一體化PET-MR中PET設(shè)備性能指標(biāo)測(cè)試研究*

劉家金　劉 猛　姚樹林　彭 齊　尹大一　陳英茂　徐白萱*

近年來，正電子發(fā)射斷層掃描-MR(positronemission tomography-MR，PET-MR)作為一種新的多模態(tài)成像技術(shù)開始在臨床應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了多模態(tài)多參數(shù)成像[1-2]。在PET-MR的發(fā)展過程中，歷經(jīng)分體式設(shè)計(jì)、嵌入式設(shè)計(jì)，直至現(xiàn)在的一體化時(shí)代，實(shí)現(xiàn)了PET與MR的同步采集[3]。然而，在PET與MR設(shè)備的一體化過程中存在一系列的挑戰(zhàn)，如MR中的高靜態(tài)磁場、快速變化的梯度場和射頻信號(hào)，使傳統(tǒng)PET中的光電倍增管不能正常工作。又如位于MR中的PET金屬部件中會(huì)產(chǎn)生渦流，影響MR磁場的均勻性，從而降低MR成像質(zhì)量。

近10年來，雪崩光電二極管(avalanche photomultiplier tube，APD)和硅光電倍增管(silicon photomultiplier tube，SiPM)替代傳統(tǒng)光電倍增管(photo multiplier tube，PMT)等技術(shù)[4-6]的發(fā)展使一體化PET-MR設(shè)備成功走向臨床，在國內(nèi)使用逐漸增多。PET-MR與正電子發(fā)射斷層掃描-CT(positronemission tomography，PET-CT)不同，PET-MR中的PET始終處于磁場的環(huán)境中，同時(shí)PET性能測(cè)試過程中的模型也處于磁場中。本研究主要探討PET-MR在MR常規(guī)序列采集時(shí)的磁場環(huán)境中PET的性能測(cè)試情況。

1　材料和方法

1.1　儀器設(shè)備

使用Biograph mMR VB20P型PET-MR(德國西門子公司)。

(1)MR部分。鈮鈦超導(dǎo)磁體(磁體長度163 cm、磁體腔孔徑60 cm)形成強(qiáng)度為3特斯拉(Tesla，T)的均勻靜磁場，全身梯度線圈系統(tǒng)(極低渦流、磁體線圈長度159 cm、梯度場強(qiáng)45 mT/m、梯度切換率200 mT/m/s)，射頻體線圈(射頻放大器最大功率35 kW、發(fā)射帶寬800 kHz)。MR系統(tǒng)的掃描視野為0.5～50 cm，二維層厚為0.1～200 mm，三D層厚為5～500 mm，最大矩陣為1024。

(2)PET部分。探測(cè)器嵌入MR機(jī)架內(nèi)的射頻線圈系統(tǒng)與梯度系統(tǒng)之間，由8個(gè)探測(cè)環(huán)構(gòu)成，每個(gè)探測(cè)環(huán)有56個(gè)LSO_APD探測(cè)器部件按圓周形式排列，每個(gè)LSO_APD探測(cè)器模塊由8×8個(gè)4 mm×4 mm×20 mm的LSO晶體和3×3個(gè)水冷式的APD組成，構(gòu)成了共計(jì)4032個(gè)探測(cè)通道和Z軸方向上64個(gè)晶體環(huán)，最終形成橫向和軸向的視野分別為58.8 cm和25.8 cm的PET探測(cè)系統(tǒng)。采集能量窗430～610 keV，符合時(shí)間窗為5.86 ns。采集模式分為3D靜態(tài)和列表模式，重建方法包括濾波反投影、3D-迭代和帶有點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)校正的迭代。

1.2　性能檢測(cè)

PET性能檢測(cè)依據(jù)美國國家電氣制造商協(xié)會(huì)(National Electrical Manufacturers Association，NEMA)NU2-2007標(biāo)準(zhǔn)[7]。在檢測(cè)之前，首先進(jìn)行探測(cè)器設(shè)置，包括APD增益歸一化、晶體區(qū)域圖生成和晶體能量峰值調(diào)整，然后進(jìn)行探測(cè)器時(shí)間校正和歸一化；此外，確保所有計(jì)算機(jī)及活度計(jì)的時(shí)鐘同步；測(cè)試模型為NEMA標(biāo)準(zhǔn)模型。為評(píng)估常規(guī)MR掃描環(huán)境對(duì)PET性能測(cè)試的影響，在所有PET測(cè)試時(shí)都同步進(jìn)行19 s的Dixon序列采集(TR：20 ms；TE：1.17 ms；翻轉(zhuǎn)角度為10)。

1.2.1空間分辨率測(cè)試

樹脂毛細(xì)管(內(nèi)徑為1.0 mm，壁厚為0.2 mm，長度為75 mm)吸附18F-氟代脫氧葡萄糖(18F-flurodeoxyglucose，18F-FDG)溶液制備點(diǎn)源，毛細(xì)管內(nèi)的活動(dòng)范圍僅限于1 mm軸向的吸水樹脂，總活度為9.8 MBq。將L形點(diǎn)源固定器安裝至PET-MR支架上，確保固定器位于支架的最低位置。將含有點(diǎn)源的毛細(xì)管先后置于L形固定器的(0，1 cm)、(0，10 cm)和(10 cm，0)3個(gè)坐標(biāo)位置。使用廠家NEMA 2007測(cè)試軟件先后在點(diǎn)源位于軸向視野中心和距軸向視野中心1/4處時(shí)采集數(shù)據(jù)，采集計(jì)數(shù)2.35×106個(gè)，NEMA 2007重建圖像使用濾波反投影法，矩陣為334×334×172，點(diǎn)源在橫向、切向和軸向的擴(kuò)展函數(shù)半高寬(full width at half maximum，F(xiàn)WHM)和十分之一高寬(full width at tenth maximum，F(xiàn)WTM)通過線性插值法進(jìn)行計(jì)算。

1.2.2散射分?jǐn)?shù)、計(jì)數(shù)丟失和隨機(jī)符合測(cè)試

將800 mm聚乙烯管(內(nèi)徑3 mm，外徑4.8 mm)填充中段700 mm 1.5 GBq的18F-FDG溶液，插入孔徑6.5 mm的聚乙烯散射體模內(nèi)(直徑202 mm，長度695 mm)。將散射模體置于PET-MR檢查床上的組合支架中，使體模圓柱端與組合支架對(duì)齊并使聚乙烯管靠口位于6點(diǎn)位的位置，使散射體模中心置于掃描視野中心。采集15 h，40 min/幀，開始采集時(shí)刻的活度為632 MBq。采用NEMA2007軟件自動(dòng)計(jì)算散射分?jǐn)?shù)以及真實(shí)、隨機(jī)、散射計(jì)數(shù)、等效噪聲計(jì)數(shù)和總計(jì)數(shù)率。此外，使用列表模式采集5 min無放射性藥物數(shù)據(jù)，用于評(píng)估本底計(jì)數(shù)。

1.2.3計(jì)數(shù)丟失及隨機(jī)符合校正精度測(cè)試

在散射分?jǐn)?shù)、計(jì)數(shù)丟失和隨機(jī)符合檢測(cè)采集和分析完成后，將2個(gè)摻有NaCl的MR校準(zhǔn)瓶置于NEMA散射體模兩側(cè)，操作過程中不得移動(dòng)檢查床，使用Dioxn序列采集散射體模衰減校正圖，NEMA2007軟件自動(dòng)計(jì)算結(jié)果。圖像重建使用傅里葉變換濾波反投影。矩陣為334×334×172，校正類型包括歸一化、物體衰減校正、散射校正、隨機(jī)校正以及時(shí)間衰變校正等。

1.2.4靈敏度測(cè)試

將700 mm聚乙烯管(2.4 ml)充滿10.5 MBq的18F-FDG溶液并插入同心的5個(gè)鋁制套管(長度：700 mm，內(nèi)徑和外徑分別為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。將2個(gè)PET-MR組合支架置于機(jī)架通道內(nèi)并位于檢查床導(dǎo)軌的軸向邊緣，將5個(gè)鋁制套管沿軸向居中置于泡沫固定器之間，以使套管位于泡沫的淺槽內(nèi)，檢查床置于掃描視野外。使用NEMA 2007靈敏度軟件進(jìn)行采集和數(shù)據(jù)分析，每次采集完成后移除1根鋁制套管，每次采集5 min，完成中心視野測(cè)試后進(jìn)行偏離橫向視野(field of view，F(xiàn)OV)中心10 cm測(cè)量。

1.3　圖像質(zhì)量測(cè)試

(1)對(duì)于PET圖像質(zhì)量的檢測(cè)使用Phantom-NEMA 2007體模，其內(nèi)部長度、寬度和高度分別為175 mm、293 mm和224 mm；將填充泡沫的圓桶(外徑為50 mm；長度為175 mm)插入體模中心固定以模擬肺部。6個(gè)內(nèi)徑分別為10 mm、13 mm、17 mm、22 mm、28 mm和37 mm，壁厚≤1 mm的球體置于體模內(nèi)；球體的中心距離體模底板均為68 mm，從而保證所有球體在軸向同一橫斷層面上；所有球體在橫斷層面中的位置應(yīng)滿足球體的中心距離模型中心的半徑為5.72 cm。兩個(gè)大球體填充無放射性的水形成“冷灶”，其他球和體模腔內(nèi)分別填充活度為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“熱灶”和“背景區(qū)”，放置于視野中心；將散射模型內(nèi)插入110 MBq的18F-FDG溶液線源并置于體模頂端，與之鄰接。

(2)體模采集12 min，采用點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)校正的迭代重建算法(3次迭代，21個(gè)子集)，172×172矩陣，包括歸一化、死時(shí)間、時(shí)間衰變、3D散射、隨機(jī)符合校正以及4 mm FWHM的高斯濾波進(jìn)行重建，得到體素大小為4.2 mm×4.2 mm×2.0 mm圖像。使用NEMA 2007軟件計(jì)算“冷區(qū)”和“熱區(qū)”的對(duì)比度百分比以及背景的變異系數(shù)來評(píng)價(jià)顯像質(zhì)量，并獲得本底變化率和肺插件的平均殘余誤差(衰減和散射校正精度)。圖像處理需手動(dòng)選擇所有球體中心在同一平面的橫斷面圖像，其余處理由程序自動(dòng)完成。

2　結(jié)果

2.1　PET空間分辨率

PET空間分辨率當(dāng)偏離視野中心位置為1 cm時(shí)，中心區(qū)FWHM達(dá)到4 mm左右，見表1。

2.2　散射分?jǐn)?shù)、計(jì)數(shù)丟失和隨機(jī)符合

當(dāng)放射性濃度為21.6 kBq/ml時(shí)，噪聲等效計(jì)數(shù)率達(dá)峰值為187.9 kcps；真符合計(jì)數(shù)率峰值為713.6 kcps；散射分?jǐn)?shù)為36.4%。采集5 min本底平均計(jì)數(shù)率為832 cps，標(biāo)準(zhǔn)差為29 cps。符合計(jì)數(shù)率性能測(cè)試結(jié)果(如圖1所示)。

圖1　符合計(jì)數(shù)率性能測(cè)試結(jié)果示圖

2.3　計(jì)數(shù)丟失及隨機(jī)符合校正精度

(1)因噪聲等效計(jì)數(shù)率達(dá)峰值時(shí)活度為21.6 kBq/ml，故根據(jù)NEMA測(cè)試要求，在放射性濃度≤21.6 kBq/ml的范圍內(nèi)，其計(jì)數(shù)丟失及隨機(jī)符合校正誤差，最大誤差為13%(如圖2所示)。

圖2　計(jì)數(shù)丟失及隨機(jī)符合校正誤差曲線圖

表1　空間分辨率測(cè)試結(jié)果(mm)

表2　圖像質(zhì)量測(cè)試結(jié)果(%)

表3　mMR與mCT測(cè)試結(jié)果

2.4　靈敏度

測(cè)試源在視野中心與偏離中心10 cm處的系統(tǒng)總靈敏度分別為13.5 kcps/MBq和13.8 kcps/MBq，平均靈敏度為13.65 kcps/MBq。在軸向中心出現(xiàn)了最大值平臺(tái)區(qū)，平臺(tái)區(qū)長度達(dá)9層(1.8 cm)，靈敏度為195.7 cps/MBq。視野中心處軸向斷層靈敏度變化如圖3所示。

圖3　視野中心處軸向斷層靈敏度曲線圖

2.5　圖像質(zhì)量測(cè)試

PET重建體模圖像的橫斷面與冠狀面如圖4所示，未見MR同步采集環(huán)境對(duì)PET圖像有影響。各球體冷、熱灶的對(duì)比度百分比、背景的變異系數(shù)及肺插件殘余誤差見表2。

10 mm的最小熱灶的對(duì)比度百分比達(dá)到了38.64，且清晰可見(如圖4所示)。

圖4　圖像質(zhì)量測(cè)試模型的橫斷面和冠狀面示圖

2.6　mMR與mCT測(cè)試結(jié)果比較

本測(cè)試結(jié)果與既往西門子PET-CT NEMA2007測(cè)試研究比較[8]表明，一體化PET-MR設(shè)備克服了MR靜磁場環(huán)境及常規(guī)采集序列對(duì)PET探測(cè)性能的影響，各性能指標(biāo)互有長短，具體值見表3。

3　討論

空間分辨率反映PET能分辨的空間兩點(diǎn)間的最近距離，用點(diǎn)源擴(kuò)展函數(shù)的半高寬來描述，主要受到晶體尺寸、視野大小及正電子飛行距離等影響[9]。其中MR靜磁場會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)的正電子產(chǎn)生勞倫茲力降低其飛行距離，從而提高空間分辨率[10-11]。本研究中18F衰變發(fā)射的正電子飛行距離短，且MR磁場強(qiáng)度為3 T，效果并不顯著。

在符合探測(cè)中，除真符合外，還包含散射符合和隨機(jī)符合計(jì)數(shù)，后兩者效應(yīng)不僅降低信噪比，還降低了圖像對(duì)比度。因此，在PET圖像中，除了與真符合計(jì)算相關(guān)的統(tǒng)計(jì)漲落噪聲外，還必須考慮散射計(jì)數(shù)率、隨機(jī)計(jì)數(shù)率、噪聲等效計(jì)數(shù)率和總計(jì)數(shù)率隨活度的變化，以指導(dǎo)臨床注射劑量等。此外，散射符合計(jì)數(shù)在總符合計(jì)數(shù)中所占的百分比被稱為散射分?jǐn)?shù)，用于描述PET系統(tǒng)對(duì)散射計(jì)數(shù)的敏感程度[9]。本研究PET-MR系統(tǒng)的系統(tǒng)靈敏度(13%)較高是由其長達(dá)25.8 cm的軸向采集視野及5.86 ns的較寬符合時(shí)間窗形成的。軸向邊緣靈敏度與中心層面靈敏度差異較大，因此要求采集時(shí)床位重疊增大，本系統(tǒng)要求重疊范圍為每床位層數(shù)的30%～60%。

圖像質(zhì)量和校正精度測(cè)試過程中需要對(duì)體模進(jìn)行衰減校正，而MR無法獲取模型的PET衰減系數(shù)圖，本研究體模的衰減校正是基于設(shè)備自帶的體模衰減校正圖，通過融合軟件與PET配準(zhǔn)后用于衰減校正[12-13]。

4　結(jié)語

基于LSO_APD探測(cè)器與3T MR整合成的一體化PET-MR設(shè)備具有較好的PET探測(cè)性能。但本研究未測(cè)試MR功能成像時(shí)對(duì)PET性能指標(biāo)的影響；此外，未檢測(cè)PET系統(tǒng)整合后對(duì)MR性能的影響。

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