心脏专用多针孔SPECT的性能评估

王海鹏 郭 峰 王新强 张宗耀 王道宇 徐莹颖 陈 思 刘亚强

心肌灌注显像(myocardial perfusion imaging，MPI)是单光子发射计算机断层扫描(single-photon emission computed tomography，SPECT)在临床上的重要应用，可直接检测心肌是否缺血，对心血管疾病的诊断和治疗效果评价有重要意义[1-3]。传统双探头SPECT采用平行孔准直器，通过双探头的旋转采集不同角度下的投影图，从而实现断层成像的功能。静息心肌灌注显像的检查时间较长，检查过程中患者的移动、呼吸和内脏运动都可能导致心脏位置一定程度的移动，使得重建图像出现伪影[4-6]。

近年来，针对心脏专用的SPECT技术得到了发展[7-8]。其中以GE公司的Discovery NM 530c[9]和Spectrum Dynamics公司的DSPECT[10]为代表，二者均采用碲锌镉(Cd Zn Te，CZT)半导体探测器，而一款心脏专用多针孔(multi-pinhole，MPH)准直器(北京永新医疗设备有限公司)，实现了更高的灵敏度和更好的空间分辨率，通过将其安装在可变角双探头SPECT(ImageE NET 632)上组成MPH-SPECT成像系统，无需旋转即可实现断层成像，缩短了采集时间，达到了与心脏专用机相当的性能。为此，本研究进行模型实验和静息心肌灌注显像试验，旨在对MPH-SPECT的性能进行评估。

1 资料与方法

1.1 一般资料

(1)采用直径11 cm的球模型测量MPH-SPECT的归一体积灵敏度，采用相互平行且间距在4～5 cm的5根线源模型评估MPH-SPECT的重建空间分辨率。球模型和线源模型内均注入高锝酸(99Tcm-O4)水溶液，放射性活度为74 MBq。MPH-SPECT采用双探头77.6°夹角的采集模式，两个准直器上的24个针孔共同聚焦在直径170 mm的球形视野上。

(2)选取一位32岁的男性健康志愿者，采用99Tcm-甲氧基异丁基异腈(99Tcm-methoxy isobutyl isonitrile，99Tcm-MIBI)显像剂对其进行静息心肌灌注断层显像。志愿者对本研究知情并签订知情同意书。

1.2 心肌灌注方法

在心肌灌注模型内注入99Tcm-O4水溶液，其放射性活度为74 MBq。心肌灌注模型的心肌厚度为10 mm，且在前壁中部和下侧壁基底段各有一个“冷区”，沿着心轴方向的长度分别为20 mm和15 mm，以模拟心肌的缺血灶[11](如图1所示)。

图1 心肌灌注模型示图

1.3 图像采集

MPH-SPECT断层成像在采集过程中不需要旋转，为静态采集，采集矩阵大小固定为512×512。

(1)将线源模型和球模型分别摆放在MPH-SPECT的视野中心，采集5 min；移走模型，采集5 min本底。

(2)将心肌灌注模型放置在MPH-SPECT的视野中心，心尖朝向与床轴平行，采集5 min；放置在Discovery NM 530c的视野中心，心尖朝向与床轴平行，按照标准采集流程采集5 min；放置在低能量高分辨率(low energy high resolution，LEHR)准直器SPECT(LEHR-SPECT)的视野中心，心尖朝向与床轴平行，L模式采集30帧，每帧30 s，采集矩阵大小128×128，放大倍数为1倍。

(3)志愿者注射显像剂30 min后自行服用脂肪餐，90 min后依次在MPH-SPECT和Discovery NM 530c上进行采集，采集时间均为5 min。

1.4 数据处理

(1)对线源模型的重建图像进行处理，取5根线源半高宽(full width at half maximum，FWHM)的平均值作为空间分辨率的评估值；对球模型的采集数据进行处理，从本底图像中获取本底总计数Nb，从球模型源图像中获取总计数N，系统归一体积灵敏度Snorm计算为公式1：

式中averg为样品的活度浓度，等于活度除以球模型的体积；R为球形源的半径；T1为球模型采集时间；T2为本底采集时间；η为等效模型修正系数，为国标模型源体积与实验模型源体积之比。

(2)对MPH-SPECT采集的数据采用基于精准系统建模的OSEM迭代算法进行重建，子集个数16，迭代次数3次；对Discovery NM530c和LEHR-SPECT采集的数据，采用仪器自带的重建程序和默认重建参数进行重建。使用QPS定量计算软件获取心肌灌注模型重建图像的靶心图，以靶心图内最大计数值为100%，计算心肌灌注模型冷区域所在的前壁中部和下侧壁基底段的计数百分比，并对不同图像的处理结果进行比较[4]。

1.5 图像分析

将不同设备所得的志愿者心肌灌注重建图像生成报告图，请3位资深核医学医师对图像进行评估，以心脏专用SPECT的图像作为参照，评价MPHSPECT图像质量的优劣，以2位及以上医师的一致意见作为最终评估结果。

2 结果

(1)MPH-SPECT的重建空间分辨率，线源平均半高宽为6.0 mm，传统LEHR-SPECT的空间分辨率约为12 mm，前者明显优于后者；MPH-SPECT的归一体积灵敏度为92 s-1/(kBq/cm2)，约为传统LEHRSPECT的4倍[12]。

(2)MPH-SPECT和Discovery NM 530c所得图像的边缘更清晰，冷区对比度更高，对冷区的分辨能力更好。冷区灌注计数百分比见表1，心肌灌注模型重建图像如图2所示。

表1 不同灌注方法下冷区灌注计数百分比(%)

(3)静息心肌灌注显像的重建图像中第1行对应心脏专用SPECT，第2行对应MPH-SPECT。经过3位资深核医学医师对两组重建图像的比对一致认为，两组重建图像都能清晰分辨左心室的结构，心肌轮廓清晰，对比度良好，整体图像质量无明显区别(如图3所示)。

图2 心肌灌注模型重建图像的矢状面、冠状面和横断面示图

图3 静息心肌灌注重建示图

3 讨论

目前，国内外已有研究表明，采用心脏专用机进行采集可以有效提高患者舒适度、降低剂量以及减少伪影，获得高质量的重建图像[13-14]。然而，基于CZT探测器的心脏专用SPECT的价格昂贵，给临床普及带来一定困难。为此，已有研究提出为SPECT探头配备多针孔准直器，通过设计合适的针孔直径和放大倍数实现更高的灵敏度和更好的空间分辨率，达到心脏专用SPECT性能的同时降低成本[15-16]。但MPH准直器仍面临很多技术难题需要解决，尚处于研究阶段，未见在临床上的真正应用。

采用传统LEHR-SPECT进行静息心肌灌注显像的主要问题是灵敏度低，分辨率差，为了避免采集到的计数过低、重建图像的量子噪声过大，临床上采用延长采集时间的方法来增加图像的采集计数。采集时间长使得患者的体验差，采集过程中容易发生心脏移位，影响重建图像的质量。MPH-SPECT静息心肌灌注显像采用为心脏专门设计的多针孔准直器，通过多个针孔对心脏进行投影，最大化利用了探测器的视野，同时通过选择合适的针孔放大倍数和孔径，实现了探测效率和空间分辨率的良好折中，进而提高了探测效率，有效缩短了采集时间，减少了心脏移位造成的重建伪影。同时，MPH-SPECT的空间分辨率优于LEHR-SPECT，可更好地分辨心肌上的缺血病灶，有助于提高阅片准确度，降低误诊概率。

本研究通过球模型和线源模型对MPH-SPECT的灵敏度和重建空间分辨率进行了评估，通过心肌灌注模型对照试验对MPH-SPECT分辨心肌缺血病灶的能力进行了评估，并通过志愿者心肌灌注显像对照试验对MPH-SPECT的临床图像质量进行了评估。研究结果显示，MPH-SPECT的归一体积灵敏度和重建空间分辨率均明显优于传统LEHR-SPECT；MPH-SPECT对心肌灌注模型上冷区的分辨能力优于LEHR-SPECT且与基于CZT探测器的心脏专用SPECT相当；MPH-SPECT志愿者静息心肌灌注重建图像质量与心脏专用SPECT相当。MPH-SPECT的核心部件是心脏专用多针孔准直器，与基于CZT探测器的心脏专用SPECT相比成本更低，在临床应用上可作为后者的低成本替代品，有助于静息心肌灌注显像应用在临床上的普及。

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