小动物正电子断层成像仪性能测试

小动物正电子断层成像仪性能测试
设计了一系列实验对Concorde MicmPET Rodent R4小动物正电子断层成像系统(该系统是Concorde Miemsystems 公司开发的小动物专用PET扫描仪，该扫描仪具有32层探测器环，动物入口孔径为120mm，横向视野为100mm，轴 向深度为78mm，标称的视野中央处的空间分辨率可达1．8mm以下)的空间分辨率、灵敏度、散射率等性能参数进行 了测试，测试结果显示该扫描仪视野中心的横向空间分辨率为1．9mm，轴向空间分辨率为1．88mm，在能窗设定为 250—750 keV时系统的绝对灵敏度为39，88 eps／kBq，同样能窗下二维重建散射分数为50．6％，三维重建散射分数为 32．3％ ．

1．引 言 作为正电子发射断层成像(positron emission tomography，PET)技术的延伸，小动物正电子断层成像 仪(MieroPET)的出现为“活体”动物实验提供了一种 全新的方法，并已成为分子水平下生物医药学研究的 主要手段之一，广泛地应用于脑功能成像、基因表达、 肿瘤增殖以及各类药物的临床前期研究中．小动物正 电子断层扫描系统具有低成本，高灵活性，可不限时 间用于连续动物实验等优点，并且由于采用了更小的 探测器晶体和更小的探测环直径，可以得到更高的空 间分辨率，同时灵敏度也有了很大提升H ． 浙江大学浙江加州国际纳米技术研究院2005 年引进的Concorde MicroPET Rodent R4小动物正电 子断层成像系统是Concorde Microsystems公司开发 的小动物专用PET扫描仪，主要用于啮齿类动物 (如大鼠、小鼠)的全身显像，也研以用于较大动物 (如家猫、家兔)的头部扫描．Concorde MicroPET R4 系统拥有78 mm的轴向视野，仅需几个床位即可实 现对被测小动物的全身扫描。本文以Concorde MiemPETR4系统为基础设计了一系列测试小动物 正电子断层成像仪的横向分辨率，轴向分辨率，断层 成像灵敏度，散射率等性能指标的实验，并给出相应 的实验描述及最终结果．同时由于我们这台小动物 正电子断层成像系统是国内第一台专用的小动物正 电子断层成像系统，所以希望通过我们的工作，能够 对国内相关的科研工作及类似系统的性能评价提供 一 参考．测厚仪| 测速仪| 转速表| 压力表| 压力计| 真空表| 硬度计| 探伤仪| 电子称| 热像仪| 频闪仪| 测高仪| 测距仪| 金属探测器

2．MicroPET R4系统概述 Concorde MicroPET R4系统的动物入口孔径为 120mm，不仅可以用于大鼠小鼠的全身成像，还可用 于较大动物如家猫家兔等的脑部成像．MicroPET R4 系统中采用了8×8 I_SO晶体阵列，等效的单个晶体 尺寸为2．1 mm x 2．1 mm x 10 mm，晶体中心距离为 2．4 mm，阵列中的晶体通过lOOmm长的光纤与位置 敏感型光电倍增管(PS．PMT，Hamamatsu R5900．C8) 相耦合，然后同其后接的信号读取电路一并构成探 测器．4组探测器并列相接构成了系统的探测器模 块，所以整个系统具有32层晶体环．系统的所有探 测器模块，排列成内直径为148 mm 的探测器环． MicroPET R4系统的横向视野为100 mm，轴向深度为 78 mm，并在其显像孔径的两端，加有厚度为25 mE 的屏蔽层，以限制视野外放射性因素的干扰H ． *国家重点基础研究发展计划(批准号：2003CB716100)，浙江省科技计划重点项目(批准号：2005C21019)和浙江大学现代光学仪器国家重

3．主要性能参数及测试方法 对于小动物正电子断层成像系统来说，需要测试 的主要参数有空间分辨率，能量分辨率，灵敏度，散射 率，图像实验等．由于目前国际上尚无针对小动物正 电子断层成像仪的测试标准，所以除了传统上使用的 Na．22点源和Ge．68线源，我们还设计了大鼠、小鼠圆 筒模型，大鼠、小鼠散射模型，Derenzo微孔阵列模型 等一系列模型(图1)来做辅助测试 ． 图1 性能测试实验中所用的各种模型

3．1．空间分辨率 空间分辨率测试实验中最好使用放射性活度约 为50 ci，直径不大于1 mm的标准Na．22点源，因实 验室所备Na．22点源的直径达到了2 mm以上，而系 统空间分辨率的标称值为小于1．8 mm，显然此点源 无法满足实验的需要，所以实际实验中使用了横截 面直径为0．5 mm的不锈钢细管灌注0．15mCi F 18 FDG来进行空间分辨率测试实验．横向分辨率测试 时将此不锈钢细管沿轴向固定于扫描床上并移至视 场中央，扫描床以1 mm的步长沿竖直方向从视场中 心位置移至视场边缘，每个位置采集一次，整个实验 过程设定能窗范围为350—750 keV，每次采集时间 为60 s，使用默认设置重建正弦图，然后使用Fourier 重组和二维滤波反投影算法(FORE+2D．FBP)重建 图像，数据不需要进行校正，对重建的图像进行高斯 插值处理，使用最终求得的半高宽(FWHM)来表征 系统的横向空间分辨率． 考虑到横向分辨率实验和轴向分辨率实验没有 相关性，并且F．18 FDG的半衰期只有110 min，所以 在横向分辨率实验后更换新的灌注0．15mCi F 18 FDG的不锈钢细管来进行轴向分辨率实验．轴向分 辨率测试时将此不锈钢细管竖直固定于扫描床上并 移至视场中央，扫描床以0．25 m／／1的步长沿轴向从 视场中心位置移至视场边缘，每个位置采集一次，整 个实验过程设定能窗范围为350～750 keV，每次采集 时间为60 s，数据处理方式与横向分辨率测试相同．

3．2．绝对灵敏度 断层成像灵敏度是表征被探测率的一个参数， 在使用计数损失和偶然符合均可忽略的低活度放射 源条件下，符合事件按该比例被探测．测量使用Na． 22点源，测量过程中应使偶然符合率小于总符合率 的2％ ．点源固定于扫描床上，并移至视场中心位 置，从视场中心到距视场中心50 mln偏移范围内，每 隔2．5 mm采集一次，每次采集时间为60 s，对每一 次测量分别设置能窗范围为410—6l3 keV，350—650 keV，250—750 keV，200—800keV，使用默认设置生成 三维正弦图．数据采集时仅对随机符合进行校正．

3．3．三维灵敏度 三维灵敏度测试是作为对绝对灵敏度测试的一 个补充，进一步描述符合事件被探测的比例．将Na． 22点源固定在扫描床上，移动至横向视场的中心， 然后以5 mm的步长移动扫描床经过整个轴向视野， 每个位置采集一次，采集时间为60 s，然后再以5 mm 的步长沿竖直方向从视场的中心移至视场边缘，每 个位置重复进行轴向采集过程得到全部数据，与绝 对灵敏度使用同样方法生成三维正弦图．

3．4．散射率 在正电子湮没中形成的初级7射线的散射，将 导致对辐射源定位探测出现虚假信息的符合事件． 设计和制造中的偏差引起正电子发射断层成像装置 对散射辐射具有不同的灵敏度．参照NEMA NU 2． 2001标准，分别设计直径60 mm，长150 mm，离中心 轴13 mm处有贯穿孔的聚乙烯大鼠模型和直径30 mm，长150 mm，离中心轴7 mm处有贯穿孔的聚乙烯 小鼠模型(小鼠散射模型如图2所示，大鼠散射模型 与其类似，具体可参照图所有模型实物图)，将线源 插入孔中进行测量" ．模型固定与扫描床上然后 置在整个视场的中心，能窗上限固定为750 keV，能 窗下限分别设为250 keV，300 keV，350 keV，400 keV， 450 keV，测量五组数据． 切片．『散射分数通过如下方法计算： s = ％， ㈩ ¨吣 2 C ， 与C 分别为切3-i对应散射计数及总计数． C ， 按IEC 61675-1定义从各切片正弦图的累计投影 中求得． 3．5．图像实验 图像实验通过对Derenzo微孑L阵列模型成像来 实现，Derenzo微孔阵列模型中含有1 mm，1．5 mill，2 lTlm，2．5 mm，3 mm，3．5 mm共6组微孑L，模型中灌注 混合2mCi F．18 FDG的水溶液，放入视场中心采集3 h．为了达到可能出现的更好的图像效果，我们采用

4．测试结果

4．1．空间分辨率 图2 小鼠散射模型 图3 Derenzo微孔阵列模型 (a)所示．不同能量窗口下视野中心的平均灵敏度如 下：能窗410—613 keV 时为19．66 cps／kBq，能窗 350—650 keV时为24．91 cps／kBq，能窗250—750 keV 时为39．88 cps／kBq，能窗200—800 keV时为47．48 cps／kBq．测得的三维灵敏度图像如图5(b)所示． 使用滤波反投影(FBP)算法进行重建后得到的 横向空间分辨率和轴向空间分辨率随偏移位置改变 的曲线如图4所示．中心点的轴向分辨率为1．88 m m ，横向分辨率为1．9 mm，5 mil轴向偏移处的轴向 分辨率为2．05 mm，5 mm横向偏移处的横向分辨率 为2．23 mm，由于切片效应的存在，从中心到5 mm 偏移处的分辨率有较大的波动．横向分辨率从距视 场中心10 mm偏移处至视场边缘近似线性变化．由 于测试中使用了F．18FDG灌注的不锈钢细管而非 标准点源，考虑到衰减及实验环境的影响，目前使用 FBP算法重建得到的空间分辨率的结果已经可以满 足要求．

 4．2．绝对灵敏度和三维灵敏度 使用Na．22点源测得的绝对灵敏度曲线如图5

 4．3．散射率 二维数据经单个切片重组(SSRB)得到(设置环 间距为15 mil，张角为31。)．不同能量窗口下限对应 的系统散射分数由各切片散射分数的平均数求得， 能窗下限分别设定为250 keV，300 keV，350 keV，400 keV，450 keV 时，测得的平均散射分数分别为 50．6％ ，41．9％，36．1％ ，29．6％ ，20．8％ ．二维模式下 不同能窗下限时各切片散射分数如图6(a)所示． 三维数据经3D模式得到(设置环间距为15 mm，张角为31。)．不同能量窗口下限对应的系统散 射分数由各切片散射分数的平均数求得，能窗下限 分别设定为250 keV，300 keV，350 keV，400 keV，450 keV 时，测得的平均散射分数分别为32．3％， 26．8％ ，20．7％ ，15．6％ ，9．7％ ．三维模式下不同能窗 偏移量／mm 心峰值半宽度 轴向c 心蝰值半宽度 ：-- -． ／ ’＼ ／ 、 一 ，， ＼ ＼ ／ ＼ ＼ ． ／ ＼ ～ ，／ ／ (b) 一5 —4 —3 —2 —1 0 1 2 3 4 5 偏移量／mm 图4 (a)空间分辨率随偏移位置改变曲线；(b)系统视场中心处的空间分辨率曲线 偏移量／mm (b) 图5 (a)不同能窗下的二维灵敏度曲线；(b)整体三维灵敏度曲线 切片数 切片数 图6 (a)二维模式不同能窗下限时各切片散射分数图(从上到下能窗下限依次为250 keV，300 keV，350 keV，400 keV，450 keV)；(b)三维模式 不同能窗下限时各切片散射分数图(从上到下能窗下限依次为250 keV，300 keV，350 keV，400 keV，450 keV) 5 4 1 8 5 2 9 6 3 0 3 3 3 2 2 2 1 1 1 1 I ＼褂熊求厦剁 0 4 8 2 6 0 4 8 2 6 0 7 6 5 5 4 4 3 2 2 1 1 ⅢⅢ＼瓣熊 厦纠 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1 ．【

4．4．图像实验 Derenzo微孔阵列模型成像结果如图7所示，图 5．结 论 7(a)为切片26至41的成像结果，(b)为横断面32 切片，矢状面73切片的成像图．从图中可以看到直 径为2mm的微孔可以得到比较好的重建图像． 图7 Derenzo微孔阵列模型成像结果 通过我们设计的一系列实验已经能够比较全面 的测得Con 0rde MicmPET R4小动物正电子断层成 像系统的性能参数．测试结果显示该扫描仪视野中 心的横向空间分辨率为1．9 mm，轴向空间分辨率为 1．88 mm，在能窗设定为250—750 keV时系统的绝 对灵敏度为39．88 cps／kBq，同样能窗下二维重建散 射分数为50．6％，三维重建散射分数为32．3％ ． 特别感谢浙江大学医学PET中心的各位医师提供性能 测试所需的放射性药物，纯净水以及其他支持．