PET-CT性能检测技术的研究进展

张鹏，张璞，孙劼，李成伟，刘文丽

中国计量科学研究院 医学与生物计量研究所，北京 100029

引言

正电子计算机发射断层显像仪（Positron Emission Tomography，PET）自20 世纪70 年代诞生以来，为神经系统、肿瘤和心血管系统等疾病的早期临床诊断提供了非常有效的手段[1]。但由于PET 设备自身分辨力较低，不能提供足够清晰的解剖结构图像，因此经常出现病灶精准定位困难的问题。而电子计算机断层扫描（Computed Tomography，CT）可以清晰地显示人体的断层影像，准确描述病变的大小、位置、形态等解剖学特性，但对有些病灶性质难以做出准确判定。随着临床需求的不断增加和技术的快速发展，1998 年第一台PET-CT 原型机在美国匹兹堡大学医学中心问世[2]。两种设备同机整合、两种图像同机融合，不仅可以反映病灶的功能性变化，还可以进行精确的解剖学定位诊断，使影像医学的发展向前迈出了具有历史意义的一步[3]。

此后，PET-CT 技术发展迅猛，硬件和软件方面均有显著进步。硅酸镥晶体（LSO）、硅酸镥铱晶体（LYSO）和基于镥元素的混合晶体（LBS）等新型探测器闪烁晶体的应用使探测器效率得到提高，PET-CT 的采集速度加快。电子准直技术使得数据采集方式由2D 升级为3D，灵敏度提高了10 倍以上，采集时间大大缩短[3-4]。早期的PET 一般采用滤波反投影法（Filtered Back Projection，FBP）进行图像重建，但因其生成图像噪声较高、分辨率和定位精度较差，该方法逐渐被有序子集最大期望值法（Ordered Subsets Expectation Maximization，OSEM）所 替 代；OSEM 能 够在重建过程中加入多种条件约束，并对空间分辨力的不均匀性进行校正，以提高图像质量[4-5]。随着LSO 和LYSO等快速闪烁晶体应用于探测器，点扩散函数（Point Spread Function，PSF）开始应用于PET-CT，使得图像分辨率得到提高[5]。此外，飞行时间技术（Time of Flight，TOF）在医用PET-CT 上的应用，使图像噪声水平降低，图像质量得到改善。同时，TOF 技术使探测器采集计数丢失减少，灵敏度提高，从而减少患者的注射药量，降低辐射剂量[6]。

自2000 年PET-CT 开始应用于临床以来[1]，西门子、通用电气、飞利浦先后推出各自的PET-CT 设备，并在全球范围内占据主流市场。近年来，国产医疗器械制造商发展迅速，东软、联影、赛诺联合等纷纷推出自主PET-CT设备。如表1 所列举的内容，不同制造商的PET-CT 设备在设计上各具特色，各自的PET-CT 设备也在迅速发展。

表1 各品牌PET-CT设备特点

我国于2002 年引入第一台PET-CT 设备，随着肿瘤、心血管系统和神经系统等疾病诊疗需求的增多，PET-CT 设备装机量逐年增加，截至2017 年底，国内PET-CT 设备装机总量已超过300 台[7]。《2018-2020 年全国大型医用设备配置规划》中指出：“到2020 年底，全国规划配置PET-CT 710 台内，其中新增377 台”[8]。随着PET-CT 的广泛应用，人们对于PET-CT 的性能要求逐渐提高，PET-CT 性能检测技术的研究得到了广泛关注。

1 PET-CT性能检测技术的发展

PET-CT 的性能参数主要分为PET 性能参数和CT 性能参数两个方面，其中以PET 性能参数为最关键参数指标[9]。PET 的性能参数可以根据性能检测方法并使用性能检测模体进行测试，通过测试结果可以了解设备的性能。美国电气制造商协会（National Electrical Manufacturers Association，NEMA）在1994 年发布了首个PET 性能检测 标 准NEMA NU 2-1994：Performance Measurements of Positron Emission Tomographs，标准中规定了空间分辨力、散射分数、灵敏度、计数丢失、均匀度等参数的检测方法，并推荐NEMA NU 2-1994 PET 模体（图1）用于相关参数的检测，该模体为外径203 mm，长度190 mm 的空心圆柱体，模体内置三个圆柱形插件，向插件内灌入不同放射源可检测不同参数[10]。1998 年，国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）发布IEC 61675 1-1998：Radionuclide Imaging Devices-Characteristics and Test Conditions. Part 1: Positron Emission Tomographs，该标准提出PET 图像质量的检测方法并规定使用NEMA IEC 躯干模体（图2）进行图像质量评价，该模体为仿躯干型空腔式结构，内置6 个不同尺寸的空心球用于图像质量评价，模体中心插入与模体等高的圆柱体用于散射和衰减校正[11]。

图1 NEMA NU 2-1994 PET 模体

图2 NEMA IEC 躯干模体

随着PET 技术的进步，特别是轴向FOV 的增加，全身显像检查开始增多，原有的性能检测方法和模体已无法完全满足PET 性能检测需求[12]，因此NEMA 在2001 年发布的NEMA NU 2-2001 标准中对检测方法和模体进行大幅度的修改。NEMA NU 2-2001 标准规定散射分数、计数丢失和随机符合使用外径为203 mm、长度为700 mm 的圆柱型散射模体进行检测（图3a）。灵敏度使用5 根内外径不同、长度均为700 mm 的管状灵敏度模体进行检测（图3b）。图像质量评价部分的内容主要引自IEC 61675 1-1998 标准，该标准规定使用NEMA IEC 躯干模体对PET 图像质量进行评估[13]。此后，NEMA 分别在2007 年和2012 年对标准进行了修订，但与NEMA NU 2-2001 相比并无重大变化。随后，IEC 在2013 年发布的IEC61675 1-2013 标准中对NEMA 标准进行了引用，该标准规定使用NEMA 散射模体对散射分数及灵敏度等参数进行检测；此外，IEC 标准对PET-CT配准精度的检测方法做出规定，检测方法为计算PET 图像和CT 图像中NEMA IEC 躯干模体内6 个球体在X、Y、Z轴3 个方向上的偏差[14]。随着TOF 技术逐渐成熟的应用于PET-CT，NEMA 在2018 年最新发布的NEMA NU 2-2018标准中加入TOF 分辨力测量以及PET-CT 配准精度测量，这是国际标准中首次系统地提出TOF 分辨力的检测方法和检测工具，此外NEMA NU 2-2018 标准还对PET-CT 配准精度的检测方法和工具做出全新规定[15]。该标准的发布使PET-CT 性能检测标准得到进一步完善。

图3 NEMA 散射模体（a）与NEMA 灵敏度模体（b）

NEMA 标准中使用的性能检测方法和检测模体适用于目前绝大多数PET-CT 设备，并且NEMA 标准规定的性能检测方法和检测模体会根据PET-CT 技术的发展做出相应的升级改进，因此该标准在全球范围内得到了最广泛的认可[16-17]。

自CT 设备于1972 年应用于临床开始，CT 设备的性能检测技术就受到了普遍重视[18]。1977 年，美国医学物理学家学会（American Association of Physical Medical，AAPM）发布第1 号报告AAPM Report No.001: Phantoms for Performance Evaluation and Quality Assurance of CT Scanners（1977），首次系统地提出了CT 设备性能检测的方法及模体（图4a）[19]。1989 年，德国标准化协会（Deutsches Institut für Normung，DIN）和日本工业标准调查会（Japanese Industrial Standards Committee，JISC） 针 对CT 设 备 性能参数、扫描用模体及图像质量等方面发布了相关标准[18]。1994 年，IEC 发 布 的IEC 61223-2-6-1994 Evaluation and routine testing in medical imaging departments-Part 2-6: Constancy tests-X-ray equipment for computed tomography 是对CT 设备稳定性测试较为科学、权威的新规定，是第一部CT 设备国际通用标准[20]，此标准在2006 年被IEC 做出修订。1999 年，IEC 发布的IEC 60601-2-44-1999 Medical electrical equipment-Part 2-44: Particular requirements for the safety of X-ray equipment for computed tomography 标准对CT 设备的安全性能做了规定[21]，此后IEC 对该标准做出多次修订，目前最新的版本为IEC 60601-2-44 Edition 3.2-2016。2017 年，美国放射物理协会（American college of radiology，ACR）和AAPM 修订了CT 设备诊断医学物理性能的技术标准，并推荐使用GAMMEX 464 模体（图4b）对CT 设备的CT 值、密度分辨力、空间分辨力等性能参数进行检测，此技术标准成为现在国际上比较通用的CT 检测规范[18,22-23]。此外，美国模体实验室研制的多参数集合性能检测模体Catphan 系列CT 性能检测模体（图4c）使用范围也较为广泛[24-25]，该模体可用于层厚精度、空间分辨力、密度分辨力、场均匀性等参数的检测。

图4 不同类型性能检测模体

2 PET-CT性能检测方法的研究进展

随着PET-CT 技术的快速发展，探测器闪烁晶体材料、闪烁晶体单元、光电转换器件、图像重建算法等因素均会对PET-CT 的性能产生影响[26]。研究PET-CT 各项性能参数的检测方法对于准确了解设备的性能指标、探究影响设备性能参数的因素等方面意义重大，从而促进PET-CT 技术的发展。

2.1 空间分辨力

空间分辨力表示PET 探测器能够分辨最小物体的能力。通过测定空气中点源重建图像的半高宽（FWHM）和十分之一高宽（FWTM）[15]，可反映PET 最佳状况下能达到的最高分辨性能，从而得到PET 设备空间分辨力[27]。Suljic 等[28]在研究影响PET 设备空间分辨力的因素时发现，在探测器中应用硅光电倍增管（Silicon Photo Multiplier，SiPM）、增加闪烁晶体数量、缩小单个闪烁晶体横截面积均可有效提升空间分辨力，TOF 技术对于空间分辨力无明显影响但可以有效提高图像信噪比及对比度[29]，而在检测过程中使用PSF 技术对图像进行重建可明显提高空间分辨力并减少失真[28,30]。

2.2 散射分数，计数丢失和随机符合

正电子发生湮灭反应后发射的γ 射线与周围物质相互作用时会产生散射，并最终导致错误的符合事件定位，散射符合会使采集的信噪比下降，使图像质量变差[3]。不同品牌型号的PET 设备在设计和结构配置等方面各有特点，它们对散射符合有不同的敏感度，散射分数是指散射符合占散射符合与真符合之和的比例，可反映PET 设备对散射符合的敏感程度。计数丢失和随机符合率可用于表达PET采集高放射性活度的能力[31]。使用NEMA 散射模体在较宽的活度范围内测量计数率随放射性源活度的变化即可获得PET 散射分数、计数丢失、随机符合率等性能参数[15]。

2.3 灵敏度

灵敏度表示设备使用的放射源活度所产生的计数丢失处在可以忽略的水平时，设备对符合事件的探测率，主要用于反映探测器所覆盖的立体角和探测器效率[32]。使用NEMA灵敏度模体和计数丢失小于5%的低活度18F 放射源测量总计数率和测量时间并计算灵敏度。灵敏度越高，所需采集时间越低，患者负担越轻，注射剂量越低，患者所受辐射越低；TOF 技术可以在一定程度上提高PET 灵敏度[32]。

2.4 图像质量、衰减和散射较正

图像质量是PET-CT 性能优劣的终端呈现，PET-CT 图像直接影响临床诊断，因此，图像质量评价是PET-CT 性能检测技术的重中之重。探测器性能和图像重建算法等因素都会影响图像质量，研究不同图像重建算法及技术对于不同类型患者的成像质量的影响，可以帮助我们使用最准确恰当的重建算法及技术以发挥设备的最佳性能，从而提高图像质量。

按照NEMA 标准中规定的PET 图像质量检测方法[15]，检测人员可使用NEMA IEC 躯干模体对PET-CT 进行图像质量检测，然后比较不同图像重建方式对于图像质量的影响。国内外众多研究发现，TOF 技术能有效提升图像对比度和提升衰减和散射校正精度，而PSF 技术能有效提升本底变化率，TOF 技术和PSF 技术联合使用时对小病灶效果显著[16,27,29,31,33-34]。Taniguchi 等[35]通过在NEMA IEC躯干模体外部增加圆柱型水模的方式模拟超重患者来检测PET-CT 扫描超重患者时的成像质量，其研究结果表明，OSEM+PSF+TOF 的图像重建方式能够有效提高超重患者的PET-CT 图像质量。

2.5 CT性能检测

CT 的性能参数主要包括：检查床定位精度、CT 值、CT 噪声、空间分辨力、密度分辨力、层位置精度、层厚精度等。CT 设备的性能检测技术发展时间较长，性能检测方法较为成熟，目前通常使用Catphan 系列CT 性能检测模体或GAMMEX 464 型ACR CT 性能检测模体等多参数性能检测模体对PET-CT 的CT 部分进行性能检测[23,36]。由于PET 图像的分辨率和解剖定位都相对较差，需要CT 图像准确描述病变的大小、位置、形态等解剖学特性，因此空间分辨力、层位置精度、层厚精度等是PET-CT 中CT部分的重要性能参数[1,37-39]。此外，PET 成像所需的放射性示踪剂和CT 设备产生的X 射线均有可能会对人体造成电离辐射损伤，因此控制CT 设备的辐射剂量至关重要。JJG 961-2017 医用诊断螺旋CT X 射线辐射源对CT 设备的剂量指数、CT 值、空间分辨力等性能参数的检测方法、检测工具、性能要求等方面均有详细规定[40]。程李等[41]学者利用包含衰减信息的TOF PET 数据以及PET 图像、CT 图像结构上的相似性，通过数值模拟的方法进行验证研究发现，引入TOF PET 数据进行联合重建后可以改善临床低剂量CT 的图像质量。

2.6 PET-CT配准精度

PET-CT 将PET 图像的功能信息CT 图像的结构信息精准的融合是其最大的优势，可以显著提高诊断的准确性，其图像的生成是通过软件将PET 和CT 独立产生的两种图像配准进行融合得到的。虽然PET 和CT 的扫描在同一检查床上完成，但图像融合的精度仍然受到扫描床的位移、人体器官位移等因素的影响，因此，对PET-CT 配准精度的检测十分重要[9,42]。目前，PET-CT 配准精度的测量方法较为多样。IEC61675 1-2013 标准中规定使用NEMA IEC 躯干模体来测量配准精度，通过计算模体内球体PET图像和CT 图像的球心偏差得到配准精度结果[14]。国内通常使用YY/T 0829-2011《正电子发射及X 射线计算机断层成像系统性能和试验方法》标准中推荐的检测方法进行PET-CT 配准精度的检测；该标准在IEC61675 1-2013 标准中检测方法的基础上对检查床上增加负重，以模拟人体重量对PET-CT 配准精度产生的影响[43]。NEMA 最新发布的NEMA NU 2 2018 标准中对PET-CT 配准精度的检测方法、检测工具以及配准精度算法做出了全新规定，要求使用两组相距95 cm 的点源对PET-CT 配准精度进行检测[15]；该方法在模拟人体重量带来的影响的基础上，可检测PET-CT在多视野、多位置内的配准精度，使PET-CT 配准精度检测方法的全面性及精准度得到提高。

3 总结

安全稳定的运行和质量保证是PET-CT 得以迅速发展和广泛应用的前提，性能检测是了解PET-CT 质量及性能指标最直接和客观的方式，图像质量作为直接影响临床诊断的重要参数在性能检测技术研究中受到重点关注。NEMA 标准性能检测方法和性能检测模体在全球范围内应用最广，但并未考虑到PET-CT 参数设置对设备性能表现造成的影响，图像质量模体不能完全满足复杂或微小病灶的图像质量检测。许多学者基于NEMA 标准研究新的PET-CT 性能检测方法和性能检测模体，开发新的性能检测模体时，在满足当下检测需求的前提下，还应预留一些功能以满足PET-CT 技术发展所带来了性能检测需求。