多模态影像设备(SPECT/CT)的应用

郭晋纲，任 媛，庄 坤，赵周社,马兴荣,郑永明

1. 山西省肿瘤医院(太原，030013) 2. 通用电气有限公司(上海，200233) 3. GE医疗系统集团(上海，201203)

多模态影像设备(SPECT/CT)的应用

郭晋纲1，任 媛1，庄 坤1，赵周社2,马兴荣3,郑永明1

1. 山西省肿瘤医院(太原，030013) 2. 通用电气有限公司(上海，200233) 3. GE医疗系统集团(上海，201203)

核医学分子成像是分子影像技术的一种，随着分子影像技术的发展，将多种模式医学影像成像技术结合的SPECT/CT和PET/CT技术有了一定程度的发展。但SPECT/CT的应用却远没有PET/CT临床应用增长的速度快。本文重点介绍SPECT/CT技术的进展、应用和存在的问题。

多模态；分子影像;SPECT/CT；进展

核医学分子成像是分子影像技术的一种，它的优势在于可以将分子医学基础研究的成果通过分子影像技术的临床前期研究直接转化到临床应用中去。它是一种独特的成像过程，通过由体外探测注入体内的放射性示踪剂的分布和动态变化获得分子水平的组织细胞图像信息。它除了能提供组织器官简单的结构图像，最重要的是能提供组织细胞在分子水平一些特征性的信息，以显示组织细胞代谢、酶和受体特性或基因表达的信息。核医学分子影像技术是迄今唯一被广泛用于临床的分子影像技术，并由于其独特的技术也将在个性化医疗的研究中发挥重要的作用。

20世纪50年代核医学影像一出现，便显出其功能的不可取代性。早期使用的是伽马照相机(Gamma Camera)，它仅仅能够获得放射性示踪剂体内分布的二维图像和二维图像动态，而使其发展受到限制；20世纪80年代发展起来的发射型计算机断层仪(Emission Computed Tomography，ECT)能够反映体内三维、四维图像信息，提高了病变部位的对比度。按照体内放射性示踪剂不同ECT又分成正电子发射断层成像仪(Positron Emission Tomography，PET)和单光子发射计算机断层成像仪(Single Photon Emission Computed Tomography，SPECT)。前者使用正电子核素标记的正电子放射性示踪剂，后者使用单光子核素标记的单光子发射型示踪剂。从ECT成像的原理可以看出，ECT所提供的体内特征性分子水平信息主要决定于所使用的放射性示踪剂。而对生物放射性示踪剂(或药物)探测的灵敏度由ECT设备特性所决定。所以，ECT设备对疾病诊断的特异性是由其所使用的药物决定，对疾病探测的灵敏度由ECT设备决定。ECT设备和所使用的放射性药物结合起来决定核医学分子影像技术在临床应用的价值。

随着分子影像技术的发展，将多种模式医学影像成像技术结合的SPECT/CT和PET/CT技术有了一定程度的发展[1]。但是SPECT/CT和PET/CT技术相比较，尽管SPECT/CT远比PET/CT技术推向临床应用的早。但因多种因素的影响，SPECT/CT的应用却远没有PET/CT临床应用增长的速度快。本文重点介绍SPECT/CT技术的进展和存在的问题。

1 SPECT设备成像原理和技术进展

SPECT由探测器(探头)、机架、患者检查床和图像采集处理工作站四部分组成。SPECT设备的探头是SPECT成像核心。以下主要针对SPECT探头部分技术进展进行介绍。

1.1基于Anger伽马照相机技术基础上发展起来的SPECT探头

SPECT探头由准直器(Collimator)、晶体(Crystal)、光电倍增管(PhotoMultiplier Tube， PMT)、后续电路几部分构成[1]。一般用X、Y代表探测器位置信号，E代表能量信号。为了确定来自每个PMT光子信号的位置，需要对探头内的PMT进行加权处理，PMT距离探头中心距离不同给予不同的加权值。对处于不同位置的PMT即使获得了相同的信号，探头也能区分其位置。这样来自探头的X、Y信号确定来自探头的光子位置，来自探头X、Y位置信号与来自探头光子信号能量无关。E信号的大小与光子的能量有关，对于同一种放射性核素来自探头PMT获得的能量信号也应该是相同的。

晶体有多种类型，比如NaI(Tl)、CsI与LSO。传统SPECT探测器中晶体常采用的是NaI(Tl)。晶体接受成像视野内的g射线(通过准直器后)，g射线和NaI(Tl)晶体相互作用后产生荧光。这些荧光被光电倍增管接受后经过多极放大产生电信号。g射线主要和晶体发生光电效应，通过选择适当的探测能量窗就可以获得所需要检测的g射线。光电倍增管所发挥的作用就是将从晶体探测到的微弱荧光信号放大到可以被精确探测的电信号。从晶体发出的荧光先作用到PMT的光阴极，然后经过PMT的光电倍增管多级放大后输出。对于SPECT设备来讲，晶体、PMT和后续线路是探测器的主要部分。PMT将荧光转化为电信号的效率仅有20%～25%左右，只有1/4的光子被转换成电信号。而且PMT体积大(4～8 cm直径，10～15 cm高度)，PSPMT(Position Sensitivity PMT，PSPMT)高度也在5 cm左右，这样导致SPECT探测器体积很难缩小。在SPECT探测器中需要配置的PMT数目也多，并且实际上很难获得性能一致的PMT，导致SPECT探测器均匀性下降。多数个的PMT也增加后续电路的复杂程度。传统基于晶体、光电倍增管与后续电路基础的SPECT技术，由于从g射线到成像需要的电信号之间经过多次转化、处理，因而丢失了大量的信息，同时也降低了对来自体内的g射线定位的精确度。尽管有学者建议采用特殊的准直器提高SPECT设备的灵敏度、分辨率，但是这种改变准直器的方法会导致于获得信号的畸变。而且提高系统的灵敏度、分辨率的能力是非常有限的，特别是很难做到同时提高系统灵敏度、分辨率。对于SPECT系统的能量分辨率也无法作改进。传统基于晶体、光电倍增管与后续电路基础技术的SPECT设备具有明显的缺陷。比如，SPECT探头体积太大，特别是是采用目前常规PMT后导致SPECT整机很难小型化，以至于限制了整体性能上的提高。另外，大的SPECT探头环境要求也高很难做到高集成化的SPECT/CT，SPECT系统灵敏度和分辨率均很低，限制了SPECT临床应用。

1.2基于晶体和PMT基础上数字化技术SPECT探头

进入20世纪90年代后，研究者们在Anger伽马照相机原理的基础上，对来自每一个PMT模拟信号先进行模数转换(A/D)。然后对数字信号再进一步放大和处理。并将获得数字信号通过探头的X、Y、E矩阵线路部分后，再进行后续各种校正(线性、能量、均匀性等)。将校正后的数据传输到图像处理工作站进行平面图像显示和断层图像的重建。数字化探头明显提高了探头对光子信号处理的速度和精度，从而间接提高了探头的整体性能。但是，数字化技术仍然是基于传统Anger伽马照相机探头对光子定位原理。所以，所谓的全数字化技术对SPECT探测器并无实质性的改进。

目前，提供的商品化的SPECT探头多数也已经是全数字探头。GE公司的Millennium MG和MPR设备采用的是“非Anger伽马照相机”技术。在探头内使用正方形PMT后可以采用矩阵阵列模式来排列PMT，并对来自每一个PMT信号进行A/D转换后做进一步的处理。这样非常容易精确的确定来自探头X、Y位置信号。在MG和MPR探头中采用了相关信号增强技术CSE(Correlation Signal Enhanced，CSE)技术使得来自探头的信息提高28 %以上，这样就明显提高了平面和断层SPECT图像质量。

1.3基于半导体探测器成像技术的SPECT探头技术

碲锌镉(Cadmium-Zinc-Telluride，CZT)半导体探测器是国际上最新研究出来的一种新型射线探测器[2-3]。它具有很高的探测效率，与传统的碘化钠闪烁体探头相比，它具有更高的能量分辨率。在室温情况下，CZT半导体探测器可以直接将g射线转化成电信号。CZT探测器成像原理是：当具有电离能力的射线和CZT晶体作用时，晶体内部产生电子和空穴对，并且数量和入射光子的能量成正比。带负电的电子和带正电的空穴朝不同的电极运动，形成的电荷脉冲经过前放大变成电压脉冲，其强度与入射光子的能量成正比。经过前放大出来的信号经过再放大后续电路处理进行图像重建。CZT探测器在室温状态下能够处理200万光子/ (s.mm2)。2000年后由于生产技术和工艺的大幅度改进，从而保证在室温下CZT探测器的性能和稳定性得到质的提高。

CZT半导体探测器易于加工成像素阵列探测器。配合桥接的硅集成信号读出电路，可做成紧凑、高效、高分辨率的g射线成像装置，可广泛用于安检、工业探伤、医学诊断、天体g线望远镜等多个领域。CZT半导体探测器的SPECT成像仪具有如下特点：

(1) 缩小了传统SPECT探测器的体积 CZT半导体探测器直接取代了传统晶体、PMT，明显缩小探测器的体积，整体探测器可以通过高度集成化的线路来实现。由于探测器体积小，采用屏蔽需要的材料也就少，所以明显减轻了整个SPECT设备探头的重量；

(2) 直接获得来自探测器光子的位置信号和能量 对于半导体探测器无需使用传统Anger伽马照相机对光子的定位模式来确定光子位置和能量信号；

(3) 提高SPECT探测器的性能 具有高的能量分辨率，同时提高系统灵敏度、分辨率。

对于CZT探测器的SPECT首先是提高能量分辨率。SPECT系统高的能量分辨率对于提高病灶的对比度非常重要的。提高SPECT系统灵敏度不但可以缩短扫描时间，也可以降低对患者注射的放射性示踪剂的用量。CZT探测器具有模块结构的特点，在SPECT探测器制作中可以方便进行组合。这样可以设计成各种专用的SPECT。这些均是CZT探测器的优点。尽管已经有商品化的CZT探测器的SPECT设备被应用于临床[3-4]，但是CZT探测器也有其不足。那就是成本高、短期内还不能被用于普通的SPECT或PET设备。

2 SPECT/CT设备

自Lang TF等首次介绍SPECT/CT技术以来[4]，SPECT/CT技术已经有长足的进步。在2001年GE推出商品化同一机架上SPECT/CT设备[5-7]。但实质上仍然是将SPECT技术和成熟的CT技术结合起来的产物。CT在SPECT图像中的应用包括SPECT和CT图像融合来提高对SPECT图像发现病灶的定位，以及采用CT图像对SPECT图像进行衰减校正。按照SPECT/CT设备中SPECT和CT结合的方式有二种形式：一是SPECT与CT位于同一机架整合的SPECT/CT；二是SPECT与CT位于不同机架组合的SPECT/CT。

2.1SPECT与CT位于同一机架整合的SPECT/CT

这类结构最典型的代表就是鹰眼(Hawkeye)技术。该技术是将CT高压发生器、X射线管球、CT的X射线探测器安装在SPECT的滑环机架上，这样SPECT和CT位于同一机架。这种技术的优势是：因为SPECT和CT位于同一机架，SPECT/CT设备整体体积小、结构紧凑、稳定性高，对分别获得的SPECT和CT图像能够达到高精度图像融合的目的。这种SPECT和CT图像从同一机架获得的图像融合也被称为“自身图像配准技术”(Inherent Registration)。该技术另外的优点是CT旋转的速度比较低。不仅能够获得每一个SPECT床位的平均CT图像(CT旋转一圈/14 s)以保证CT图像与SPECT图像达到最佳的匹配，而且这样CT旋转震动对SPECT探头性能的影响也就很小，可以被忽视。使用超低剂量X射线CT图像来完成SPECT与CT图像融合，显著降低来自CT的X射线对患者辐射剂量。但是，这种将SPECT和CT位于同一机架的技术也存在限制CT性能的提高。比如，CT扫描速度和高压发生器功率的提高等。自推出单排螺旋CT的Hawkeye后，最近又推出了带有4排CT的Hawkeye 4。采用全新的图像重建技术明显提高了Hawkeye 4 CT图像的质量(信噪比)。

2.2SPECT与CT位于不同机架组合的SPECT/CT

为了提高CT扫描速度就需要采用SPECT和CT组合式的机架形式[8-9]。这类SPECT设备是将SPECT和CT放置在同一底座上，一般采用SPECT机架在前，CT机架在后的模式，这样主要是为了SPECT/CT设备不影响SPECT的临床应用。同时需要在底座上装有轨道以便能够将CT设备推开，使得SPECT和CT具有一定距离，这样便于安装、调试和维修。但是，SPECT探头和机架的存在却限制了位于SPECT机架后的CT部分临床应用。比如：对于大范围CT增强扫描(很不方便)，CT不能完成机架倾斜角度扫描等。SPECT探头因为固有技术限制和采用屏蔽等，使得SPECT探头部分很重，高速旋转的CT导致CT机架的震动对于SPECT探头性能(均匀性，线性，能量分辨率等)均有非常明显的影响。所以，对于SPECT/CT中的CT需要在使用中尽量避免使用快速扫描的CT。另外，此类CT给患者带来的辐射剂量是Hawkeye 类的4倍以上，所以在SPECT/CT使用中尽量采用低级量CT，以减少对受检者的辐射吸收剂量。这类SPECT/CT组合机架也有其优点就是：SPECT/CT中的CT(2，4，6，16，64或128排)可以任意选择，不受技术的限制。

从工程设计的角度来看，要提高SPECT/CT中CT性能，就需要将SPECT探头部分重量明显的降低。最佳的选择是选择半导体探测器的SEPCT探头，这样可以显著降低SPECT探头整体的重量。对于基于晶体和PMT基础上的SPECT也可以选择具有高性能、短的PMT的 SPECT探头，这样尽管没有达到CZT探头降低探头重量的程度，也可以将SPECT探头重量在一定程度上减小和缩小。降低SPECT探头重量后能够提高SPECT设备整体寿命、保证SPECT设备性能和断层图像的质量。

2.3SPECT/CT设备与PET/CT设备异同

SPECT/CT和PET/CT设备之间相同之处在采用CT图像对SPECT或PET图像进行衰减校正和进行同机图像融合。不同之处在于PET/CT中对CT图像是100%依赖的，每次PET图像采集均必须使用同机的CT图像进行衰减校正。比如，GE公司最近推出的经济型PET/ CT(InfiniaVC Hawkeye 4)，在完成PET图像采集处理时就要求对每个床位PET图像进行CT扫描，然后对PET图像进行衰减校正。而SPECT图像衰减并没有像PET图像那样对CT图像完全依赖。对于SPECT检查项目而言，并不是所有的检查项目均需要对SPECT图像进行衰减校正和采用CT图像对病灶进行定位。比如，以下的核医学图像并非需要CT图像定位或衰减校正：

(1)常规平面扫描的图像和平面动态显像。比如：全身骨骼扫描、甲状腺显像平面显像，肾脏、肝脏、胃排空等脏器的动态显像;

(2)SPECT断层发现位于体表部位的病灶或大片状的病灶。比如：骨骼系统断层发现位于骨骼系统病灶清楚的断层图像、一些体重轻的心肌SPECT断层图像、肺灌注或通气显像等；

(3)腹式呼气明显的受检者，用CT图像对SPECT进行衰减校正其实是“一把双刃剑”。CT图像如果采集速度太快，必然导致CT图像和SPECT图像不匹配(即使是同一受检者，CT在几秒中完成的扫描的图像和SPECT在5 min左右完成的图像之间必然存在差异)。所以，校正后的SPECT图像反而不如没有进行校正的SPECT图像真实；

(4)对于儿童或血液系统疾病受检者，常规的SPECT/CT扫描会使受检者吸收2～80 mSv剂量(受检者的吸收剂量依据CT图像扫描剂量而变化)，对于此类患者最好不要进行SPECT/CT扫描[10]；

(5)SPECT成像使用的单光子放射性药物半衰期一般比正电子药物的半衰期长，这样患者的辐射吸收剂量也会比PET成像高，所以SPECT/CT扫描中建议CT图像尽量选择低的剂量或不用CT扫描；

(6)脑SPECT成像需要MRI图像进行对病灶定位，而不是CT图像。

可以看出，对于SPECT而言，仅仅部分SPECT图像需要CT图像来完成衰减校正或需要采用CT图像进行定位。SPECT/CT发展不如PET/CT那么快原因。由于SPECT由于对CT图像并不是完全依赖的，而且临床也可以通过异机CT图像融合来满足临床的需要。所以，在相当长的时间内SPECT、SPECT/CT将处于共同存在的状况。这主要是SPECT和PET/CT设备发展方向具有本质的不同。

3 SPECT/CT设备技术进展

最近已经有不少的文章讨论SPECT/CT不如PET/CT发展迅速的原因[8]，同时也对SPECT/CT中SPECT发展技术和CT配置问题进行了很多的讨论。从整体上看，学者们对于采用新技术基础上的SPECT/CT发展前景报以乐观态度，对于CT选择基本上认为如果进行心脏冠脉成像那么就需要选择64排以上探测器。

3.1对SPECT探头的技术改进和革命性创新

SPECT探头技术进展包括两种，一种采用新型CZT半导体探测器的SPECT探头，已达到从整体上提高SPECT/CT设备的性能；另外一种提高SPECT探头的技术就是将SPECT探头重量减轻，以提高SPECT设备整体性能。

在2009年3月底全美心脏病学年会上正式宣布推出Discovery NM 530c(半导体SPECT)和Discovery NM/CT 570c(半导体SPECT+64排CT)。这款革命性产品均基于其专利的Alcyone技术，是全球最早采用半导体探测器的SPECT设备。由于SPECT探头部分是采用多个探头组合而成，进行断层扫描时无需SPECT探头的旋转就可以获得三维图像，这样就可以在CZT探测器技术上组合使用高速旋转的CT。在该设备上就使用了GE公司的64排VCT的CT，从整体上提高了SPECT/CT的性能。该设备也被用于临床前期的动物研究中，并获得了满意的效果。Alcyone主要优势如下：

(1) 采集速度大大加快。传统SPECT的检查时间通常为15～20 min，Alcyone完成一次相应检查仅需2～4 min；

(2) 空间分辨率极大地改善。传统SPECT的固有空间分辨率约4～8 mm，Alcyone的固有空间分辨率可达2.46 mm；

(3) 能量分辨率更高。传统SPECT的能量分辨率约为9.5～12 %，Alcyone的能分辨率6.2%；

(4) 更强大的多核素显像能力；

(5) 图像质量已接近和超过PET显像质量。由于信号转换采用全数字化模式，其图像对比度大幅提高；

(6 )固定模式采集避免了运动伪影；

(7) 可实现动态断层扫描及动态门控断层扫描。时间分辨率为1 ms，为断层首次通过动态显像奠定了基础；

(8) 更加小巧轻便。Discovery NM 530C整机重量不到1000 kg，机房面积仅需要2.5 m×3.6 m。

采用降低SPECT探头重量和体积来提高SPECT整体性能的技术目前正在研究中。该技术尽管无法与半导体CZT探测器性能相提并论。但是，在并不缩小SPECT探头视野情况下，通过减轻SPECT探头的重量和体积后提高SPECT整体性能包括：提高SPECT断层旋转速度以达到提高采集速度目的、提高了SPECT探头的稳定型、减少SPECT/CT设备中CT对SPECT探头影响来实现提高SPECT/CT设备性能等。基于此类技术基础的SPECT探头比传统SPECT技术基础上的探头的重量降低了25%以上。

3.2SPECT/CT设备中对CT技术改进和提高

这类技术包括选择16排或64排以上的CT来完成对CT冠脉成像工作，通过降低CT剂量来实现SPECT/CT受检者吸收剂量的降低。假如SPECT/CT临床使用仅仅局限于肿瘤研究(骨骼、肺、脑脏器等)，那么一般认为选择16排以下的CT足以满足临床需要。假如需要进行心脏冠脉成像，那么就需要选择64排或64排以上的CT探测器。另外，通过低剂量扫描技术(将CT扫描剂量降低一半以上而保证CT图像质量不变的技术)来从整体上提高SPECT/CT性能。比如，采用20～40mA获得的CT图像质量与80～150mA基本相同，在不降低CT图像质量的前提下可以将受检者的辐射吸收剂量降低一倍以上。该技术目前已经获得了令临床医师非常满意的效果。就SPECT/CT而言，提高SPECT设备性能(灵敏度和分辨率)比提高CT探测器排数更具有价值。对于核医学分子影像来讲[11]，SPECT/CT“核心”是SPECT，而不是CT。

具有高性能的SPECT与来自独立CT设备的图像结合仍然能够完成核医学分子影像临床工作。所以，推广基于CZT技术的新型SPECT和采用新型PMT的SPECT设备比推广传统技术基础上的SPECT/CT更具有实际意义。

综上所述，新型半导体CZT技术的探测器SPECT同时提高SPECT的灵敏度和分辨率，特别是分辨率达到或超过一些PET的分辨率。CZT技术基础上的SPECT将是SPECT技术发展的方向和未来。SPECT/CT和PET/CT在发展的方向和临床使用上具有一些不同。在以后较长时间内SPECT和SPECT/CT将处于共同发展之中。对于SPECT/CT设备中的SPECT将来会被半导体技术的SPECT取代，在短期内为了降低SPECT探头的重量也需要采用一些新型的PMT。

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MultimodalImagingDevices(SPECT/CT)ResearchApplications

Guo Jinggang, Ren Yuan, Zhuang Kun, Zhao Zhoushe, Ma Xingrong, Zheng Yongming

1. Shanxi Province Tumor Hospital( Taiyuan,030013) 2. General electric co. LTD ( 上海，200233) 3. GE medical systems group( 上海，201203)

nuclear medicine and molecular imaging is a kind of molecular imaging techniques, with the development of molecular imaging techniques, combine images of various patterns of medical imaging of SPECT/CT and PET/CT technology has a certain degree of development.But the application of SPECT/CT was far from PET/CT clinical application of fast growth.This article focuses on SPECT/CT technology progress, application and existing problems

multimodal SPECT/CT technology research and application progress

10.3969/j.issn.1674-1242.2014.01.006

郭晋纲，E-mail:gjgtysx@163.com

R445.3

A

1674-1242(2014)01-0028-06

2013-12-28)