基于NEMA NU 2-2007标准测试国产uEXPLORER PET系统性能

蒋 梨，黄衍超，李洪生，韩彦江，王巧愚，王静怡，王全师*

(1.南方医科大学南方医院PET中心，广东 广州 510515；2.上海联影智能医疗科技有限公司，上海 201807)

自20世纪70年代以来，PET技术得到显著发展，多环探测器、模块化晶体、3D采集及飞行时间(time of flight, TOF)等技术相继出现[1-3]，显著提高了PET探测器的探测能力和空间分辨率。目前临床所用PET探测器轴向视野(field of view, FOV)多较短(15～25 cm)，无法探测超出其范围的光子，使得探测器的光子计数效率低下[4]，通常需要增加扫描时间以提高图像信噪比，单次成人全身PET/CT检查约需6～8个床位，耗时15～20 min。长时间扫描难以保证受检者位置始终保持不变，且限制了PET/CT应用效率的最大化。本研究根据美国国家电器制造协会(National Electrical Manufacturers Association, NEMA)发布的 NEMA NU 2-2007标准对uEXPLORER系统的探测器物理性能进行了测试与评估，并对4名志愿者行全身PET/CT扫描，初步观察该系统的临床应用性能。

1 材料与方法

1.1 uEXPLORER系统 为上海联影医疗科技有限公司研制的全身PET/CT探测系统，其探测器晶体由硅酸钇镥(LYSO)晶体阵列耦合硅光电倍增器件(silicon photomultiplier, SiPM)组成，每一晶体尺寸为2.76 mm×2.76 mm×18.00 mm，共564 480块晶体、672个晶体环，具有700 mm孔径与1 940 mm的轴向FOV。

1.2 性能指标 包括空间分辨率、系统灵敏度、散射分数与噪声等效计数率(noise equivalent count rate, NECR)[5]等。

1.2.1 空间分辨率 测定空气中点源重建图像的半高宽(full width at half maximum, FWHM)和十分之一高宽(full width at tenth maximum, FWTM)，观察系统在最佳状况下所能达到的最高分辨性能[6]。利用3根内径1 mm的毛细玻璃管吸取长度约1 mm(目视)的18F水溶液[比活度为25 mCi/ml(925 MBq/ml)]，制成实验测量点源。将测量工装安装在扫描床上，并将3根毛细玻璃管分别插在工装的3个位置上，其坐标(X，Y)位置分别是(0,10)、(100,0)及(0,100)，分别放置于PET探测器的轴向FOV中心(1/2 AFOV)与偏离中心1/4轴向FOV(1/4 AFOV)处进行扫描。于每个摆放位置静态扫描10 min，之后采用滤波反投影法(filtered back projection，FBP)重建图像，维度为1 023×1 023，像素尺寸为0.6 mm×0.6 mm。

1.2.2 系统灵敏度 采用NEMA PET灵敏度模体测量系统灵敏度，该模体由5个长度均为70 cm、管壁厚2.5 mm同心铝套管组成。将总活度约为5 MBq的18F-FDG溶液灌注到直径2 mm的塑料软管中，制成长度为70 cm的均匀放射性线源，将线源插入尺寸最小的铝套管，并置于PET探测FOV中心进行静态扫描；将剩余套管按孔径从小到大顺序依次套在已采集的铝管外，并进行扫描，采集时间均为5 min；随后将线源置于偏离FOV中心10 cm位置处，重复进行上述扫描。采用延迟符合法对所得数据进行随机校正，并于工作站进行分析。

1.2.3 散射分数与NECR 专用体模为实心聚乙烯圆柱，直径为200 mm，长为700 mm，在偏离轴心45 mm处由直径6.4 mm小孔，用于插入长70 cm的18F-FDG线源。将体模置于FOV中心，使线源孔位于体模中心轴正下方，线源起始活度为25 mCi(925 MBq)，随着18F-FDG活度衰减，分多次进行数据采集与处理。根据所得结果分别计算不同活度下的总计数率、真符合计数率、随机计数率、散射计数率、NECR及散射分数。总符合计数率为FOV中的总计数率，即真符合计数率、随机符合计数率与散射符合计数率之和[7]。

1.3 初步临床应用 对4例志愿者(表1)于注射药物并静息约60 min后行全身PET扫描。uEXPLORER全身成像的临床常规重建协议采用有序子集最大期望值法(ordered subset expectation maximization, OSEM)(2次迭代和20个子集)，图像大小为192×192，FOV为600 mm，并以3 mm高斯滤波器进行后滤波；头部成像临床常规重建协议则采用OSEM(4次迭代和20个子集)，图像大小为256×256，FOV为256 mm，以3 mm高斯滤波器进行后滤波。志愿者4为左侧输尿管肿瘤患者，先以Biograph mCT行全身PET扫描(7个床位，采用TrueX+TOF算法重建，3次迭代和21个子集，图像大小为200×200，FOV为600 mm，使用4 mm高斯滤波器)，发现左侧输尿管上段管壁局限性增厚、代谢增高；予呋塞米促排尿[8]并休息4 h后以uEXPLORER行延迟显像。

表1 4例志愿者基本信息

2 结果

2.1 空间分辨率 测试结果见表2。

表2 基于 NEMA NU 2-2007标准测试uEXPLORER PET系统的空间分辨率结果(mm)

2.2 灵敏度 系统灵敏度在FOV中心位置的峰值为178.000 kcps/MBq，在偏离FOV中心10 cm位置处的峰值为184.477 kcps/MBq，见图1。

图1 uEXPLORER PET系统灵敏度轴向曲线 A.FOV中心；B.偏离FOV中心10 cm

2.3 散射符合、随机符合及计数损失 真符合计数率与散射计数率随放射性活度增高而加大，至活度为40.03 kBq/ml时，真符合计数率达到峰值，为5 664.7 kcps；散射分数较大时，放射性活度变化范围35.8%～37.2%；随机计数率则随放射性活度呈非线性快速增长，在高活度时逐渐占据主导地位。放射性活度为18.7 kBq/ml时, NECR峰值达到1 548.95 kcps，之后随放射性活度增大而逐渐下降。见图2。

图2 uEXPLORER PET系统的散射符合、随机符合及计数损失测量结果 A.不同放射性活度对应的计数率；B.不同放射性活度对应的NECR；C.不同放射性活度对应的散射分数

基于NEMA标准对uEXPLORER的物理性能指标与其他新型PET/CT产品，如Siemens Biograph Vision[9]、GE Discovery MI 5R[10]、Philips Vereos[11]进行比较，结果显示uEXPLORER具有较高的空间分辨率(3 mm左右)、高灵敏度(178.000 kcps/MBq)和峰值NECR(1548.95 kcps)。见表3。

表3 4种PET/CT系统物理效能比较

2.4 临床应用 uEXPLORER探测微小病灶的灵敏度高(图3)；颅脑PET图像可清晰显示脑沟回结构，图像分辨率较高(图4)；全身PET扫描同时已行脑部PET重建，故无需单独进行脑部PET扫描，与常规扫描5 min的MIP图像相比，其扫描1 min的最大密度投影(maximum intensity projection, MIP)图像并未出现肉眼可见的信息丢失(图5)。无论在低剂量或低光子数计数情况下，uEXPLORER均可采集到可满足临床诊断的全身PET图像。见图6、7。

图3 志愿者1，肺癌广泛骨转移 右肺中叶外侧段见结节状轻度异常浓聚影(十字标识)，约0.6 mm×0.7 cm，最大标准摄取值为2.8

图4 志愿者1，颅脑PET图像5 min脑PET显像 A.轴位；B冠状位；C.矢状位

图5 志愿者2，肺癌患者18F-FDG全身显像 A.采集1 min；B.采集 5 min 图6 志愿者3，低剂量18F-FDG全身显像(0.05 mCi/kg体质量)

3 讨论

目前PET/CT主要用于临床早期诊断肿瘤和治疗跟踪，诊断神经系统、心脏疾病及研发新型探针，空间分辨率、灵敏度、散射分数及NECR是评价设备性能的重要指标。

光子计数率受注射药物剂量、扫描时间、晶体探测效率以及探测器轴向FOV等综合因素的影响，在不改变轴向FOV长度的情况下，通常选择增加扫描时间或注射药物剂量来以保证获得足够的光子计数。BADAWI等[12-13]发现，增加轴向FOV长度可以增益系统灵敏度。灵敏度表征PET系统在单位辐射剂量下每单位时间检测的真实计数能力，系统灵敏度越高，表示光子探测效率越高，因此，提高PET系统探测真符合计数的能力是改善灵敏度最直接的方式。不同于以往传统多床位扫描系统，uEXPLORER PET的轴向FOV为1 940 mm，由8个PET探测器单位组成，超长的轴向FOV使得光子对即便沿较大倾斜角发射仍能被探测到，从而形成有效计数，获得足够的光子计数。初步临床测试中，对志愿者4在 首次扫描4 h后以uEXPLORER PET行延迟显像，结果显示在低光子计数的情况下，uEXPLORER显像仍能提供可满足诊断要求的图像。同等指标下，PET系统灵敏度越高，对体内药物浓度要求越低。对志愿者3将药物剂量由10 mCi(370 MBq)降低40倍至250 μCi(18.5 MBq)后，uEXPLORER系统仍能实现高质量成像，即以之行低剂量成像具有可行性，使其在儿童等辐射敏感人群中的应用更为广泛。

图7 志愿者4，左侧输尿管肿瘤患者，左侧输尿管管壁局限性增厚(十字标识)，最大标准摄取值为11.2 A.早期显像(Biograph mCT)；B.延迟显像(uEXPLORER)

uEXPLORER系统的灵敏度高于传统设备数十倍[14-16]，同等成像条件下可获得更高的图像信噪比，继而得到更高的空间分辨率，有利于临床检出小病灶，早期发现与诊断肿瘤，有效提高治疗效果并改善预后，具有重大应用前景与优势。此外，uEXPLORER系统通过1个床位扫描即可实现探测全身各脏器、组织，将机体作为一个整体进行观察，为实现全身动态成像提供了路径[17-18]。通过全身动态显像可获得探针代谢速率常数，更精确地鉴别良恶性肿瘤，对于新型探针的药代动力学研究亦具有重大意义。

综上，基于NEMA NU-2 2007标准对国产uEXPLORER PET系统的物理性能的评估结果表明，该系统具有较高的空间分辨率、系统灵敏度，具备一定临床应用价值，有可能减少剂量或缩短扫描时间，并提高检测小病变的能力。