计量技术在核医学成像的运用

上传:fczouji 2014-05-21 11:59:39 版权声明 举报文章

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1计量技术为医学放射成像提供技术保障

医学放射成像技术中,计量发挥着非常重要的技术保障作用。常规X射线机、数字X射线机等X射线摄影装置利用X射线穿透不同人体组织的衰减不同的特性,反映人体组织密度和形态的不同,实现人体组织成像。X射线的辐射输出的质、输出的重复性、输出的线性,以及X射线管的电压和电流等计量参数是X射线摄影装置的成像质量的重要保障。医用诊断计算机断层摄影装置(通常称作CT机),用探测器测量X射线通过人体脏器断层时沿X射线路径的总的衰减系数,将射线强度转换成电信号,经数字化后由计算机处理、计算出与人体某一层面上脏器的每个体素相关的吸收系数,进而用不同灰度的图像显示人体脏器的形态和密度。CT机的主要计量参数有剂量指数、CT值及其噪声等等。

2核医学成像的计量特点和主要参数

核医学成像的主要成像装置有单光子发射型CT(通常称作SPECT)和正电子发射型CT(通常称作PET)。它利用人体某一器官(或组织)对特定放射性核素药物的选择性吸收或不吸收,储聚或排泄等代谢功能的特性,给病人口服或静脉注射含有特定种类、特定活度和半衰期的放射性核素示踪剂。采用探测器来探测示踪剂在人体内的特定器官聚集、发射出的单光子(γ射线)射线并转化成电脉冲信号,记录下这样γ射线信号的大小和空间分布,进行数据处理和重建图像,得到反映人体脏器形态和组织功能特征的医学图像。示踪剂聚集多的部位发射的单光子射线能量强,呈现较亮的图像,通常称之为“热点”;反之,则称之为“冷点”。核医学成像装置的计量参数有示踪剂的放射性活度;装置的最大计数率、旋转中心漂移、固有能量分辨率、固有均匀性、空间分辨率和线性等;图像的断层热点源分辨力、断层冷点源分辨力,以及断层图像均匀性和线性等等。从单光子发射计算机断层成像的技术特征来看,示踪剂进入人体发射出的射线对人体造成的伤害应尽量少,尤其应当灵敏、准确地计量这样微量的单光子射线能量产生的微小电脉冲信号,应当将计量结果对应的热点、冷点转换成真实、清晰的图像。相对于其它医学放射成像中的计量技术而言,核医学成像计量是更微量、更准确的计量技术。

3计量技术在核医学成像中的应用

3.1放射性核素药物活度计量的重要性和计量技术

为了保证进入人体的示踪剂放射性核素活度准确,达到对人体的伤害少而又有足够的活度保证成像质量的目的,医院的核医学科都配置医用放射性活度测量仪,简称工作活度计,用于定量确定放射性核素活度,作为确定核医学成像计量参数的依据,是核医学成像质量保证的重要设备,是核医学成像质量控制的一个重要环节。对工作活度计的计量技术应用主要是对工作活度计进行检定/校准。工作活度计由井型高压电离室、电流测量电路系统等部分组成。测量时将待测的放射性核素放入井型的电离室中,核素发出的射线在电离室中对气体产生电离,在电场的作用下而产生电离电流经过电子测量电路的处理,显示出放射性核素的活度。对工作活度计校准是采用标准活度计比较法校准工作活度计的基本误差。标准活度计的工作原理与工作活度计相同。校准工作活度计的过程是取被检核素放射性溶液、稀释制成放射源后,用标准活度计测量该放射源活度值AS作为标准值,用工作活度计测量10次,取平均值为珘A,用式(1)计算工作活度计的基本误差E。

3.2断层成像计量参数和成像质量的计量校准

目前,医院使用的核医学成像装置大多数是国外产品,普遍是按照制造商设定的自校程序检测最大计数率、固有能量分辨率、固有均匀性、空间分辨率和线性,以及旋转中心漂移等计量参数。由于制造商提供的自校程序都是固定、不可更动的,尚难对这些计量参数进行调整、选择,或变更校准程序。然而,对核医学成像中直接反映人体组织变异结果、组织形态分辨能力的项目,如断层热点源分辨力和断层冷点源分辨力,断层图像均匀性和线性等等,制造商没有提供校准设备和校准服务。核医学成像装置没有进行成像质量参数校准,不利于保证应用核医学成像进行诊断、治疗的准确性和可靠性。为此,我们对核医学成像装置进行校准方法研究和校准实验,主要技术方案是以制造商自校程序为基础校准与成像质量密切相关的计量参数,以校准放射性同位素液体活度和应用模体校准、验证成像质量。研究和实验得到医学工程人员和核医学临床专家的支持,研究和实验结果得到重视,对促进了核医学成像装置的质量控制有较好作用。本文以校准一台单探头的单光子发射计算机断层仪为例,叙述研究和实验情况。

3.3以制造商自校程序和医院日常质量控制检测为基础,校准与成像质量密切相关的计量参数

校准过程的环境条件是:温度(20±3)℃,大气压(80~110)kPa,相对湿度≤65%,无其它放射线及放射核素对测量结果产生附加影响。按照该装置自动测量程序,旋转中心漂移校准结果是为1.2mm,固有积分均匀性为2.0%,固有能量分辨率为8.9%;符合该断层仪的正常使用条件。

3.3.1校准断层图像检测用放射性同位素液体活度和成像质量

3.3.1.1校准放射性同位素液体活度校准和应用模体的注意事项我们采用符合美国国家电气制造商协会(NEMA)要求的SPECT性能检测模体,见图1。模体中注满经过活度计量校准的放射性同位素液体,放入检测断层热点源分辨力、断层冷点源分辨力,断层图像线性分别使用的插件,见图2、图3、图4。完全液体的部分用于检测断层图像均匀性。实际使用的示踪剂99mTc,其活度应经过活度计计量,定量可在(370~740)MBq((10~20)mCi)之间,校准值作为确定该装置自动测量程序中部分测量条件的依据。在将99mTc液体注入模体前应先将其在其它容器中充分搅拌均匀,在将插件逐个放入模体的过程中逐步适量添加液体并充分搅拌,以保证模体内表面和插件所有表面在液体注入的全过程中接触到的液体浓度尽可能均匀、无附着气泡。安装好插件并注入99mTc液体后,模体的盖板应密封严密,外表面应无影响成像的液体沾染。模体水平放置在扫描床上,中心线与扫描床面的中心线相一致。

3.3.1.2图像扫描和重建图像,分析成像的校准结果。按照该断层仪的图像扫描程序,采用低能高分辨准直器,设置窗宽为20%,预置计数≥500k/帧,360°/6°采集数据,每个断层采集大于1M计数,矩阵128×128,探头旋转半径25cm;层厚、探头旋转速度、放大倍率和滤波函数等均采用常规条件。在图像扫描和重建图像后的断层成像见图5~图8,并分析成像的校准结果。图7断层冷点分辨力(1)断层成像均匀性的分析在模体均匀性层面成像(见图5)作面积不小于200mm2的ROI(感兴趣区),测量像素值计数的最大值Nmax和最小值Nmin,按公式(1)计算均匀性。U=(Nmax-Nmin)(Nmax+Nmin)×100%(2)分析、计算结果为3.8%。(2)断层热点分辨力的分析调整窗宽和窗位,在热点源分辨力成像(见图6)上读取可分辨的热点最小直径,分析、计算结果为11.4mm。图8断层图像线性(3)断层冷点分辨力的分析调整窗宽和窗位,在冷点源分辨率成像(见图7)上读取可分辨的冷点源最小直径,分析、计算结果为7.3mm。(4)断层图像线性的分析调整窗宽和窗位,在线性成像(见图8)上观察32个正交排列的热点源,在整个横断面上应完全水平、垂直对准并清晰显示,该图像无明显伪影和失真。

4检测方法对保证核医学成像装置的质量发挥了很好的作用

我们对单探头、双探头符合线路等多种机型、多种进口型号的SPECT进行了校准实验,医学工程人员和临床专家认为检测结果直观、客观、针对性强,能正确判断SPECT性能,对于保障SPECT性能起到很好的作用,有利于疾病的正确诊断。

本文作者:李杰工作单位:福建省计量科学研究院