化率和肺插件的平均残余误差(衰减和散射校正精度)。图像处理需手动选择所有球体中心在同一平面的横断面图像，其余处理由程序自动完成。

2　结果

2.1　PET空间分辨率

PET空间分辨率当偏离视野中心位置为1 cm时，中心区FWHM达到4 mm左右，见表1。

2.2　散射分数、计数丢失和随机符合

当放射性浓度为21.6 kBq/ml时，噪声等效计数率达峰值为187.9 kcps；真符合计数率峰值为713.6 kcps；散射分数为36.4%。采集5 min本底平均计数率为832 cps，标准差为29 cps。符合计数率性能测试结果(如图1所示)。

图1　符合计数率性能测试结果示图

2.3　计数丢失及随机符合校正精度

(1)因噪声等效计数率达峰值时活度为21.6 kBq/ml，故根据NEMA测试要求，在放射性浓度≤21.6 kBq/ml的范围内，其计数丢失及随机符合校正误差，最大误差为13%(如图2所示)。

图2　计数丢失及随机符合校正误差曲线图

表1　空间分辨率测试结果(mm)

表2　图像质量测试结果(%)

表3　mMR与mCT测试结果

2.4　灵敏度

测试源在视野中心与偏离中心10 cm处的系统总灵敏度分别为13.5 kcps/MBq和13.8 kcps/MBq，平均灵敏度为13.65 kcps/MBq。在轴向中心出现了最大值平台区，平台区长度达9层(1.8 cm)，灵敏度为195.7 cps/MBq。视野中心处轴向断层灵敏度变化如图3所示。

图3　视野中心处轴向断层灵敏度曲线图

2.5　图像质量测试

PET重建体模图像的横断面与冠状面如图4所示，未见MR同步采集环境对PET图像有影响。各球体冷、热灶的对比度百分比、背景的变异系数及肺插件残余误差见表2。

10 mm的最小热灶的对比度百分比达到了38.64，且清晰可见(如图4所示)。

图4　图像质量测试模型的横断面和冠状面示图

2.6　mMR与mCT测试结果比较

本测试结果与既往西门子PET-CT NEMA2007测试研究比较[8]表明，一体化PET-MR设备克服了MR静磁场环境及常规采集序列对PET探测性能的影响，各性能指标互有长短，具体值见表3。

3　讨论

空间分辨率反映PET能分辨的空间两点间的最近距离，用点源扩展函数的半高宽来描述，主要受到晶体尺寸、视野大小及正电子飞行距离等影响[9]。其中MR静磁场会对运动的正电子产生劳伦兹力降低其飞行距离，从而提高空间分辨率[10-11]。本研究中18F衰变发射的正电子飞行距离短，且MR磁场强度为3 T，效果并不显著。

在符合探测中，除真符合外，还包含散射符合和随机符合计数，后两者效应不仅降低信噪比，还降低了图像对比度。因此，在PET图像中，除了与真符合计算相关的统计涨落噪声外，还必须考虑散射计数率、随机计数率、噪声等效计数率和总计数率随活度的变化，以指导临床注射剂量等。此外，散射符合计数在总符合计数中所占的百分比被称为散射分数，用于描述PET系统对散射计数的敏感程度[9]。本研究PET-MR系统的系统灵敏度(13%)较高是由其长达25.8 cm的轴向采集视野及5.86 ns的较宽符合时间窗形成的。轴向边缘灵敏度与中心层面灵敏度差异较大，因此要求采集时床位重叠增大，本系统要求重叠范围为每床位层数的30%～60%。

图像质量和校正精度测试过程中需要对体模进行衰减校正，而MR无法获取模型的PET衰减系数图，本研究体模的衰减校正是基于设备自带的体模衰减校正图，通过融合软件与PET配准后用于衰减校正[12-13]。

4　结语

基于LSO_APD探测器与3T MR整合成的一体化PET-MR设备具有较好的PET探测性能。但本研究未测试MR功能成像时对PET性能指标的影响；此外，未检测PET系统整合后对MR性能的影响。

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