SPECT的发展和现状

SPECT发展及现状

一、概述
近30年来，医学影像技术得到了重大发展。20世纪70年代，X射线计算机断层成像(XCT)磁共振成像(MRI)该发明具有划时代意义，已成为医学临床诊断的重要手段。一些人不熟悉核医学成像技术，也有重大发展。
核医学成像是一种独特的成像过程，它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得到器官图像信息。因此，它不仅可以提供器官的结构图像，还可以提供器官的结构图像 器官功能图像。20世纪50年代核医学影像一出现，就显示出其功能的不可替代性。70年代XCT及MRI它们提供的图像类似于解剖图片，可以清晰直观地看到 器官结构的形态和变化令人耳目一新，立即跃居医学影像的主导地位。但XCT、MRI与核医学图像相比，图像无法反映器官功能的变化和动态性能。有些 局部病变发生在器官上，但组织结构和形态没有改变。例如，一些颅内肿瘤，核医学图像已经清楚地看到了病变，有时，XCT、MRI但是图像看不见。另一个例子是核医学的影像观 中风预兆至少比XCT影像提早7~10天。因此，核医学影像在脑血管和心血管疾病的诊断中仍然占有重要地位。
核医学影像 伽马是技术领域长期以来最基本的成像仪器(γ)照相机。然而，当今最具代表性的设备是正电子发射断层成像仪(Positron Emission Tomography，PET)单光子发射计算机断层成像仪(Single Photon Emission Computed Tomography，SPECT)。国际公认，今天PET是研究脑神经结构和活动的独一无二的影像设备。但价格昂贵，使用效率低，只适合少数大型医院和 医学研究机构。SPECT它具有获取二维、三维图像信息和全身扫描人体的各种图像功能，使用方便，价格低廉，适合大多数医院。现在全世界都在用 各种类型SPECT仪器近万台，其中美国约4000台，欧洲约3000台~日本约有1500台4000台。
上世纪90年代初权威 人类将进入打开脑神经奥秘的时代。竞争同核医学影像技术，XCT成像技术和MRI成像技术正朝着这个方向努力，研究新的方法，并采用最新的技术成果进行改进 产品性能大大加快了成像速度，努力获得血流的动态图像，甚至脑神经的某些功能图像。但核医学成像技术也在大步前进，也在探索新的方法，研究新的方法 仪器性能得到了很大的提高。核医学成像需要放射性药物，因此放射性成像剂的研究也加速了发展，并不断取得成果。80~20世纪90年代，国内外开发了各种脑受体 多巴胺受体是最具代表性的药物(Dopa-R)。新药的出现不仅可以提供生理和病理变化的信息，还可以定量测量受体的数量 所谓的分子成像和细胞成像

二、SPECT有哪些不足
下面所说的SPECT缺陷是指图像质量的问题，主要表现为：
(1) 灵敏度低，图像中反映的信息量小(即计数率低)。 SPECT重建图像上的信息量远远超过XCT、MRI图像很低。即使增加患者注射的药量，延长数据采集时间，仍存在很大差异。
(2) 衰减和散射影响很大。 根据专家的测试，光子通过软组织和骨骼被吸收和衰减，5cm的软组织对99mTc射线衰减可达50%。由于路径不同，衰减造成图像上各部分的影像 特别是严重失真****、心脏断层成像，有时衰减和无衰减的图像完全不同。此外，体内发射的光子遇到硬物质（如骨骼、准直孔边缘等）的散射 也会在正常图像上叠加一个完全不均匀的伪像。这一直是发射图像的固有缺陷。
(3) 图像重建空间分辨率低。SPECT重建空间的分辨率一直远低于XCT、MRI重建图像分辨率。SPECT目前平面图像最好的固有空间分辨率是 3~4mm(FWHM，半高宽值)重建图像固有空间分辨率 6~8mm。而XCT及MRI图像分辨率可达0.5mm以下。

三、最近10年SPECT的进展
1. 整机结构发生了重大变化
多探测器(探头)出现在90年代初的标志性进展中SPECT。旋转照相机型SPECT仪器上有两个、三个和四个探头，还有几个探头 环状探测器的机型，甚至还有头盔式探测器的机型。这些SPECT同时从多个方向收集体内发射的光子信息，大大提高了整机的灵敏度。从综合使用效果来看，双探头 SPECT是最好的型号，它有多种用途，除了断层成像，还有二维图像 照相机的所有功能和快速进行全身骨扫描的功能等，这对医院非常重要。大多数双探头SPECT，两个探头之间的角度是90~180o间可任意改变。从 从最大限度地收集光子信息的角度来看，环形探测器的型号可能是最好的。这类SPECT探测器由闪烁晶体和光电倍增管组成，形成环形。闪烁晶体有两种结构，一种是由 许多小晶体被空心圆柱形包围，另一种是整个空心圆柱形晶体。这种SPECT最大计数可达10000kcps以上。这类产品的缺点是不能快速生成平面 图像不能全身扫描。
结构变化带来的直接好处是提高了整机的灵敏度，进而使加灵敏SPECT其他技术指标也有所提高。
在 探头绕人体旋转的轨迹对图像重建的质量有很大的影响。人体横截面近似椭圆形，早期SPECT探头绕人体旋转的轨迹是圆形的。探头旋转时，探头 从头部表面到人体表面的距离变化显著影响重建图像的分辨率。现在，探头绕人体旋转的轨迹改为椭圆形旋转轨迹后，分辨率提高了1.5~ 2.5mm，均匀性也有明显改善。探测器绕人体旋转时的理想轨迹是探测面始终与人体最接近，即*探测人体轮廓的运动轨迹。有的产 该功能已经实现。
2. SPECT也可以生成符合图像的正电子

这是另一个有价值的技术突破。PET图像的 众所周知，临床和医学研究的价值。但由于设备昂贵，运行效率低，一般医院增加PET装置几乎不可能。双探头SPECT问世后不久，就出现了 PET功能双探头SPECT。现在这种型号已经由多家公司生产了。根据判断电路增加时间并不难。此外，有些SPECT产品也允许相同 时使用511keV对心脏的研究有时，高能放射性核素产生不同能量的双同位素图像是有意义的。碘化钠晶体的厚度可能是9mm又回到 12.5mm，保证能量为511keV探测光子的效率。目前最常用的临床18F成像。因此，在PET与SPECT在价值观之争中，目前似乎SPECT占 了上风。但是，SPECT生成的PET图像不如真实PET的图像好。
3. 同时，一种模型同时产生各种图像
XCT、MRI及核 医学图像各有所长，对临床专家来说是必不可少的。他们经常需要把病人放在一边XCT或MRI图像拿来和核医学图像进行对比。图像融合技术应运而生。使用设备 不同的技术手段同时制作两时制作了两种图像。1981年，美国制作了第一个透射断层图像(Transmission Computed Tomography，TCT)并发射断层图像(Emission Computed Tomography，ECT)的样机。现在，同时产生XCT图像及SPECT图像设备已经成为许多制造商的正式产品，其效果显然比使用两个设备生成两个图像 融合更好。
美国近年来开发了一种样机MRI一组安装在设备上PET探头实现了同时生成PET及MR图像。样机中的PET系统由 48个硅酸镥(LuSiO2， LSO)晶体探头组成38mm的环，置于MRI接收线圈内侧。PET图像的空间分辨率达到2mm。目前还没有这样的产品，但是很多厂家都在研发 并制作了样机。
4. 接近理想的衰减校正
已经提到，对SPECT衰减校正非常重要。过去，产品的校正方法大多采用 1978年Chang LT提出的方法。这种方法是一种均匀的补偿方法，假设组织的衰减系数相同，补偿量由平均吸收路径长度计算。这显然是不合理的，尤其是****图像重建效果差。 但由于长期没有找到更好的方法，大多数产品一直在使用。
20世纪90年代最重要的研究成果是找到理想的衰减校正方法，即不均匀的衰减校正。其本 质是测得 光子从体****最达探测器的不同方向和路径的吸收值，最终得到衰减系数的分布图。人体外照产生的图像称为透射图像 (Transmission Image)，例如XCT图像反映了光子在人体各个方向的实际吸收。1987年Bailey DL最早提出用TCT图像可对ECT对图像进行精确衰减校正的研究报告。90年代初研究成功SPECT同时或先后获得透射图像和发射图像 (Emission Image)产品中使用的实用方法很多。有三种具体做法：
(1) 将活性均匀的平面放射源放置在探头对面，透射人体成像；
(2) 放置一点放射源，探头加聚型准直器(Converging Collimator)，透射人体成像；
(3) 放置一线放射源，探头加风扇束准直器(Fan-beam Collimator)，透射人体成像。目前，大多数产品使用线放射源。目前，大多数制造商使用放射性同位素153Gd生产线源。为了降低成本，一些制造商使用长半衰期放射性同位素锶137Cs。
5. 图像重建算法的变化
图像重建算法分为解析法和代数法两类。分析方法主要采用滤波反投影和傅立叶卷积技术，利用各种滤波函数和投影数据作为卷积重建断层图像。其特点 图像满意，操作时间短。根据当时计算机技术和数字处理技术的水平，80年代的产品大多采用滤波反投影法(Filtered Backprojection)重建断层图像。迭代法主要是迭代法(Iterative Reconstruction Method)通过大量的矩阵迭代操作，可以实用地重建图像。该方法具有重建图像精度高、操作时间长等特点。上述接近理想衰减的学校 正，只能通过代数法实现。在代数法中，最常用的是所谓的最大似乎最小的期望值法(Maximum Likelihood Expectation Minimization)也称MLEM法。这种方法是一种非线性迭代算法，早在20世纪80年代就形成了。90年代，由于计算机技术的飞跃和进步，它已经被一些制造商使用 (例如，ADAC，GE)用于产品，达到更好的图像重建效果。更多厂家(西门子，Elscint，东芝等。)将代数法与分析法相结合，用迭代法衰减 预处理散射，然后用分析法重建图像。皮克公司采用的所谓有序子集最大期望值法(Ordered Subset Expectation Maximization，OSEM)属于最大似然法之一。
在20世纪90年代，三维图像重建方法已广泛应用于大多数SPECT产品中。
6. 实现数字化的探测器
核医学成像数字化的概念早在20世纪80年代初就提出了。以前的放射性核素成像是这样的： 所有光电倍增管的输出都是模拟信号，加权后形成坐标信号和能量信号，也是模拟的。然后转换成数字信号给计算机。真正所谓的核医学成像数字化 它是基于探测器的数字化。也就是说，每个光电倍增管的输出直接添加一个拟/数字(A/D)变换器，后续的信号加工处理全部以数字方式进行。90年代数字电路的 超大规模集成和价格的急剧降低，终于实现了放射性核素成像的全部数字化。现在数字相机已经成为主流产品。数字化的好处是，减少了因光子堆积而造成的信息严 重丢失。同时，原来由模拟电路完成的坐标生成、归一、能窗甄别及图像的均匀性校正、线性校正、能量校正等功能全部由计算机软件完成。在计算速度允许条件 下，软件完成这些工作比硬件更好，可以全面提高探测器的性能，降低硬件成本。探测器数字化，光子信息量的急剧增加，对采集系统提出了很高的要求，在计算机 技术高速发展的今天，这已经不再是问题。
　　7. 新型探测器进入实用阶段
　　最近几年，和Anger相机所用探测器(碘化钠晶体加光电倍增管组)完全不同的几种新型探测器已经发展到实用阶段。其中主要有:
　　a. 一块LSO晶体加一只超小型PS光电倍增管(Position-Sensitive PhotoMultiplier Tube)组成的探测器。这种探测器已经在实验室制成样机进行了性能测试，灵敏度很高，性能价格比很好，引起行家的注意。 
　 　b. 半导体型探测器。半导体型探测器所用的材料有许多种，其中已经实现商品化的是美国DIGIRAD公司开发成功的用碲化镉锌晶体(Cadmium- Zinc-Telluride，CZT)半导体材料作探测器。该公司已经用这种探测制造出了多种新型的放射性核素成像装置。
　　目前这两种新的探测器已进展到产品实用阶段，应用前景十分看好。
　　8. 新型准直器不断出现
　 　在放射性核素成像技术中，准直器是必不可少的关键部件之一。早期的准直器非常笨重，厚度达5cm，准直孔尺寸约3mm。80年代普遍采用了薄型准直器， 厚度只有约2.5cm，孔径小到2mm以下。过去低能量准直器大都采用波纹板粘接技术制造。这种主要*手工制造的准直器质量不稳定，均匀性差，可能发生附 加的伪像。80年代末，微孔铸造准直器工艺获得成功，这种准直器的准直孔分布均匀，孔形一致，孔径可以小到1.0mm，颇受用户欢迎。探测器的系统分辨率 主要决定于准直器分辨率和固有空间分辨率。过去，准直器分辨率大大低于固有分辨率，使整机的系统分辨率很低。现在，准直器的分辨率已经接近或高于固有分辨 率，导致系统分辨率明显提高，使图像质量达到了新水平。
　　90年代出现了一系列重要的新型准直器，例如锥束型准直器(Conebeam Collimator)、扇束型准直器，和多焦距会聚型准直器(Multifocal Converging Collimator)等。得到推广应用的主要是锥束准直器和扇束准直器。新型准直器可以显著提高图像中心视野的灵敏度，这对脑成像和心脏成像非常有用。
　　9. 主要技术指标明显提高
　　由表可看出80年代和90年代SPECT主要技术指标的变化。
　　计数率的提高，主要原因是探测器数量及质量的提高，数据采集系统性能的改进，其中包括探测器机械结构和电子线路两部分的变化。其他固有性能的提高主要归于能量校正、线性失真校正及均匀性校正技术的完善。
探测器固有性能的提高，直接影响重建图像空间分辨率的提高。另外，采用新的衰减校正及散射校正技术，以及重建算法理论的发展、软件编写和运行环境的进步也是重要因素。
 
　　四、SPECT在中国
　 　中国从1983年开始引进SPECT后，引进数量逐年增加。****地区现在设备总数超过300台。近几年国外不断出现的新机型，国内几乎都能及时引进 投入使用，促进了我国核医学的迅速发展。由于一直没有自己的产品，至今仍完全依靠进口。十几年来，为进口此项设备花费外汇累计6000万美元以上。进口量 一直维持在20~30台/年。每年仍花费大约500万美元以上的外汇。国内需求量估计约千台。
　　我国已经制定并通过了《SPECT性能和试 验规则》的国家标准。我国学者对在用的SPECT的质量控制、性能检验测试等进行过许多研究。 我国已经研制出了自己的XCT、MRI及PET。SPECT成像技术的研究工作早已在有关高校及科研部门开展并取得一些成果，现在研究和开发工作一直在进 行。目前我国尚未研制出自己的SPECT仪产品，但这种局面也许不会维持太久。
 
　　五、SPECT的未来
　　由于核医学 图像存在固有的特点，在影像技术激烈竞争中，SPECT仍具强大的活力，此项技术在世界范围内将继续不断发展创新。预计今后10年，更好的新探测器将投入 批量生产。SPECT整机性能会有更大变化，灵敏度和空间分辨率将有大幅度提高，病人的给药量将大幅度降低。软件将达到更高水平，能给出医生非常满意的三 维图像。SPECT将给出更多的量化信息，将成为真正的能给出一整套定量结果的成像仪器。也许不久会出现一种自动融合XCT、MRI及ECT图像功能的新 仪器，能合成一种从未见过的图像，既有极高的分辨率又完全反映器官各种静态及动态功能变化。
 
最后，作者感谢北京肿瘤医院吴文凯研究员，在本文发表之前他认真进行了审阅，并提出了许多宝贵意见。