馮 健

NEMA NU1-2007標(biāo)準(zhǔn)對(duì)基于碲鋅鎘探測(cè)器SPECT性能測(cè)試的適用性*

馮 健①

目的：正確應(yīng)用美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì)(NEMA)制定的NEMA NU1-2007標(biāo)準(zhǔn)，為基于碲鋅鎘(CZT)探測(cè)器的單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像裝置(SPECT)進(jìn)行性能測(cè)試提供參考。方法：在對(duì)基于CZT探測(cè)器的SPECT進(jìn)行性能測(cè)試時(shí)，需對(duì)CZT探測(cè)器與單晶體探測(cè)器加以區(qū)別，探討NEMA NU1-2007標(biāo)準(zhǔn)不適用于CZT探測(cè)器的性能測(cè)試項(xiàng)目。結(jié)果：給出了不適用于基于CZT探測(cè)器的SPECT進(jìn)行NEMA NU1-2007的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并給出原因分析和處理辦法。結(jié)論：基于CZT探測(cè)器的SPECT進(jìn)行性能測(cè)試時(shí)不能完全按照NEMA NU1-2007標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行，制造商需要明確不適用的測(cè)試項(xiàng)目及其原因。

碲鋅鎘；單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像裝置；NEMA NU1-2007標(biāo)準(zhǔn)；性能測(cè)試

1996年，具有臨床使用價(jià)值的半導(dǎo)體探測(cè)器碲鋅鎘(cadmium zinc telluride，CZT)替代NaI晶體的單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像裝置(single photon emission computed tomography，SPECT)問世，標(biāo)志著核醫(yī)學(xué)儀器硬件上的新突破[1-3]。CZT半導(dǎo)體探測(cè)器取代了通用型SPECT探頭中的NaI晶體及光電倍增管(photo multiplier tube，PMT)的功能，直接完成了將γ光子轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的功能[4-5]。目前，商品化的CZT半導(dǎo)體探測(cè)器SPECT的制造商有：美國(guó)GE Healthcare公司、Spectrum Dynamics公司和美國(guó)Gamma Medica公司[6-7]。GE Healthcare公司生產(chǎn)的Discovery NM530 c用于心臟顯像成像，NM750 b用于乳腺成像，NM670 CZT用于通用成像，可用于全身成像[8]；Spectrum Dynamics公司生產(chǎn)的D-SPECT用于心臟成像[9-10]；Gamma Medica公司生產(chǎn)的LumaGEM用于乳腺成像[11-12]。

目前，絕大多數(shù)核醫(yī)學(xué)制造商使用美國(guó)制造商協(xié)會(huì)(National Electrical Manufacturers Association，NEMA)編制的NEMA NU1-2007標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行性能測(cè)試。由于NEMA NU1-2007標(biāo)準(zhǔn)的性能條款主要針對(duì)單晶體探測(cè)器，如NaI(Tl)晶體，因此對(duì)于使用CZT探測(cè)器的SPECT系統(tǒng)，不能完全引用NEMA NU1-2007標(biāo)準(zhǔn)的條款進(jìn)行測(cè)試[13]。基于此，本研究依據(jù)CZT探測(cè)器與單晶體探測(cè)器在結(jié)構(gòu)組成上的區(qū)別，闡明如何選擇及修改采用NEMA NU1-2007標(biāo)準(zhǔn)對(duì)使用CZT探測(cè)器的SPECT設(shè)備進(jìn)行性能測(cè)試。

1 CZT探測(cè)器與單晶體探測(cè)器的區(qū)別

1.1 單晶體探測(cè)器成像特點(diǎn)

單晶體探測(cè)器使用一整塊晶體，γ光子入射到晶體后，會(huì)在一定區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)化成光，經(jīng)由光導(dǎo)進(jìn)入PMT進(jìn)行光電倍增，然后由定位線路對(duì)入射光子進(jìn)行定位[14-15]。由此可見，即便是一束非常窄的入射γ射線，在晶體上也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)光斑，而不是一個(gè)點(diǎn)。

1.2 CZT探測(cè)器成像特點(diǎn)

CZT探測(cè)器的成像原理是直接將γ射線轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。當(dāng)采集的γ射線與CZT晶體作用時(shí)，晶體內(nèi)部產(chǎn)生電子和空穴對(duì)，其數(shù)量和入射光子的數(shù)量成正比。帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴向不同的電極運(yùn)動(dòng)，形成的電荷脈沖經(jīng)過前置放大變成電壓脈沖。前置放大輸出的信號(hào)經(jīng)過后續(xù)電路處理，然后進(jìn)行圖像重建。CZT探測(cè)器在室溫狀態(tài)下能夠處理100萬光子/(s·mm2)，從而保證CZT探測(cè)器對(duì)γ射線探測(cè)具有極高的系統(tǒng)靈敏度[5]。

2 NEMA NU1-2007標(biāo)準(zhǔn)不適用CZT型SPECT的指標(biāo)

NEMA NU1-2007標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了SPECT設(shè)備的固有性能、使用準(zhǔn)直器的系統(tǒng)成像性能、斷層成像性能及全身成像性能等19項(xiàng)性能指標(biāo)的測(cè)試方法，其中有些指標(biāo)的測(cè)試方法可適用于CZT探測(cè)器的SPECT。需要特別表明的是，目前使用CZT探測(cè)器的SPECT大部分只適用于特定的部位，如GE Healthcare公司生產(chǎn)的用于心臟顯像成像的Discovery NM530c，用于乳腺成像的NM750b，因此需要根據(jù)實(shí)際具體確定NEMA NU1-2007標(biāo)準(zhǔn)的適用情況。

2.1 固有空間分辨率和固有空間線性

根據(jù)NEMA NU1-2007標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，本測(cè)試使用盡可能靠近晶體、能覆蓋整個(gè)UFOV范圍、具有1 mm寬以及相鄰縫隙中心距離為30 mm的平行縫隙鉛掩模模型。平行縫隙鉛掩模模型人為地將整個(gè)晶體分成若干部分，然后利用縫隙形成的圖像進(jìn)行半高寬(full width at half maximum，F(xiàn)WHM)和十分之一高寬(full width at one-tenth maximum，F(xiàn)WTM)的測(cè)量。由于CZT探測(cè)器是離散晶體探測(cè)器，固有空間分辨率與每個(gè)模塊相鄰2個(gè)陽極之間的距離等設(shè)計(jì)因素有關(guān)，如果使用平行縫隙鉛掩模模型，由于擺位等要求的精度很高，反倒不易獲得準(zhǔn)確的計(jì)數(shù)分布情況，因此CZT探測(cè)器不適用本測(cè)試項(xiàng)目，空間分辨率可以使用“無散射系統(tǒng)空間分辨率”描述的試驗(yàn)方法進(jìn)行特征描述。

2.2 空氣中固有計(jì)數(shù)率特性

根據(jù)NEMA NU1-2007標(biāo)準(zhǔn)的說明，當(dāng)計(jì)數(shù)率在4000 cps以下時(shí)，死時(shí)間影響很小，此時(shí)認(rèn)為輸入計(jì)數(shù)率(ICRi)等于觀測(cè)計(jì)數(shù)率。隨后的第i次ICRi計(jì)算為公式1：

使用公式1的另一種表達(dá)方式計(jì)算，即為公式2：

式中ICRi為第i次ICRi；OCRn為低于4000 cps時(shí)最后一次的觀測(cè)計(jì)數(shù)率；tn為最后一次觀測(cè)計(jì)數(shù)率的時(shí)間；ti為第i次測(cè)量的時(shí)間。

隨著ICRi的增加，觀測(cè)計(jì)數(shù)率與ICRi之間失去線性關(guān)系，計(jì)數(shù)損失逐漸增加。使用最近兩點(diǎn)線性插值的方法確定損失20%的觀測(cè)計(jì)數(shù)率，即為公式3：

當(dāng)ICRi高于單晶體探測(cè)器的響應(yīng)能力時(shí)，隨著ICRi的增加，觀測(cè)計(jì)數(shù)率并不會(huì)隨之增加，而會(huì)出現(xiàn)反折區(qū)，如圖1所示[5]。

圖1 單晶體探測(cè)器固有計(jì)數(shù)率特性曲線圖

對(duì)于CZT探測(cè)器，由于探測(cè)器的系統(tǒng)探測(cè)效率已經(jīng)＞500 kcps，而且伽瑪光子直接轉(zhuǎn)換成光電子，消除了模擬噪聲和信號(hào)丟失，使得計(jì)數(shù)定位和能量定位更加準(zhǔn)確。因此在計(jì)數(shù)過程中的損失也極大降低。經(jīng)過擬合后的觀測(cè)計(jì)數(shù)率和ICRi是一條直線，計(jì)數(shù)損失一般會(huì)在1%以下。因此，無法提供NEMA NU1-2007標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的20%損失時(shí)的計(jì)數(shù)率，如圖2所示。

圖2 CZT探測(cè)器固有計(jì)數(shù)率特性曲線圖

2.3 多窗空間配位

多窗空間配位(MWSR)是SPECT探頭使用不同光峰能窗成像過程中，對(duì)不同能量光子精確位置的測(cè)量能力。從Anger型探測(cè)器的原理上看，光子的定位與能量無關(guān)系，理想狀態(tài)下采用不同能窗獲得的光峰位置是相同的，但是由于單晶體探測(cè)器在處理模擬信號(hào)時(shí)存在電子電路方面的漂移和誤差，因此在不同能窗下的光峰位置計(jì)算會(huì)出現(xiàn)一些差異。

CZT探測(cè)器模塊中的每個(gè)獨(dú)立采集單元直接將伽瑪光子轉(zhuǎn)換成光電子，消除了模擬噪聲和信號(hào)丟失，能夠獲得精確的計(jì)數(shù)定位和能量定位，不存在不同能窗下的光峰位置偏移的情況。因此，使用CZT探測(cè)器的SPECT設(shè)備不需要進(jìn)行多窗空間配位測(cè)試。NEMA NU1-2007標(biāo)準(zhǔn)在多窗空間配置的備注中聲稱本測(cè)試適用于離散像素照相機(jī)值得商榷。

2.4 在75 kcps處固有空間分辨率

對(duì)于單晶體探測(cè)器，NEMA NU1-2007標(biāo)準(zhǔn)中的許多測(cè)試規(guī)定：“通過能窗的計(jì)數(shù)率應(yīng)該≤20 kcps”。從圖2的計(jì)數(shù)率特性圖可以看出，在20 kcps的ICRi時(shí)，ICRi和觀測(cè)計(jì)數(shù)率仍然在線性范圍內(nèi)，但是在75 kcps時(shí)，ICRi和觀測(cè)計(jì)數(shù)率已經(jīng)在線性關(guān)系的邊緣，或者已經(jīng)是非線性關(guān)系。在75 kcps處測(cè)量固有空間分辨率和固有泛源非均勻性，主要目的是考量高計(jì)數(shù)率情況下設(shè)備的物理性能變化。

對(duì)于CZT探測(cè)器，由于其在很高的ICRi下仍然保持較低的計(jì)數(shù)損失(如在1%以下)，ICRi和觀測(cè)計(jì)數(shù)率存在良好的線性關(guān)系，設(shè)備物理性能與計(jì)數(shù)率高低的關(guān)系不大，因此不必進(jìn)行75 kcps處的性能測(cè)試。

2.5 系統(tǒng)平面靈敏度和穿透性

NEMA NU1-2007標(biāo)準(zhǔn)要求使用直徑150 mm的塑料盤盛放放射源，這種未按照實(shí)際探頭尺寸就給出面源器皿尺寸的做法并不可取，很容易引起不必要的誤解和誤用。根據(jù)本研究測(cè)試的需求可以看出，面源器皿的底面積只要大于CFOV的尺寸即可。此外，平面靈敏度的測(cè)試與距離無關(guān)系，穿透性的計(jì)算才需要有距離的變化，其計(jì)算為公式4和公式5：

使用99Tcm，其源活度在7：50的活度9.9 mCi，在15：41進(jìn)行采集， 掃描時(shí)間是3 min， 掃描后獲得總計(jì)數(shù)是1487521，則按照公式6獲得的平面靈敏度是公式7：

3 結(jié)論

本研究分析顯示，相對(duì)于使用模擬線路的單晶體探測(cè)器，CZT探測(cè)器是使用多晶體的數(shù)字型離散像素探測(cè)器。兩種探測(cè)器無論從成像原理上，還是從機(jī)械結(jié)構(gòu)上都有很大的區(qū)別。在NEMA NU1-2007標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布之后CZT探測(cè)器才逐漸技術(shù)成熟和市場(chǎng)化，因此NEMA NU1-2007標(biāo)準(zhǔn)并未考慮CZT探測(cè)器的情況。

由于我國(guó)將NEMA NU1-2007標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容分別放入了現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18989-2013、GB/T 18988.2-2013以及GB/T 18988.3-2013的附錄中，作為SPECT產(chǎn)品注冊(cè)時(shí)可供使用的性能要求和試驗(yàn)方法之一，尤其需要指出，以上3個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的正文部分是等同采用的 國(guó)際電工委員會(huì)(International Electrotechnical Commission，IEC)標(biāo)準(zhǔn)，附錄中包含中文(NEMA)標(biāo)準(zhǔn)。由于IEC標(biāo)準(zhǔn)和NEMA標(biāo)準(zhǔn)在試驗(yàn)要求、試驗(yàn)方法上存在一定差別，采用的模體、測(cè)試條件、測(cè)試位置以及計(jì)算方法都有所不同，所以2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)項(xiàng)目之間無法互相比較，建議標(biāo)準(zhǔn)使用者完整地引用兩種方法中的任何一種，不應(yīng)交叉使用。因此，要特別注意在使用以上國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行基于CZT探測(cè)器的SPECT的性能測(cè)試時(shí)，不能夠完全按照NEMA NU1-2007標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定編制注冊(cè)產(chǎn)品文檔，而是需要在了解CZT探測(cè)器工作原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)后確定測(cè)試項(xiàng)目，并對(duì)不適用的測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行充分說明。

[1]Esteves FP，Raggi P，F(xiàn)olks RD，et al.Novel solid-state-detector dedicated cardiac camerg.ana for fast myocardial perfusion imaging：multicenter comparison with standard dual detector cameras[J].J Nucl Cardiol，2009，16(6)：927-934.

[2]Herzog BA，Buechel RR，Katz R，et al.Nuclear myocardial perfusion imaging with a cadmiumzinc-telluride detector technique：optimized protocol for scan time reduction[J].J Nucl Med，2010，51(1)：46-51.

[3]Garcia EV，F(xiàn)aber TL，Esteves FP.Cardiac dedicated ultrafast SPECT cameras：new designs and clinical implications[J].J Nucl Med，2011，52(2)：210-217.

[4]耿建華，陳英茂，陳盛祖，等.SPECT及SPECT/CT設(shè)備配置要求與選型方案[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備，2016，13(9)：31-36.

[5]Borges-Neto S，Pagnanelli RA，Shaw LK，et al.Clinical results of a novel wide beam reconstruction method for shortening scan time of cardiac SPECT perfusion studies[J].J Nucl Cardiol，2007，14(4)：555-565.

[6]NEMA.Standards Publication NU1-2007，Performance Measurements of Gamma Cameras[S].NEMA，2007.

[7]Imbert L，Poussier S，F(xiàn)ranken PR，et al.Compared performance of high-sensitivity cameras dedicated to myocardial perfusion SPECT：A comprehensive analysis of phantom and human images[J].J Nucl Med，2012，53(12)：1897-1903.

[8]Erlandsson K，Kacperski K，Gramberg D.Performance evaluation of D-SPECT：a novel SPECT system for nuclear cardiology[J].Phys Med Biol，2009，54(9)：2635-2649.

[9]Lee CJ，Kupinski MA，Volokh L.Assessment of cardiac single-photon emission computed omography performance using a scanning linear observer[J].MedPhys，2013，40(1)：011906.

[10]Liu CJ，Cheng JS，Chen YC，et al.A performance comparison of novel cadmium-zinctelluride camera and conventional SPECT/CT using antrropomorphic torso phantom and water bags to simulate soft tissue and breast attenuation[J].Ann Nucl Med，2015，29(4)：342-350.

[11]耿建華，陳英茂.核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)及中國(guó)質(zhì)量控制現(xiàn)狀[J].中華核醫(yī)學(xué)與分子影像雜志，2015，35(1)：75-78.

[12]郭晉綱，趙周社，馬興榮，等.SPECT/CT的研究進(jìn)展[J].中國(guó)醫(yī)療器械雜志，2014，38(6)：454-457.

[13]Tanaka H，Chikamori T，Hida S，et al.Comparison of myocardial perfusion imaging between the new high-speed gamma camera and the standard anger camera[J].Circ J，2013，77(4)：1009-1017.

[14]邵明哲，陳英茂，姚樹林，等.SPECT設(shè)備平面成像性能評(píng)估與驗(yàn)收測(cè)試[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備，2011，8(12)：1-4.

[15]劉輝，安晶剛，宋穎.SPECT設(shè)備固有性能測(cè)試及結(jié)果分析[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備，2012，9(12)：17-19.

The applicability of NEMA NU1-2007 for the performance testing of SPECT based on CZT detector

FENG Jian

Objective:To provide reference for the performance testing of single photon emission computed tomography (SPECT) based on CZT detector by correct applying NEMA NU1-2007 that established by NEMA.Methods:When the performance of SPECT based on CZT detector was tested, the CZT detector should be distinguished from single crystal detector. And the items of performance testing of CZT detector that was not suitable for NEMA NU1-2007 standard were discussed and explored. Result: The experiment items which was not suitable for NEMA NU1-2007 standard were grasped, and the research provided the relative analysis of reason and method of disposition.Conclusion:The performance testing of SPECT based on CZT detector could not completely be implemented according to the standard of NEMA NU1-2007. Besides, manufacturer need know which testing items were inapplicable and their reasons.

Cadmium zinc telluride; SPECT; Standard of NEMA NU1-2007; Performance test

Beijing Institute of Medical Device Testing, Beijing 101111, China.

1672-8270(2017)11-0016-04

R197.39

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.11.005

馮健,男,(1975- ),碩士，工程師。北京市醫(yī)療器械檢驗(yàn)所機(jī)電二室，從事放射治療、核醫(yī)學(xué)器械檢測(cè)、醫(yī)用軟件檢測(cè)以及醫(yī)療器械標(biāo)準(zhǔn)制訂和修訂工作。

北京市醫(yī)療器械檢驗(yàn)所科研發(fā)展基金(KFXM-014-2015)“PET性能測(cè)試軟件的開發(fā)與應(yīng)用”

①北京市醫(yī)療器械檢驗(yàn)所機(jī)電二室 北京 101111

China Medical Equipment,2017,14(11):16-19.

2017-04-12