小動物正電子斷層成像儀性能測試

小動物正電子斷層成像儀性能測試
設(shè)計了一系列實驗對Concorde MicmPET Rodent R4小動物正電子斷層成像系統(tǒng)(該系統(tǒng)是Concorde Miemsystems 公司開發(fā)的小動物專用PET掃描儀，該掃描儀具有32層探測器環(huán)，動物入口孔徑為120mm，橫向視野為100mm，軸 向深度為78mm，標(biāo)稱的視野中央處的空間分辨率可達(dá)1．8mm以下)的空間分辨率、靈敏度、散射率等性能參數(shù)進(jìn)行 了測試，測試結(jié)果顯示該掃描儀視野中心的橫向空間分辨率為1．9mm，軸向空間分辨率為1．88mm，在能窗設(shè)定為 250—750 keV時系統(tǒng)的絕對靈敏度為39，88 eps／kBq，同樣能窗下二維重建散射分?jǐn)?shù)為50．6％，三維重建散射分?jǐn)?shù)為 32．3％ ．

1．引 言 作為正電子發(fā)射斷層成像(positron emission tomography，PET)技術(shù)的延伸，小動物正電子斷層成像 儀(MieroPET)的出現(xiàn)為“活體”動物實驗提供了一種 全新的方法，并已成為分子水平下生物醫(yī)藥學(xué)研究的 主要手段之一，廣泛地應(yīng)用于腦功能成像、基因表達(dá)、 腫瘤增殖以及各類藥物的臨床前期研究中．小動物正 電子斷層掃描系統(tǒng)具有低成本，高靈活性，可不限時 間用于連續(xù)動物實驗等優(yōu)點，并且由于采用了更小的 探測器晶體和更小的探測環(huán)直徑，可以得到更高的空 間分辨率，同時靈敏度也有了很大提升H ． 浙江大學(xué)浙江加州國際納米技術(shù)研究院2005 年引進(jìn)的Concorde MicroPET Rodent R4小動物正電 子斷層成像系統(tǒng)是Concorde Microsystems公司開發(fā) 的小動物專用PET掃描儀，主要用于嚙齒類動物 (如大鼠、小鼠)的全身顯像，也研以用于較大動物 (如家貓、家兔)的頭部掃描．Concorde MicroPET R4 系統(tǒng)擁有78 mm的軸向視野，僅需幾個床位即可實 現(xiàn)對被測小動物的全身掃描。本文以Concorde MiemPETR4系統(tǒng)為基礎(chǔ)設(shè)計了一系列測試小動物 正電子斷層成像儀的橫向分辨率，軸向分辨率，斷層 成像靈敏度，散射率等性能指標(biāo)的實驗，并給出相應(yīng) 的實驗描述及最終結(jié)果．同時由于我們這臺小動物 正電子斷層成像系統(tǒng)是國內(nèi)第一臺專用的小動物正 電子斷層成像系統(tǒng)，所以希望通過我們的工作，能夠 對國內(nèi)相關(guān)的科研工作及類似系統(tǒng)的性能評價提供 一 參考．測厚儀| 測速儀| 轉(zhuǎn)速表| 壓力表| 壓力計| 真空表| 硬度計| 探傷儀| 電子稱| 熱像儀| 頻閃儀| 測高儀| 測距儀| 金屬探測器

2．MicroPET R4系統(tǒng)概述 Concorde MicroPET R4系統(tǒng)的動物入口孔徑為 120mm，不僅可以用于大鼠小鼠的全身成像，還可用 于較大動物如家貓家兔等的腦部成像．MicroPET R4 系統(tǒng)中采用了8×8 I_SO晶體陣列，等效的單個晶體 尺寸為2．1 mm x 2．1 mm x 10 mm，晶體中心距離為 2．4 mm，陣列中的晶體通過lOOmm長的光纖與位置 敏感型光電倍增管(PS．PMT，Hamamatsu R5900．C8) 相耦合，然后同其后接的信號讀取電路一并構(gòu)成探 測器．4組探測器并列相接構(gòu)成了系統(tǒng)的探測器模 塊，所以整個系統(tǒng)具有32層晶體環(huán)．系統(tǒng)的所有探 測器模塊，排列成內(nèi)直徑為148 mm 的探測器環(huán)． MicroPET R4系統(tǒng)的橫向視野為100 mm，軸向深度為 78 mm，并在其顯像孔徑的兩端，加有厚度為25 mE 的屏蔽層，以限制視野外放射性因素的干擾H ． *國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(批準(zhǔn)號：2003CB716100)，浙江省科技計劃重點項目(批準(zhǔn)號：2005C21019)和浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重

3．主要性能參數(shù)及測試方法 對于小動物正電子斷層成像系統(tǒng)來說，需要測試 的主要參數(shù)有空間分辨率，能量分辨率，靈敏度，散射 率，圖像實驗等．由于目前國際上尚無針對小動物正 電子斷層成像儀的測試標(biāo)準(zhǔn)，所以除了傳統(tǒng)上使用的 Na．22點源和Ge．68線源，我們還設(shè)計了大鼠、小鼠圓 筒模型，大鼠、小鼠散射模型，Derenzo微孔陣列模型 等一系列模型(圖1)來做輔助測試 ． 圖1 性能測試實驗中所用的各種模型

3．1．空間分辨率 空間分辨率測試實驗中最好使用放射性活度約 為50 ci，直徑不大于1 mm的標(biāo)準(zhǔn)Na．22點源，因?qū)?驗室所備Na．22點源的直徑達(dá)到了2 mm以上，而系 統(tǒng)空間分辨率的標(biāo)稱值為小于1．8 mm，顯然此點源 無法滿足實驗的需要，所以實際實驗中使用了橫截 面直徑為0．5 mm的不銹鋼細(xì)管灌注0．15mCi F 18 FDG來進(jìn)行空間分辨率測試實驗．橫向分辨率測試 時將此不銹鋼細(xì)管沿軸向固定于掃描床上并移至視 場中央，掃描床以1 mm的步長沿豎直方向從視場中 心位置移至視場邊緣，每個位置采集一次，整個實驗 過程設(shè)定能窗范圍為350—750 keV，每次采集時間 為60 s，使用默認(rèn)設(shè)置重建正弦圖，然后使用Fourier 重組和二維濾波反投影算法(FORE+2D．FBP)重建 圖像，數(shù)據(jù)不需要進(jìn)行校正，對重建的圖像進(jìn)行高斯 插值處理，使用最終求得的半高寬(FWHM)來表征 系統(tǒng)的橫向空間分辨率． 考慮到橫向分辨率實驗和軸向分辨率實驗沒有 相關(guān)性，并且F．18 FDG的半衰期只有110 min，所以 在橫向分辨率實驗后更換新的灌注0．15mCi F 18 FDG的不銹鋼細(xì)管來進(jìn)行軸向分辨率實驗．軸向分 辨率測試時將此不銹鋼細(xì)管豎直固定于掃描床上并 移至視場中央，掃描床以0．25 m／／1的步長沿軸向從 視場中心位置移至視場邊緣，每個位置采集一次，整 個實驗過程設(shè)定能窗范圍為350～750 keV，每次采集 時間為60 s，數(shù)據(jù)處理方式與橫向分辨率測試相同．

3．2．絕對靈敏度 斷層成像靈敏度是表征被探測率的一個參數(shù)， 在使用計數(shù)損失和偶然符合均可忽略的低活度放射 源條件下，符合事件按該比例被探測．測量使用Na． 22點源，測量過程中應(yīng)使偶然符合率小于總符合率 的2％ ．點源固定于掃描床上，并移至視場中心位 置，從視場中心到距視場中心50 mln偏移范圍內(nèi)，每 隔2．5 mm采集一次，每次采集時間為60 s，對每一 次測量分別設(shè)置能窗范圍為410—6l3 keV，350—650 keV，250—750 keV，200—800keV，使用默認(rèn)設(shè)置生成 三維正弦圖．?dāng)?shù)據(jù)采集時僅對隨機符合進(jìn)行校正．

3．3．三維靈敏度 三維靈敏度測試是作為對絕對靈敏度測試的一 個補充，進(jìn)一步描述符合事件被探測的比例．將Na． 22點源固定在掃描床上，移動至橫向視場的中心， 然后以5 mm的步長移動掃描床經(jīng)過整個軸向視野， 每個位置采集一次，采集時間為60 s，然后再以5 mm 的步長沿豎直方向從視場的中心移至視場邊緣，每 個位置重復(fù)進(jìn)行軸向采集過程得到全部數(shù)據(jù)，與絕 對靈敏度使用同樣方法生成三維正弦圖．

3．4．散射率 在正電子湮沒中形成的初級7射線的散射，將 導(dǎo)致對輻射源定位探測出現(xiàn)虛假信息的符合事件． 設(shè)計和制造中的偏差引起正電子發(fā)射斷層成像裝置 對散射輻射具有不同的靈敏度．參照NEMA NU 2． 2001標(biāo)準(zhǔn)，分別設(shè)計直徑60 mm，長150 mm，離中心 軸13 mm處有貫穿孔的聚乙烯大鼠模型和直徑30 mm，長150 mm，離中心軸7 mm處有貫穿孔的聚乙烯 小鼠模型(小鼠散射模型如圖2所示，大鼠散射模型 與其類似，具體可參照圖所有模型實物圖)，將線源 插入孔中進(jìn)行測量" ．模型固定與掃描床上然后 置在整個視場的中心，能窗上限固定為750 keV，能 窗下限分別設(shè)為250 keV，300 keV，350 keV，400 keV， 450 keV，測量五組數(shù)據(jù)． 切片．『散射分?jǐn)?shù)通過如下方法計算： s = ％， ㈩ ¨吣 2 C ， 與C 分別為切3-i對應(yīng)散射計數(shù)及總計數(shù)． C ， 按IEC 61675-1定義從各切片正弦圖的累計投影 中求得． 3．5．圖像實驗 圖像實驗通過對Derenzo微孑L陣列模型成像來 實現(xiàn)，Derenzo微孔陣列模型中含有1 mm，1．5 mill，2 lTlm，2．5 mm，3 mm，3．5 mm共6組微孑L，模型中灌注 混合2mCi F．18 FDG的水溶液，放入視場中心采集3 h．為了達(dá)到可能出現(xiàn)的更好的圖像效果，我們采用

4．測試結(jié)果

4．1．空間分辨率 圖2 小鼠散射模型 圖3 Derenzo微孔陣列模型 (a)所示．不同能量窗口下視野中心的平均靈敏度如 下：能窗410—613 keV 時為19．66 cps／kBq，能窗 350—650 keV時為24．91 cps／kBq，能窗250—750 keV 時為39．88 cps／kBq，能窗200—800 keV時為47．48 cps／kBq．測得的三維靈敏度圖像如圖5(b)所示． 使用濾波反投影(FBP)算法進(jìn)行重建后得到的 橫向空間分辨率和軸向空間分辨率隨偏移位置改變 的曲線如圖4所示．中心點的軸向分辨率為1．88 m m ，橫向分辨率為1．9 mm，5 mil軸向偏移處的軸向 分辨率為2．05 mm，5 mm橫向偏移處的橫向分辨率 為2．23 mm，由于切片效應(yīng)的存在，從中心到5 mm 偏移處的分辨率有較大的波動．橫向分辨率從距視 場中心10 mm偏移處至視場邊緣近似線性變化．由 于測試中使用了F．18FDG灌注的不銹鋼細(xì)管而非 標(biāo)準(zhǔn)點源，考慮到衰減及實驗環(huán)境的影響，目前使用 FBP算法重建得到的空間分辨率的結(jié)果已經(jīng)可以滿 足要求．

 4．2．絕對靈敏度和三維靈敏度 使用Na．22點源測得的絕對靈敏度曲線如圖5

 4．3．散射率 二維數(shù)據(jù)經(jīng)單個切片重組(SSRB)得到(設(shè)置環(huán) 間距為15 mil，張角為31。)．不同能量窗口下限對應(yīng) 的系統(tǒng)散射分?jǐn)?shù)由各切片散射分?jǐn)?shù)的平均數(shù)求得， 能窗下限分別設(shè)定為250 keV，300 keV，350 keV，400 keV，450 keV 時，測得的平均散射分?jǐn)?shù)分別為 50．6％ ，41．9％，36．1％ ，29．6％ ，20．8％ ．二維模式下 不同能窗下限時各切片散射分?jǐn)?shù)如圖6(a)所示． 三維數(shù)據(jù)經(jīng)3D模式得到(設(shè)置環(huán)間距為15 mm，張角為31。)．不同能量窗口下限對應(yīng)的系統(tǒng)散 射分?jǐn)?shù)由各切片散射分?jǐn)?shù)的平均數(shù)求得，能窗下限 分別設(shè)定為250 keV，300 keV，350 keV，400 keV，450 keV 時，測得的平均散射分?jǐn)?shù)分別為32．3％， 26．8％ ，20．7％ ，15．6％ ，9．7％ ．三維模式下不同能窗 偏移量／mm 心峰值半寬度 軸向c 心蝰值半寬度 ：-- -． ／ ’＼ ／ 、 一 ，， ＼ ＼ ／ ＼ ＼ ． ／ ＼ ～ ，／ ／ (b) 一5 —4 —3 —2 —1 0 1 2 3 4 5 偏移量／mm 圖4 (a)空間分辨率隨偏移位置改變曲線；(b)系統(tǒng)視場中心處的空間分辨率曲線 偏移量／mm (b) 圖5 (a)不同能窗下的二維靈敏度曲線；(b)整體三維靈敏度曲線 切片數(shù) 切片數(shù) 圖6 (a)二維模式不同能窗下限時各切片散射分?jǐn)?shù)圖(從上到下能窗下限依次為250 keV，300 keV，350 keV，400 keV，450 keV)；(b)三維模式 不同能窗下限時各切片散射分?jǐn)?shù)圖(從上到下能窗下限依次為250 keV，300 keV，350 keV，400 keV，450 keV) 5 4 1 8 5 2 9 6 3 0 3 3 3 2 2 2 1 1 1 1 I ＼褂熊求廈剁 0 4 8 2 6 0 4 8 2 6 0 7 6 5 5 4 4 3 2 2 1 1 ⅢⅢ＼瓣熊 廈糾 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1 ．【

4．4．圖像實驗 Derenzo微孔陣列模型成像結(jié)果如圖7所示，圖 5．結(jié) 論 7(a)為切片26至41的成像結(jié)果，(b)為橫斷面32 切片，矢狀面73切片的成像圖．從圖中可以看到直 徑為2mm的微孔可以得到比較好的重建圖像． 圖7 Derenzo微孔陣列模型成像結(jié)果 通過我們設(shè)計的一系列實驗已經(jīng)能夠比較全面 的測得Con 0rde MicmPET R4小動物正電子斷層成 像系統(tǒng)的性能參數(shù)．測試結(jié)果顯示該掃描儀視野中 心的橫向空間分辨率為1．9 mm，軸向空間分辨率為 1．88 mm，在能窗設(shè)定為250—750 keV時系統(tǒng)的絕 對靈敏度為39．88 cps／kBq，同樣能窗下二維重建散 射分?jǐn)?shù)為50．6％，三維重建散射分?jǐn)?shù)為32．3％ ． 特別感謝浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)PET中心的各位醫(yī)師提供性能 測試所需的放射性藥物，純凈水以及其他支持．