SPECT质量控制检测系统的设计与实现*

姚树林　陈英茂*　耿建华　刘亚强

SPECT质量控制检测系统的设计与实现*

姚树林①陈英茂①*耿建华②刘亚强③

目的：研制核医学成像设备SPECT质量控制测试系统软件，以满足SPECT设备质量控制需求。方法：以NEMA NU1-2007标准为依据，按照标准中相应的数据处理方法，建立各指标测试数据的处理分析模型，采用程序模块化设计、软件跨平台运行设计以及检测报告自动生成等技术实现软件系统。结果：SPECT质量控制检测系统的设计可实现主要性能指标固有均匀性、固有空间线性、固有空间分辨率、平面系统灵敏度、平面系统空间分辨率、断层空间分辨率和全身扫描空间分辨率等指标检测数据的处理分析。结论：该系统具有良好的稳定性、可靠性和输出结果的准确性，且操作简便易行；可配套国产通用SPECT性能检测模体套装，应用于不同厂商、不同型号的SPECT性能测试，既可满足年度状态检测需求，还可用于各医院的常规SPECT质量控制检测工作。

单光子发射计算机断层成像；质量控制；性能测试；软件；数据处理

［First-author’s address］ Department of Nuclear Medicine， Chinese PLA General Hospital， Beijing 100853， China.

近年来，我国核医学设备装机量及使用量快速增长，尤其是单光子发射断层扫描（single-photon emission computed tomography，SPECT）设备在临床上的应用更为普遍［1-4］。然而，核医学设备的质量控制工作还较落后，这与核医学设备的快速发展很不协调，使得“放射诊疗管理规定”（2006卫生部46号令）［5］中“对放射诊疗设备进行年度状态检测”的要求无法很好的实施。在质量控制标准方面，目前已在我国注册上市的国外SPECT生产厂商均认可美国电机制造商协会（National Electrical Manufactures Association，NEMA）的标准［7-9］。各厂商SPECT设备的技术文件中均有按NEMA标准方法检测的技术指标数据，并且NEMA NU 1-200已转化为国家标准（GBT18989-2013、GBT18988.2-2013及 GBT18988.3-2013）［5］。2011年，国家放射卫生标准委员会启动制定在我国切实可行的有关标准。目前，“SPECT质量控制检测规范WS/T-XXX-XXX”（以下简称为“新国标”）已通过标委会审查［6］，并上报待批，标准的制定使得对SPECT设备进行年检有了评判依据。然而，核医学成像设备的质量控制检测需要采用专门的软件对大量的图像数据进行分析处理，而各SPECT设备厂商配套的检测软件不尽相同，图像数据处理的方法也有差异，使检测结果难以统一［10-14］。为了满足对SPECT设备进行质量控制状态年度检测的需要，本研究设计出基于NEMA NU 1-2007的SPECT质量控制检测系统，可满足“新国标”对质量控制检测数据进行处理和评价的要求，并可配套用于国产的通用SPECT性能检测模体套装［15］。

1　SPECT质量控制检测系统设计

1.1总体设计思路

SPECT质量控制检测系统沿依据→方法→模型→技术→系统实现与验证的路线进行设计实现（如图1所示）。

图1　质量控制检测系统技术路线示意图

系统以NEMA标准和新国标为依据，确定SPECT质量控制所需测定的性能指标；按照标准中给出的指标定义和测量方法进行数据采集，作为软件系统的输入。同时，按照标准中相应的数据处理方法，建立各指标测试数据的处理分析步骤和算法，然后根据处理分析步骤和算法建立系统的程序流程图，根据流程图，并充分考虑到SPECT质量控制测试中各指标的相对独立性以及软件运行平台多样化等特点，采用程序模块化设计、软件跨平台运行设计以及检测报告自动生成等技术实现软件系统。最后，利用在多家SPECT设备上采集的质量控制检测数据，对系统进行试验验证。

1.2检测系统架构

通过对SPECT设备质量控制检测过程的梳理，软件系统框架包含软件层、硬件层和模型层，如图2所示。

图2　质量控制检测系统框架图

质量控制检测系统框架：①各类型各厂商的SPECT设备作为被测对象，处于硬件层中；②质量控制检测所需的99Tcm点源和Slit模体等材料归属为模型层，是进行质量控制检测的必备模型；③质量控制检测系统属于软件层，是进行数据处理分析和生成检测报告的软件；④以NEMA标准为依据，为硬件层和模型层提供质量控制检测的数据采集方法，同时为软件层提供数据处理和分析的方法；⑤质量控制检测系统的数据输入模块将不同指标的检测数据读入软件系统中，并发送给相应的数据处理模块进行处理、分析，再由报告生成模块输出检测报告。

1.3软件系统组成

依据SPECT质量控制检测系统的主要功能，软件层划分为各功能模块。系统由数据输入模块、数据处理与分析模块、报告输出模块以及系统管理模块4大部分组成（如图3所示）。

图3　质量控制检测系统软件组成示图

（1）数据输入模块。由于不同指标采集的测试数据格式和需要完成的数据分析过程不同，本系统设计了统一的数据输入模块来识别和区分输入数据文件，并根据测试目的选择，将数据送入指定的子模块进行处理。数据输入模块主要完成测试数据的读入与子模块的选择功能。

（2）数据处理与分析模块。该模块是本系统的主要功能模块，根据不同指标的数据处理过程，分为固有性能Slit模型测试分析子模块、固有均匀性分析子模块、平面系统空间分辨率分析子模块、平面系统灵敏度分析子模块、断层空间分辨率分析子模块和全身扫描空间分辨率分析子模块6个子模块，每个模块完成某类指标的检测数据处理。

（3）报告输出模块。数据处理后调用报告生成模块，将该指标检测结果输出为相应的指标检测报告，也可在所有指标均完成分析后，形成完整的质量控制检测报告。

（4）系统管理模块。该模块主要功能包括用户管理、日志管理以及帮助等系统的管理功能。

模块化设计使得系统具有开放式的体系结构，因此，数据处理与分析模块可根据质量控制检测内容进行子模块扩充，从而使系统具有较高的灵活性和良好的可扩展性。

2　SPECT质量控制检测系统功能模块实现

2.1系统主要功能

在我国大型诊疗设备管理规章中要求对诊疗设备进行验收测试、状态测试和稳定性测试。测试方法及结果评价依据国家有关标准。新国标针对我国的现状，基于NEMA标准选取关键指标，提高了检测的可行性，并规定了验收检测、状态检测及稳定性检测的指标与频度。本研究SPECT质量控制状态检测系统基于新国标规定的状态检测指标，实现了对固有均匀性、固有线性、固有空间分辨率、平面系统灵敏度、平面系统空间分辨率、断层空间分辨率和全身扫描空间分辨率等指标检测数据的处理分析。每个指标检测数据的分析由相应的子模块完成。

（1）平面系统空间分辨率分析子模块。对SPECT设备的平面系统空间分辨力的测试图像进行分析处理，获得其平面系统空间分辨力的测试值，即图像Y方向十分之一高宽（full width at tenth maximum，FWTM）、Y方向半高宽（full width at half maximum，FWHM）、X方向FWTM和X方向FWHM。

（2）固有性能Slit模型测试分析子模块。对SPECT设备的固有性能Slit模型测试图像进行分析处理，其中包括：①原始数据图；②原始数据立体图；③Slit模型倾斜度定量分析，即狭缝首、尾行的峰值位置差；④抛物线函数拟合效果和运行进度时时图；⑤微分线性分布图；⑥空间分辨力分布图以及固有空间分辨力指标，包括有效视野（useful field of view，UFOV）FWTM、UFOV FWHM、CFOV FWTM、CFOV FWHM和固有空间线性指标，即UFOV微分线性、UFOV绝对线性、CFOV微分线性及CFOV绝对线性。

（3）固有均匀性分析子模块。对SPECT设备的固有均匀性测试图像进行分析处理，输出固有均匀性指标，即UFOV微分均匀性、UFOV积分均匀性、CFOV微分均匀性及CFOV积分均匀性。

（4）平面系统灵敏度分析子模块。对SPECT设备的平面系统灵敏度性能测试结果进行分析处理，输出平面系统灵敏度。

（5）断层空间分辨率分析子模块。对SPECT设备的断层空间分辨力的测试图像进行分析处理，获得其断层空间分辨力的测试值，即横向FWHM、轴向FWHM。

（6）全身扫描空间分辨率分析子模块。对SPECT设备的全身扫描空间分辨力测试图像进行分析处理，获得其全身扫描空间分辨力的测试值，即平行方向FWTM、平行方向FWHM、垂直方向FWTM、垂直方向FWHM。

2.2数据分析与处理模块的实现

数据分析与处理模块是系统的主要部分，可实现系统的主要功能，为6个子模块。以SPECT固有性能Slit子模块为例，介绍该模块的实现过程。

（1）Slit模型是由不透射线厚为3 mm的铅板上雕刻若干条平行的狭缝制成。X方向的通用Slit模型是13条，缝长52 cm；Y方向是17条，缝长38 cm。狭缝宽度为1 mm，可透过射线，模拟线源，各缝间距30 mm，使用时安装在准直器的位置。该模块可对测试图像进行空间分辨率等指标的分析，如图4所示。

图4　SPECT固有性能Slit子模块指标框图

（2）根据标准要求，固有空间分辨力用Slit模型的狭缝扩展函数FWHM和FWTM表达，有中心视野和有效视野之分。固有线性用Slit模型的狭缝扩展函数峰值位置偏移表达，分绝对线性和微分线性，绝对线性由视野内狭缝峰值位置最大偏移表示，微分线性由视野内所有狭缝峰值位置偏移量的标准差表示，且都有中心视野和有效视野之分。数据分析与处理算法的步骤：①读取测试图像数据；②目测判断模型放置是否正确，显示“原始数据图”和“原始数据立体图”；③目测判断通过后，确定各条狭缝线源的坐标；④进一步对Slit模型倾斜度做定量分析，计算狭缝首、尾行的峰值位置差；⑤逐条狭缝、沿狭缝逐像素提取垂直线源的剖线图，并进行线扩展函数（抛物线）拟合。时时显示函数拟合效果和运行进度图，提取拟合曲线的峰值位置、FWHM及FWTM；⑥计算所有峰值位置偏移；⑦显示“线性偏移分布图”和“空间分辨力分布图”；⑧计算有效视野和中心视野区的峰值位置偏移标准差，找出最大偏移；⑨计算有效视野和中心视野区的FWHM和FWTM的均值。由此得到程序的流程图，其关键步骤如图5所示。

图5　SPECT固有性能Slit分析子模块程序流程图

（3）在模块运行时可根据计算流程产生图示化的中间结果图像，使用户更直观地查看指标分析情况（如图6所示）。

图6　SPECT固有性能Slit分析子模块中间结果流程图

2.3软件系统模块的实现

数据输入、数据输出及管理模块是软件系统必要的组成部分。数据输入模块是系统的入口，数据输出模块是检测结果的出口。数据输入、输出模块均为数据处理与分析模块提供支撑服务，尤其是输出模块，采用基于模板的报告生成技术，能够按照指定的模板格式生成报告，可有效解决手工填写检测报告效率低、易出错的问题。用户管理模块提供用户管理、日志管理以及帮助等辅助功能。

2.4试验验证

为了检验SPECT质量控制检测系统，本研究进行了多次对照试验。以设备厂商自带的程序处理结果为对照，分别对2个厂商的3台SPECT设备的7个有关性能指标进行了对照测试实验。结果表明，3台设备的对照实验大部分取得了一致性很好的结果，对个别差异较大的结果进行了原因分析和程序的重新审查。试验验证结论显示：本系统所有模块性能可靠，所得结果准确（具体数据结果另文发表），故本系统具有良好的稳定性、可靠性和输出结果的准确性，而且操作简便易行，可通用于不同厂商不同型号的SPECT性能测试，不仅可满足政府的年度状态检测监管需求，还可用于各医院的常规SPECT质量控制检测工作。

3　结论

SPECT质量控制检测系统依据NEMA NU 1-2007及新国家标准进行设计实现，是国内首创的通用于各型SPECT质量控制的性能测试系统，可用于SPECT的日常稳定性的性能测试和年度状态检测工作。

目前已有部分单位利用本系统及配套国产模体完成了年度状态检测工作。该系统的实用价值初显，产生了良好的社会效益。

本系统因未涵盖NEMA标准中的全部测试指标，故不能满足装机验收测试的需求。

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Design and implement of SPECT quality control and performance test program

YAO Shu-lin， CHEN Ying-mao， GENG Jian-hua， et al

China Medical Equipment，2016，13（9）:6-10.

Objective: To meet the supervision demands of SPECT annual inspection， this work developed the quality control and performance test system software for nuclear medicine imaging equipment. Methods: According to data processing method in NEMA NU1-2007， the process and analysis models of all the indicators were established. Then this software system was developed with various technologies， including program modularization design， multiplatform software design and automatic generation of testing reports. Results: The test data for all the indicators， including intrinsic uniformity， intrinsic spatial linearity， intrinsic spatial resolution， planar system sensitivity，planar system spatial resolution， reconstructed image spatial resolution and body scanning spatial resolution， were successfully processed and analyzed. Conclusion: The system has excellent responsibility and stability， high result veracity and good user-friendliness. It can be applied to different types of SPECTs from different factories when supported by the domestic universal SPECT performance test model package. The system not only fulfilled the annual inspection supervision requirements of the government， but also could be used in the routine SPECT quality control and detection in hospitals.

SPECT； Quality control； Performance test； Software； Data processing

1672-8270（2016）09-0006-05

R812

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.09.002

2016-06-06

科技部国际科技合作项目（2009DFA32960）“PET/CT脑分子影像研究与应用平台及针灸中枢机理探讨”

①解放军总医院核医学科 北京 100853

②中国医学科学院肿瘤医院核医学科 北京 100021

③清华大学工程物理系 北京 100084

chen.ym@263.net

姚树林，男，（1973- ），硕士，主管技师。解放军总医院核医学科，从事PET/CT、SPECT/CT等核医学设备的成像及质量控制与质量保证工作。