NEMA NU1-2007标准对基于碲锌镉探测器SPECT性能测试的适用性*

冯 健

NEMA NU1-2007标准对基于碲锌镉探测器SPECT性能测试的适用性*

冯 健①

目的：正确应用美国电气制造商协会(NEMA)制定的NEMA NU1-2007标准，为基于碲锌镉(CZT)探测器的单光子发射计算机断层成像装置(SPECT)进行性能测试提供参考。方法：在对基于CZT探测器的SPECT进行性能测试时，需对CZT探测器与单晶体探测器加以区别，探讨NEMA NU1-2007标准不适用于CZT探测器的性能测试项目。结果：给出了不适用于基于CZT探测器的SPECT进行NEMA NU1-2007的实验项目，并给出原因分析和处理办法。结论：基于CZT探测器的SPECT进行性能测试时不能完全按照NEMA NU1-2007标准的规定进行，制造商需要明确不适用的测试项目及其原因。

碲锌镉；单光子发射计算机断层成像装置；NEMA NU1-2007标准；性能测试

1996年，具有临床使用价值的半导体探测器碲锌镉(cadmium zinc telluride，CZT)替代NaI晶体的单光子发射计算机断层成像装置(single photon emission computed tomography，SPECT)问世，标志着核医学仪器硬件上的新突破[1-3]。CZT半导体探测器取代了通用型SPECT探头中的NaI晶体及光电倍增管(photo multiplier tube，PMT)的功能，直接完成了将γ光子转变成电信号的功能[4-5]。目前，商品化的CZT半导体探测器SPECT的制造商有：美国GE Healthcare公司、Spectrum Dynamics公司和美国Gamma Medica公司[6-7]。GE Healthcare公司生产的Discovery NM530 c用于心脏显像成像，NM750 b用于乳腺成像，NM670 CZT用于通用成像，可用于全身成像[8]；Spectrum Dynamics公司生产的D-SPECT用于心脏成像[9-10]；Gamma Medica公司生产的LumaGEM用于乳腺成像[11-12]。

目前，绝大多数核医学制造商使用美国制造商协会(National Electrical Manufacturers Association，NEMA)编制的NEMA NU1-2007标准进行性能测试。由于NEMA NU1-2007标准的性能条款主要针对单晶体探测器，如NaI(Tl)晶体，因此对于使用CZT探测器的SPECT系统，不能完全引用NEMA NU1-2007标准的条款进行测试[13]。基于此，本研究依据CZT探测器与单晶体探测器在结构组成上的区别，阐明如何选择及修改采用NEMA NU1-2007标准对使用CZT探测器的SPECT设备进行性能测试。

1 CZT探测器与单晶体探测器的区别

1.1 单晶体探测器成像特点

单晶体探测器使用一整块晶体，γ光子入射到晶体后，会在一定区域内转化成光，经由光导进入PMT进行光电倍增，然后由定位线路对入射光子进行定位[14-15]。由此可见，即便是一束非常窄的入射γ射线，在晶体上也会出现一个光斑，而不是一个点。

1.2 CZT探测器成像特点

CZT探测器的成像原理是直接将γ射线转化为电信号。当采集的γ射线与CZT晶体作用时，晶体内部产生电子和空穴对，其数量和入射光子的数量成正比。带负电的电子和带正电的空穴向不同的电极运动，形成的电荷脉冲经过前置放大变成电压脉冲。前置放大输出的信号经过后续电路处理，然后进行图像重建。CZT探测器在室温状态下能够处理100万光子/(s·mm2)，从而保证CZT探测器对γ射线探测具有极高的系统灵敏度[5]。

2 NEMA NU1-2007标准不适用CZT型SPECT的指标

NEMA NU1-2007标准规定了SPECT设备的固有性能、使用准直器的系统成像性能、断层成像性能及全身成像性能等19项性能指标的测试方法，其中有些指标的测试方法可适用于CZT探测器的SPECT。需要特别表明的是，目前使用CZT探测器的SPECT大部分只适用于特定的部位，如GE Healthcare公司生产的用于心脏显像成像的Discovery NM530c，用于乳腺成像的NM750b，因此需要根据实际具体确定NEMA NU1-2007标准的适用情况。

2.1 固有空间分辨率和固有空间线性

根据NEMA NU1-2007标准的规定，本测试使用尽可能靠近晶体、能覆盖整个UFOV范围、具有1 mm宽以及相邻缝隙中心距离为30 mm的平行缝隙铅掩模模型。平行缝隙铅掩模模型人为地将整个晶体分成若干部分，然后利用缝隙形成的图像进行半高宽(full width at half maximum，FWHM)和十分之一高宽(full width at one-tenth maximum，FWTM)的测量。由于CZT探测器是离散晶体探测器，固有空间分辨率与每个模块相邻2个阳极之间的距离等设计因素有关，如果使用平行缝隙铅掩模模型，由于摆位等要求的精度很高，反倒不易获得准确的计数分布情况，因此CZT探测器不适用本测试项目，空间分辨率可以使用“无散射系统空间分辨率”描述的试验方法进行特征描述。

2.2 空气中固有计数率特性

根据NEMA NU1-2007标准的说明，当计数率在4000 cps以下时，死时间影响很小，此时认为输入计数率(ICRi)等于观测计数率。随后的第i次ICRi计算为公式1：

使用公式1的另一种表达方式计算，即为公式2：

式中ICRi为第i次ICRi；OCRn为低于4000 cps时最后一次的观测计数率；tn为最后一次观测计数率的时间；ti为第i次测量的时间。

随着ICRi的增加，观测计数率与ICRi之间失去线性关系，计数损失逐渐增加。使用最近两点线性插值的方法确定损失20%的观测计数率，即为公式3：

当ICRi高于单晶体探测器的响应能力时，随着ICRi的增加，观测计数率并不会随之增加，而会出现反折区，如图1所示[5]。

图1 单晶体探测器固有计数率特性曲线图

对于CZT探测器，由于探测器的系统探测效率已经＞500 kcps，而且伽玛光子直接转换成光电子，消除了模拟噪声和信号丢失，使得计数定位和能量定位更加准确。因此在计数过程中的损失也极大降低。经过拟合后的观测计数率和ICRi是一条直线，计数损失一般会在1%以下。因此，无法提供NEMA NU1-2007标准规定的20%损失时的计数率，如图2所示。

图2 CZT探测器固有计数率特性曲线图

2.3 多窗空间配位

多窗空间配位(MWSR)是SPECT探头使用不同光峰能窗成像过程中，对不同能量光子精确位置的测量能力。从Anger型探测器的原理上看，光子的定位与能量无关系，理想状态下采用不同能窗获得的光峰位置是相同的，但是由于单晶体探测器在处理模拟信号时存在电子电路方面的漂移和误差，因此在不同能窗下的光峰位置计算会出现一些差异。

CZT探测器模块中的每个独立采集单元直接将伽玛光子转换成光电子，消除了模拟噪声和信号丢失，能够获得精确的计数定位和能量定位，不存在不同能窗下的光峰位置偏移的情况。因此，使用CZT探测器的SPECT设备不需要进行多窗空间配位测试。NEMA NU1-2007标准在多窗空间配置的备注中声称本测试适用于离散像素照相机值得商榷。

2.4 在75 kcps处固有空间分辨率

对于单晶体探测器，NEMA NU1-2007标准中的许多测试规定：“通过能窗的计数率应该≤20 kcps”。从图2的计数率特性图可以看出，在20 kcps的ICRi时，ICRi和观测计数率仍然在线性范围内，但是在75 kcps时，ICRi和观测计数率已经在线性关系的边缘，或者已经是非线性关系。在75 kcps处测量固有空间分辨率和固有泛源非均匀性，主要目的是考量高计数率情况下设备的物理性能变化。

对于CZT探测器，由于其在很高的ICRi下仍然保持较低的计数损失(如在1%以下)，ICRi和观测计数率存在良好的线性关系，设备物理性能与计数率高低的关系不大，因此不必进行75 kcps处的性能测试。

2.5 系统平面灵敏度和穿透性

NEMA NU1-2007标准要求使用直径150 mm的塑料盘盛放放射源，这种未按照实际探头尺寸就给出面源器皿尺寸的做法并不可取，很容易引起不必要的误解和误用。根据本研究测试的需求可以看出，面源器皿的底面积只要大于CFOV的尺寸即可。此外，平面灵敏度的测试与距离无关系，穿透性的计算才需要有距离的变化，其计算为公式4和公式5：

使用99Tcm，其源活度在7：50的活度9.9 mCi，在15：41进行采集， 扫描时间是3 min， 扫描后获得总计数是1487521，则按照公式6获得的平面灵敏度是公式7：

3 结论

本研究分析显示，相对于使用模拟线路的单晶体探测器，CZT探测器是使用多晶体的数字型离散像素探测器。两种探测器无论从成像原理上，还是从机械结构上都有很大的区别。在NEMA NU1-2007标准发布之后CZT探测器才逐渐技术成熟和市场化，因此NEMA NU1-2007标准并未考虑CZT探测器的情况。

由于我国将NEMA NU1-2007标准的内容分别放入了现行国家标准GB/T 18989-2013、GB/T 18988.2-2013以及GB/T 18988.3-2013的附录中，作为SPECT产品注册时可供使用的性能要求和试验方法之一，尤其需要指出，以上3个国家标准的正文部分是等同采用的 国际电工委员会(International Electrotechnical Commission，IEC)标准，附录中包含中文(NEMA)标准。由于IEC标准和NEMA标准在试验要求、试验方法上存在一定差别，采用的模体、测试条件、测试位置以及计算方法都有所不同，所以2个标准检测项目之间无法互相比较，建议标准使用者完整地引用两种方法中的任何一种，不应交叉使用。因此，要特别注意在使用以上国家标准进行基于CZT探测器的SPECT的性能测试时，不能够完全按照NEMA NU1-2007标准的规定编制注册产品文档，而是需要在了解CZT探测器工作原理和机械结构后确定测试项目，并对不适用的测试项目进行充分说明。

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The applicability of NEMA NU1-2007 for the performance testing of SPECT based on CZT detector

FENG Jian

Objective:To provide reference for the performance testing of single photon emission computed tomography (SPECT) based on CZT detector by correct applying NEMA NU1-2007 that established by NEMA.Methods:When the performance of SPECT based on CZT detector was tested, the CZT detector should be distinguished from single crystal detector. And the items of performance testing of CZT detector that was not suitable for NEMA NU1-2007 standard were discussed and explored. Result: The experiment items which was not suitable for NEMA NU1-2007 standard were grasped, and the research provided the relative analysis of reason and method of disposition.Conclusion:The performance testing of SPECT based on CZT detector could not completely be implemented according to the standard of NEMA NU1-2007. Besides, manufacturer need know which testing items were inapplicable and their reasons.

Cadmium zinc telluride; SPECT; Standard of NEMA NU1-2007; Performance test

Beijing Institute of Medical Device Testing, Beijing 101111, China.

1672-8270(2017)11-0016-04

R197.39

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.11.005

冯健,男,(1975- ),硕士，工程师。北京市医疗器械检验所机电二室，从事放射治疗、核医学器械检测、医用软件检测以及医疗器械标准制订和修订工作。

北京市医疗器械检验所科研发展基金(KFXM-014-2015)“PET性能测试软件的开发与应用”

①北京市医疗器械检验所机电二室 北京 101111

China Medical Equipment,2017,14(11):16-19.

2017-04-12