不同数学函数算法对SPECT空间分辨性能检测影响分析

冯泽臣 朱维杰 耿建华 刘 辉 杜国生 娄 云

随着核医学的快速发展，单光子发射型电子计算机断层扫描仪(single-photon emission computed tomography，SPECT)的配置数量不断增加，只有保证设备的性能要求，方可满足临床影像质量。2012年，通过检测全国十多个省市数十家医院的40余台SPECT固有性能测试，不合格率达到24%[1]；2017年，对某地区21台SPECT的性能测试，不合格率达50%[2]。由此可见，设备的性能验收检测、状态检测和常规质量控制检测至关重要。

放射诊断设备和放射治疗设备有系列的质量控制检测规范，对于核医学SPECT的质量控制规范正在制定中，在SPECT空间分辨性能参数质量控制检测图像数据分析时有不同的分析方法，美国电气制造商协会(National Electrical Manufacturers Association，NEMA)NU1-2012建议采取抛物线法[3]。然而，一些SPECT性能分析软件则采用高斯拟合算法[4-9]。为此，本研究通过分析抛物线算法和高斯算法的两种数学函数算法的差异，确定合适的算法，为SPECT性能检测标准的制定提供参考。

1 材料与方法

1.1 检测仪器

采用Symbia型SPECT(德国西门子)，通用型SPECT质量控制检测模体符合NEMA NU1-2012检测方法要求。

1.2 检测方法

使用点源和铅栅采集固有空间分辨力图像，采集矩阵512×512；使用线源采集系统空间分辨力(采集矩阵512×512)和全身平面空间分辨力图像(采集矩阵256×1024)。测量方法按照NEMA NU1-2012要求。使用image j对医学数字成像和通信(digital imaging and communications in medicine，DICOM)图像进行数据矩阵获取，对获取的数据每个性能参数随机选取10次，分别采取抛物线法和高斯拟合方法确定半高宽(full width at half maximum，FWHM)。

(1)抛物线法。选取数据中像素值最大的3个点解析出a、b、c，计算像素值的最大值为公式1：

(2)高斯法。高斯拟合按y=a+(b-a)×FWHM=2.35 d。

1.3 统计学方法

采用SPSS 19.0统计软件对数据进行统计分析，对抛物线法和高斯拟合方法确定的FWHM进行配对t检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 固有空间分辨力

(1)在固有空间分辨力采集的图像中，在图像纵向方向随机选取10个像素点(如图1所示)。

图1 固有空间分辨力采集图像示图

(2)固有空间分辨力使用imagej获取过10个像素点垂直于铅栅缝隙的矩阵数据见表1。

表1 固有空间分辨力矩阵数据

2.2 系统空间分辨力

(1)系统空间分辨力采集的图像如图2所示。

图2 系统空间分辨力采集图像示图

(2)系统空间分辨力的矩阵数据见表2。

2.3 全身平面空间分辨力

(1)全身平面空间分辨力采集的图像如图3所示。

图3 全身平面空间分辨力采集图像示图

表2 系统空间分辨力矩阵数据

表4 FWHM及分辨力大小(mm)

(2)全身平面空间分辨力的矩阵数据见表3。

表3 全身平面空间分辨力矩阵数据

2.4 FWHM

(1)不同数学函数算法拟合时，X轴方向为像素点，Y轴方向为像素值，3个性能参数高斯算法拟合相关系数R2为0.974～0.999，抛物线拟合如图4所示，高斯拟合如图5所示。

图4 抛物线拟合示图

图5 高斯拟合示图

(2)对抛物线法和高斯法获得的FWHM进行配对t检验，检验固有空间分辨力、系统空间分辨力和全身平面空间分辨力的P值分别为0.0001、0.057和0.075；根据DICOM信息得到每个像素点大小，对于512×512矩阵为1.2 mm，256×256矩阵为2.4 mm。分别按抛物线法和高斯法计算出的FWHM见表4。

3 讨论

为提高数据拟合的准确性，像素点的选取覆盖了最大像素值的十分之一，3个性能参数高斯算法拟合相关系数R2值为0.974～0.999。系统空间分辨力高斯拟合R2值多数＜0.99，其原因分析应为计数过低，应增加采集计数，为减小采集时间可采用256×256矩阵。

对抛物线法和高斯法获得的FWHM进行配对t检验，固有空间分辨力、系统空间分辨力和全身平面空间分辨力的检验P值分别为0.0001、0.057和0.075，固有空间分辨力差异具有统计学意义。

崔惠军等[10]对SPECT检测的两种分析软件测试结果进行了比较，固有空间分辨力、系统空间分辨力的分析结果存在差异，国内大多分析软件使用高斯算法，高斯算法受选取的像素点数量影响，对同样采用高斯算法的软件由于像素点数量选取的不同也会造成结果不同，而抛物线法计算的结果不受像素点数量影响，NEMA NU1-2012建议采取抛物线法，为保证数据可靠并与国际相关标准接轨，对于SPECT空间分辨性能的分析应采用抛物线法进行分析。