正电子发射计算机断层仪PET性能测试.docx

正电子发射计算机断层仪PET性能测试.docx

《正电子发射计算机断层仪PET性能测试.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《正电子发射计算机断层仪PET性能测试.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

正电子发射计算机断层仪PET性能测试

正电子发射计算机断层仪（PET）性能测试

（本文译自PerformanceMeasurementsofPositronEmissionTomographs[NEMA]）

李小华译

1.定义，符号和参考文献

∙1.1定义

轴向FOV（轴向视野，Axialfiled-of-view,FOVaxial）平行于PET长轴的最大长度，在此范围内真实符合事件可以被探测。

测试模型是一个由纯聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）构成的正圆柱体，外部直径为2033mm，壁厚31mm，内长1901mm。

两端盖板用PMMA材料，可注入水和放置内插件（见图1-1）。

测试模型柱体插件为三个正圆柱体模型，每个内长190mm+10/-5mm。

一个为直径503mm的实心体，由比重在2.13-2.19之间的材料（Polytrafluoroethylene）组成。

另外两个为外部直径503mm的可灌注的空心体，壁厚31mm，内长至少185mm。

在测试模型内，这三个直径50mm的插件放置在一起，它们位于距测试模型中心轴603mm的半径处，相互间隔12010，并与测试模型中心轴平行。

对于不用测试模型的测试，有两种简单的测试源：

可灌注点源是所有尺寸不大于2mm的液体源。

可灌注线源由不锈钢制作，长度至少等于轴向FOV，其它尺寸不超过2mm。

测试模型线源插件为可灌注的空心体，内长至少185mm，其它尺寸不超过2mm。

它可以放置在测试模型内的0、45、90mm（3mm）的半径位置，平行于断层长轴。

横断FOV（横断视野，Transversfiled-of-view,FOVtrans）是垂直于PET的物体成像长轴的最大圆形区域直径，

1.2标准符号

量的描述符号被用于标准中。

符号通过它的下标字符xxx表示其在标准中所表示的基本量。

所有表达为独立变量的量被表示为Q（x），小写字母x是该变量的定义。

轴向响应函数（AxailResponseFunction）—通过沿断层轴方向以小间隔增量移动点源进行测试。

变异系数（CVxxx）—用于均匀性测试：

a.CVi在一个切面i中所有感兴趣区ROI的变异系数

b.CVvol系统中一个确定容积内所有ROI的变异系数

c.CVsys系统中所有切面的变异系数

计数（CxxxCounts）—符合事件的数量

a.CROI二维ROI中的事件

b.CTOT事件的总数量

c.Ct被计数的真实事件数量

d.Cs被计数的散射事件数量

e.Cr被计数的随机事件数量

非均匀性（NUxxx）—一对百分数（+x%,-y%），用下标字符表示为：

a.UNi切面i中设置的2-D区域的非均匀性

b.UNvol系统的一个容积的非均匀性

c.UNsys系统内所有切面的非均匀性

归一化轴向响应函数（NormalizedAxialResponseFunction）—用相对点源切面灵敏度除轴向响应函数每点的计数率得到。

在归一化轴向响应函数下的区域是对立的。

峰谷比率（PV）—测试灵敏度作为轴向位置函数的变化。

死时间百分率（PDTxxx）—丢失计数作为输入计数的百分比。

a.PDTi,j采集j中切面i的死时间百分比

b.PDTsys,j采集j中整个系统的死时间百分比

c.放射性活度（AxxxRadioactivity）—以MBq为单位的核素衰变率，即每秒钟一百万次衰变。

mCi为可选单位，即即每秒钟三千七百万次衰变。

a.A0初始时间T0的活度

b.Aj第j次采集开始时的活度

d.Aave,j第j次采集的平均活度

e.Acal在时间Tcal的活度

f.At,peak最大真实事件率时的活度

g.At,50%50%死时间时的活度

h.At=r随机事件率等于真实事件率时的活度

在采集起始时间T0的初始活度通过源的活度Acal按下式估算，活度Acal用活度计或井型计数器在时间Tcal测定。

A0=Acalexp（（Tacq-T0）ln2/T1/2）

用采集起始时间T0、起始活度A0、核素半衰期T1/2和采集时间Tacq，按下式计算一次采集其间的平均活度：

Aacq=A0/ln2（T1/2/Tacq）（1-exp（（-Tacq/T1/2）ln2）

起始活度Aj通过经活度计或井型计数器测定的Acal、对于第j次采集开始时间Tj的衰变校正，按下式计算：

Aj=Acalexp（（Tcal-Tj）ln2/T1/2）

放射性浓度（axxxRadioactivityconcentration）—以mBq/ml为单位的单位容积核素衰变率，即每秒每毫升一百万次衰变。

MCi/ml为可选单位，即即每秒每毫升三千七百万次衰变。

a.a0初始时间T0的浓度

b.b.aave平均浓度

c.at,peak最大真实事件率时的浓度

a.at,50%50%死时间时的浓度

b.at=r随机事件率等于真实事件率时的浓度

c.用放射性活度Axxx除以容积V得到在容积V内均匀分布的放射性浓度：

axxx=Axxx/V

平均浓度为：

aave=Aave/V

核素半衰期（T1/2Radioisotopichalf-live）—核素衰减一半所经历的时间。

核素18F的T1/2为6,588秒钟（109.8分钟，1.830小时）。

率（RxxxRate）—符合事件率，即每秒测量的符合事件，定义为符合计数除以间隔时间Tacq:

d.Rt=r随机事件率等于真实事件率时的真实事件率

浓度率（rxxxRateperradioactivityconcentration）—每单位放射性浓度的符合事件率，即每秒每放射性浓度的符合事件,定义为在时间间隔Tacq内得到的符合率除以平均浓度aave：

a.rROT单位平均浓度aave的2DROI内事件率

b.rTOT单位平均浓度aave的总事件率

c.rt单位平均浓度aave的真实事件率

d.rs单位平均浓度aave的散射事件率

e.rr单位平均浓度aave的随机事件率

相对点源切面灵敏度—（RelativePointSliceSensitivity）—对放射性点源符合事件率的测试，点源活度低于可忽略计数率丢失时的活度值。

相对点源切面或轴向灵敏度为每一轴向响应函数中所有计数的总和。

残留散射分数（SFcorrRemnantscatterfraction）—散射校正后重建图像的误差。

a.SFcorr,i切面i的残留散射分数

b.SFcorr,sys取所有切面平均的整个系统的残留散射分数

散射分数（SFScatterfraction）—断层视野的横向ROI中散射符合事件与散射总数和真实符合事件的比率。

灵敏度（S）—对放射性源符合事件率的测试，源活度低于可忽略计数率丢失时的活度值。

a.Si切面i的灵敏度

b.Stot系统总灵敏度

正弦图（Sinogram）—横断图像的2D投影空间表达，2D空间的一维表示距断层中心的半径距离，另一维表示投影角度。

空间分辨率（FWHMxxx）—2D或3D空间脉冲函数断层空间响应的半高全宽：

a.FWHMrad横断平面的径向半高全宽

b.FWHMtan横断平面的切向半高全宽

c.FWHMax轴向平面的切向半高全宽

标准偏差（SDxxx）—用于部分的均匀性测试：

a.SDi对切面I中所有ROI，测试值的标准偏差

b.SDvol对系统确定区域中所有ROI，测试值的标准偏差

c.SDsys对系统所有切面，测试值的标准偏差

时间（Txxx）—以秒为单位的相对时间：

a.T1/2一个半衰期的时间间隔

b.Tacq,j采集j的时间间隔

c.T0采集的开始时间

d.Tcal井型计数器的测量时间

容积（VVolume）—以毫升为单位的物理容积。

1.3参考出版物

Karpetal.,“PerformanceStandardsinPositronEmissionTomography”J.NuclMed32:

2343-2350

F.W.Walker,J.R.Parrington,andF.Feiner,ChartoftheNuclides,14thedition,KnollsAtomicPowerLaboratory,Revised1989

2、总论

2.1目的

本标准的目的是确定评价PET性能的步骤。

厂家引用这种结果标准化的测试详细叙述他们产品的性能水平。

这些测试对于工业生产是有效的，也可以用于比较不同厂家的断层仪。

测试中使用的器件或方法对于大多数使用者是可行的。

因此，这一标准化的测试步骤也可以被用户用于断层仪安装前后的验收测试。

部分测试可用于质量控制。

对于本步骤内容的进一步讨论可见Karp等的“PerformanceStndardinPositronEmissiontomography”

2.2前言

标准化委员会努力制定该测试方法，使之能够适用于目前所有的PET，包括：

多环、连续探测器和时间飞行。

对于可以预期的发展也尽可能考虑在其中。

需要评价性能的断层仪要具有适合人体的横断FOV，以及至少260mm的探测直径以达到测试步骤目的。

测试模型的长度为19.0cm，以满足小于17.0cm轴向FOV所有断层切面的性能测试。

对于轴向FOV大于17.0cm的断层仪，测试模型放置在轴的中心位置，仅可得到中心17.0cm的信息。

2.3测试单位

国际单位（SI）用于PET性能测试的全部报告。

惯用的单位，如mCi，可在标准单位后作为辅助值用括号标出，用于个别的性能报告。

2.4一致性

所有的测试必须是在不改变任何仪器参数情况下进行，这些参数是有严格的相互依存限制的，除非在一特定的测试中有专门指定。

它们包括（但不仅限于）：

能窗、符合定时窗、脉冲总和时间、增加空间采样的移动（如摆动或轴向传递）、重建滤波器、像素尺寸、切面厚度、轴向接收角度和轴向平均或平滑。

重建滤波器、矩阵和像素尺寸由厂家推荐，并在所有NEMA测试中保持固定，除非在一特定的测试中有专门指定。

在进行2-D断层图像重建前，大多数系统将原始测试组织为对应于横断切面的平行投影矩阵。

这样会导致在半径距离增加时，依赖于轴向接收角度的定位错误，尤其是在轴向。

一些系统通过调整隔离屏蔽可以改变轴向接收角度，而另一些通过软件改变角度。

对于采集和重建3-D测试的系统，假定它的容积成像可以被分切为平行平面，用于数据分析。

接收角度由厂家推荐，并在所有NEMA测试中保持固定。

空气中点源的散射线明显小于人体，然而会有来自铅屏蔽的散射，它们不会被符合条件所排除。

此外，对正电子事件的定位能力依赖于事件的能量，尤其是对于使用晶体-光电倍增管编码的系统。

因此，用于测试的能量窗必须确定，它应厂家推荐设置，并在所有NEMA断层性能测试中保持固定。

对于使用测试模型的所有测试，假定只有测试模型在FOV中。

任何FOV中其它的衰减物资，例如固定材料，也许会影响测试结果。

所以当使用模型进行测试时，测试模型应该悬挂在FOV中。

2.4等价性

所有测试要求用18F。

由于正电子范围、活度校准等原因，使用其它核素，如67Ga，有些测试会导致显著不同的结果。

在测试中不推荐使用18F以外的核素。

假定用于测试的活度计或井型探测器已使用国家标准和技术学会参考源或一个活度与上述参考源相关的源进行校准。

3、空间分辨率（SPATIALRESOLUSION）

3.1概论

系统空间分辨率表示系统分辨两个经图像重建的点的能力。

系统空间分辨率通过在空气中采集点源或线源，然后使用尖锐的重建滤波器重建图像的方法进行测试。

尽管这种方法并不反映一个物体成像时存在的组织散射和因有限的采集事件而要求的平滑重建滤波器的条件，但它能够提供各种PET的最佳状况的比较，指出最高能够达到的性能。

3.2目的

该测试目的是测定一个放射源重建图像的点扩展函数（PSF）的宽度，或一个放置在垂直于测试方向的伸延放射源重建图像的线扩展函数（LSF）的宽度。

可以使用点源和线源。

扩展函数的宽度由其半高宽（FWHM）表示。

有两种方法测试物体在轴向被分辨的程度。

一是轴向分辨率，在一个固定点进行测试，仅适用于具有足够良好轴向采样（至少小于轴向剖面FWHM的3倍）的PET以产生有效的结果。

二是轴向切面宽度（通常称为“切面厚度”），通过一个点源沿扫描轴向小间隔递增移动进行测试，该方法使用于各种PET。

3.3方法

对所有系统，空间分辨率在横断切面的径向和切向进行测试。

另外，对于轴向采样小于轴向响应函数FWHM3倍的系统，应该测试轴向分辨率。

横断视野（FOV）和图像矩阵尺寸决定了横断切面的像素尺寸。

为了精确地测试扩展函数的宽度，它的FWHM应该至少跨越10个像素。

然而，一个典型的脑成像检查要求260mm的FOV、128×128的矩阵和6mm的空间分辨率，这样FWHM就只跨越3个像素。

因此，在重建中，应该使像素尺寸接近1/10的FWHM的期望值，并作为横断空间分辨率测试的一个条件。

对于容积成像系统，横断和轴向体积元尺寸应接近1/10的FWHM的期望值，并作为空间分辨率测试的一个条件。

对于所有系统，通过小间隔递增移动一个放射源获得响应函数对轴向切面宽度进行测试，递增尺寸应接近1/10的FWHM的期望值。

这表明一个由计算机控制的扫描床将用放射源的准确定位。

3.3.1核素

测试使用的核素是18F，核素的活度使其产生的死时间丢失率或随机符合率不超过总事件率的5%。

3.3.2放射源分布

点源和线源符合在1.1节定义的要求。

3.3.2.1横断分辨率

悬挂在空气中（减少散射）的线源用于测试横断空间分辨率。

线源平行于断层长轴，在垂直于断层长轴的卡笛尔坐标上沿径向依次间隔50mm放置（见图3-1）。

对于横断FOV小于310mm的断层仪，线源的半径位置为：

r=10,50,100mm；横断FOV达到410mm的断层仪，线源的半径位置为：

r=10,50,100，150mm；大横断FOV的断层仪，线源被放置在9个半径位置：

r=10,50,100，150，200mm。

每个位置得到两个FWHM，分别为径向和切向。

3.3.2.2轴向切面宽度

悬挂在空气中的点源响应在所有系统中被测试。

点源在整个断层长度范围沿轴向做小间隔递增移动。

对于横断FOV小于310mm的断层仪，点源被放置在三个位置为：

r=0,50,100mm；横断FOV达到410mm的断层仪，点源被放置在四个位置：

r=0,50,100，150mm；大横断FOV的断层仪，点源被放置在五个位置：

r=0,50,100，150，200mm（见图3-2）。

点源在轴向的递增间隔为期望轴向响应函数FWHM的1/10

3.3.2.3轴向分辨率

对于轴向采样间隔小于或等于1/3轴向响应函数FWHM的断层仪，轴向空间分辨率由测试悬挂在空气中的点源决定。

点源沿径向以50mm的间隔放置，起始位置在中心，范围取决于横断FOV，如在轴向切面宽度中的描述。

对于横断FOV小于310mm的断层仪取三个位置：

r=0,50,100mm；横断FOV达到410mm的断层仪取四个位置：

r=0,50,100，150mm；大横断FOV的断层仪取五个位置：

r=0,50,100，150，200mm。

每个点源以20mm的轴向间隔成像，开始位置在扫描中心，延伸至轴向FOV边缘内10mm。

3.3.3数据采集

对上述所有源和位置进行采集，每个响应函数至少采集50,000计数，每个源的每个切面至少采集50,000计数。

除了切面宽度测试外，可以使用多个放射源进行测试。

3.3.4数据处理

数据要进行死时间丢失和随机符合校正。

测试使用的核素是18F，核素的活度使其产生的死时间丢失率或随机符合率不超过总事件率的5%。

所有的空间分辨率数据采用RAMP滤波器重建，取投影空间确定的Nyquist值为Cutoff值。

轴向切面宽度不需重建。

3.4分析

在横断图像上，通过计数分布的峰值位置在两个正交方向作剖面图，得到两个一维的响应函数。

在线源响应函数上分别计算两个方向的横断空间分辨率FWHM。

在最靠近点源的切面上，通过计数分布的峰值位置沿轴向作容积图像的剖面图，得到一个一维的响应函数。

在点源响应函数上计算轴向空间分辨率FWHM。

记录在每一轴向位置点源的每一平面采集的计数，作出一维响应函数。

通过该响应函数确定切面宽度FWHM。

该计算在每个半径位置的点源上重复。

它们得到的是轴向响应函数。

FWHM由响应函数的峰值、最大像素值1/2处相邻像素间的线性插值确定（见图3-3）。

结果值用距离（mm）表示，像素尺寸乘以像素数目得到距离。

3.5报告

在各半径位置取所有切面计算径向和切向分辨率FWHM的平均值，报告为系统分辨率。

轴向切面宽度报告为每一半径位置所有切面的每种型式（例如，偶数、奇数）的平均值。

横断像素尺寸（mm）和轴向递增值（mm）也应报告。

对于可以进行轴向分辨率测试的系统，轴向分辩率报告为每一半径位置所有切面的平均值。

轴向像素尺寸（mm）也应报告。

可灌注放射源的尺寸应报告。

4、散射测试（SCATTERMEASUREMENT）

4.1概论

正电子湮灭发射的γ射线的散射导致错误的符合事件定位。

设计和配置不同的PET，对散射有不同的敏感度。

4.2目的

测试对于散射的相对系统灵敏度。

对于整个断层仪，散射用散射分数SF表示；在每一切面中，用散射分数值表示。

4.3方法

测试通过单线源成像进行，线源放置在注水测试模型内三个半径位置。

假设无散射的事件落在每个线源正弦图图像中心的40mm宽度内。

选择这一宽度的理由是在这个确切的区域宽度内散射值是相对不敏感的，以及大多数PET的线源图像中很少非散射事件会落入20mm以外（见图4-1）。

从散射尾部和40mm宽带的两交点所做的线段用于估计散射在该宽带内的量，该线段下的区域加上宽带两侧的分布等于散射估计量。

对于均匀分布放射源的散射估计是假定存在一个缓慢变化的径向依赖。

在这一假设中，断层仪中心轴处线源的散射分数测试被用于达到22.5mm半径的横截面区域。

距轴线45mm处线源的散射分数被用于22.5mm至67.5mm之间的环带。

同样，距轴线90mm处线源的散射分数被用于67.5mm至100mm之间的环带（见图4-2）。

这三个散射分数值根据各自应用的区域做加权处理，产生加权均值。

三个环带依次为1、8、10.75。

4.3.1核素

测试使用的核素是18F，核素的活度使其产生的死时间丢失率或随机符合率不超过总事件率的5%。

4.3.2放射源分布

测试模型注入无放射性的水作为散射介质。

测试模型内依次在0、45、90mm半径位置插入线源插件，线源平行于柱体模型的轴线。

模型置于FOV的轴向和横向中心。

4.3.3数据采集

采集每一半径位置线源的正弦图数据。

对于较小的轴向FOV或测试模型位置中心17.0cm内，每一切面至少采集200,000计数。

所有采集使用相同的采集时间。

4.3.4数据处理

数据要进行死时间丢失和随机符合校正，但不作散射和衰减校正。

4.4分析

测试模型两端1cm内的所有切面的正弦图要进行分析。

如果断层仪的轴向FOV小于17.0cm，所有切面都要被分析。

每一正弦图i内所有位置超过测试模型中心12cm外的像素计数被设为0。

在正弦图内每一投影角度a，寻找具有最大值的像素作为线源响应的中心位置。

移动各投影使含有最大计数的像素对准正弦图的中心像素。

对准后产生一个总投影，总投影中的像素值是每一与总投影像素具有相同径向偏移的各角度投影像素之和：

Cr,i,k=ΣCr-max,a,i,k

式中r是一个投影的像素号码，-max表示在该投影中具有最大值的像素位置，i表示切面，k=1，2，3，分别表示在半径0，45，90mm位置的线源。

总投影中包含两个计数点CL,i,k和CR,i,k（见图4-1），分别是正弦图中心40mm宽带边缘的左右像素密度。

采用线性插值法确定总投影中心像素两侧20mm处的像素密度。

用这两个像素密度CL,i,k和CR,i,k的平均值乘以40mm宽带内的像素数目（含小数值），再加上宽带外部像素的计数，得到k位置线源、第i切面的散射计数CS,i,k。

总投影所有像素值相加得到事件总计数Ctot,i,k。

对于k位置线源，计算在整个数据采集时间间隔TACQ,k期间的平均放射性活度AAVE,k（见1.2节）。

均匀分布放射源的每一切面散射分数SFi按下式计算：

SFi=[（CS,i,1/TACQ,1）+8（CS,i,2/TACQ,2）+10.75（CS,i,2/TACQ,2）]/

[（CTOT,i,1/TACQ,1）+8（CTOT,i,2/TACQ,2）+10.75（CTOT,i,2/TACQ,2）]

式中下标1、2、3分别表示位置在0、45、90mm半径的线源。

4.5报告

对每一切面的测试进行分析，得到SFi列表。

取SFi平均值得到均匀放射源的系统散射分数SF。

5、灵敏度测试（sensitivitymeasurement）

5.1概论

灵敏度定义为在忽略计数率丢失的放射源活度水平下，符合事件的探测率。

一些断层仪的灵敏度随轴向位置变化，相对灵敏度剖面测试能定量测试这种非均匀性。

5.2目的

定义两种测试步骤。

第一种的目的是在任何探头灵敏度变化校正之前，测试PET每一个图像平面的平均灵敏度。

第二种是测定轴向灵敏度均匀性。

测试在低计数率下进行，以略去随机和死时间校正。

测试不涉及重建中的噪声散发，也不涉及来自重建算法的图像噪声影响。

所以灵敏度测试不能预测重建图像噪声。

5.3方法

含有已知放射性活度的已知容量水放置在PET的FOV中。

测试计数率，计算系统灵敏度。

测试依赖于井型计数器或活度计的分析精度。

要保证这类计数仪器的绝对校正精度小于10%rms是困难的。

如果要求较高的绝对精度，应该考虑正电子发射的绝对参考标准。

相对灵敏度剖面测试使用第3节的轴向切面宽度测试。

测试要作散射分数校正，以得到真实符合灵敏度，单位为每毫升每衰减计数（countsperdecay-per-ml）。

5.3.1核素

测试使用的核素是18F，核素的活度使其产生的死时间丢失率或随机符合率不超过总事件率的2%。

通过测定注入模型的放射性总量（在活度计测量）和模型的容积确定模型内的初始活度，也可用经校准的井型计数器测量取自模型的样本确定初始活度。

尽量缩短测定与灵敏度测试之间的时间。

5.3.2放射源分布

用于灵敏度测试和相对灵敏度剖面测试的放射源分布描述如下。

5.3.2.1灵敏度测试

测试模型灌满水，无气泡，加入已知活度的核素。

模型置于FOV的轴向和横断面中心位置。

5.3.2.2相对灵敏度剖面测试

点源悬挂在空气中，沿断层仪的整个轴向长度做小间隔递增移动，测试点源的响应。

点源位于断层仪横断面中心，轴向递增移动间隔为轴向响应函数FWHM期望值的1/10。

测试在所有系统中进行。

5.3.3数据采集

5.3.3.1灵敏度测试

对于较小的轴向FOV或测试模型位置中心17.0cm内的切面，每一切面至少采集200,000计数。

数据收集为正弦图，不需重建。

5.3.3.2相对灵敏度剖面测试

每个剖面至少采集50,000计数，使用第3节介绍的轴向切面宽度测试方法。

5.3.4数据处理

对正弦图做随机校正和死时间校