SPECT的发展和现状

SPECT的发展和现状

一、概述
　　医学影像技术近30年得到重大发展。70年代X射线计算机断层成像(XCT)及磁共振成像(MRI)的发明具有划时代意义，现已家喻户晓成为医学临床诊断不可少的手段。有些人还不太熟悉的核医学成像技术，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。因此不但能提供器官的结构图像，还能提供器官的功能图像。50年代核医学影像一出现，便显出其功能的不可取代性。70年代XCT及MRI先后问世，它们提供的图像类似解剖体图片，能清晰直观地看到器官结构的形态及变化，使人耳目一新，立即跃居医学影像的主导地位。但XCT、MRI图像与核医学图像相比，却反映不出器官功能的变化及动态性能。有些器官发生局部病变，组织结构和形态却没有变化。例如，某些颅内肿瘤，核医学图像已经清楚看到病灶，有时XCT、MRI图像却看不到。又如，由核医学影像观察到的中风预兆，至少比XCT影像提早7~10天。因此直到现在，在脑血管、心血管疾病诊断方面，核医学影像仍占重要地位。
　　在核医学影像技术领域很长一段时间内，最基本的成像仪器曾经是伽马(γ)照相机。但是，当今最具有代表性的设备是正电子发射断层成像仪(PositronEmission Tomography，PET)和单光子发射计算机断层成像仪(Single Photon Emission ComputedTomography，SPECT)。国际公认，当今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，只适于少数大型医院和医学研究机构。SPECT具有获取体内二维、三维图像信息及对人体进行全身扫描的多种图像功能，使用方便，价格不贵，对大多数医院都合适。现在全世界在用的各种类型的SPECT仪近万台，其中美国约4000台，欧洲3000~4000台，日本约1500台。
　　上世纪90年代初国际权威人士曾提出，人类将进入打开脑神经奥秘的时代。为了同核医学影像技术竞争，XCT成像技术和MRI成像技术都朝这个方向努力，研究新方法，采用最新科技成果改进产品性能，使成像速度大大加快，力争能得到血流的动态图像，甚至也能得到脑神经的某些功能图像。但核医学成像技术也大步向前，也在探索新途径，研究新方法，使仪器性能得到许多重大改进。核医学成像需要放射性药物，因此放射性显像剂的研究也加速发展，并不断获得成果。80~90年代国内外研制出多种脑受体示踪药物，其中最具代表性的药物是多巴胺受体(Dopa-R)。新药物的出现，使脑受体显像不但可以提供生理、病理变化的信息，且可以定量测定受体的数目和密度，实现了所谓的“分子成像”、“细胞成像”，使其它影像方法望尘莫及。
 
　　二、SPECT有哪些不足
　　下面所说的SPECT的不足是指图像质量存在的问题，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比XCT、MRI图像低。即使加大给病人注入的药量，延长采集数据时间，仍然相差悬殊。
　　(2) 衰减及散射影响很大。光子由体内发射穿过软组织及骨骼时被吸收衰减，据专家测试，5cm的软组织对99mTc射线的衰减可达50%。由于路径不同，衰减造成图像上各部分的影像严重失真，尤其对****、心脏作断层成像，有时有衰减和无衰减的图像竟完全不一样。另外，体内发射的光子碰到硬物质(例如骨、准直孔边缘等)发生的散射同样也会使正常图像叠加上一幅完全不均匀的伪像。这一直是发射图像明显存在的固有缺陷。
　　(3)重建图像的空间分辨率低。SPECT重建空间分辨率一直远低于XCT、MRI重建图像的分辨率。SPECT平面图像目前最好的固有空间分辨率为3~4mm(FWHM，半高宽值)，重建图像固有空间分辨率为 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. 整机结构有重大变化
　　上世纪90年代初具有标志性的进展是出现了多探测器(探头)的SPECT。旋转照相机型的SPECT仪出现过二个、三个、四个探头的机型，也出现了几种环状探测器的机型，甚至还有头盔式探测器的机型。这些SPECT由多方向同时收集体内发射的光子信息，整机灵敏度大大提高。从综合使用效果看，双探头的SPECT是最好的一种机型，它具有多种用途，除断层成像外，同时具有得到二维图像的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。大多数的双探头SPECT，两个探头之间的角度是在90~180º间可任意改变的。从最大限度采集光子信息观点看，环状探测器的机型可能是最好的。这类SPECT由闪烁晶体和光电倍增管构成的探测器围成环形。闪烁晶体的结构有两种，一种由许多小块晶体围合成空心圆柱形，另一种是一整块空心圆柱形晶体。这种SPECT的最大计数率可达1000kcps以上。这类产品的缺点是不能快速生成平面图像，也不能作骨全身扫描。
　　结构的变化带来的直接好处是提高了整机灵敏度，接着也使SPECT的其它技术指标得到提高。
　　在作断层图像时，探头绕人体旋转的轨迹对图像重建质量有很大影响。人体的横断面近似为椭圆形，而早期SPECT探头绕人体旋转的轨迹为圆形。探头旋转时，探头表面到人体表面的距离的变化，明显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和人体始终保持最贴近，这就是*探测人体断面轮廓实现的人体轮廓运动轨迹。有的产品已经实现了这种功能。 
　　2. SPECT也能生成正电子符合图像
 
　　这是另一项有重大价值的技术突破。PET图像的临床及医学研究价值已尽人皆知。但由于设备昂贵，同时运营效率低，一般医院添置PET装置几乎是不可能的。双探头SPECT问世后，不久即出现了兼有PET功能的双探头SPECT。现在这种机型已经由多家公司生产。基本技术措施是增加时间符合判断电路，这并不难实现。此外，有些SPECT产品还允许同时使用511keV高能放射性核素，生成不同能量的双同位素图像，这对心脏的研究有时很有意义。产品要增加高能准直器，碘化钠晶体厚度可能由9mm又回到12.5mm，以保证能量为511keV光子的探测效率。目前临床最常用18F成像。因此，在PET与SPECT的价值观念之争中，目前似乎SPECT占了上风。但是，SPECT生成的PET图像不如真正PET的图像好。 
　　3. 一种机型同时产生多种图像
　　XCT、MRI及核医学图像各有所长，对临床专家来说缺一不可，他们经常需要把患者的XCT或MRI图像拿来和核医学图像进行对比。由此出现了图像融合技术。在一台设备上用不同的技术手段同时作出两种图像，国外早已进行过实验。1981年美国制作了第一台同时取得透射断层图像(Transmission ComputedTomography，TCT)和发射断层图像(Emission ComputedTomography，ECT)的样机。现在，同时产生XCT图像及SPECT图像的设备已成为许多厂家的正式产品，效果显然比用两台设备产生两种图像再融合更好。 
　　近几年美国曾开发过一种样机，在一台MRI设备上安装一组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)晶体的探头组成一38mm的环，置于MRI的接收线圈内侧。PET图像的空间分辨率达到2mm。目前尚没有这类产品，但许多厂家都正在研究开发中，并且作出了样机。
　　4. 接近理想的衰减校正
　　前已提到，对SPECT而言衰减校正非常重要。以前产品的校正方法大多采用1978年ChangLT提出的方法。这种方法是一种均匀补偿法，假设组织的衰减系数相同，采用平均吸收路径长度计算补偿量。这显然不合理，尤其对****重建图像效果很差。但由于长期没有找到更好的方法，也一直被大多数产品采用。
　　90年代最重要的研究成果是找到理想的衰减校正方法，即非均匀的衰减校正。其本质是测得 光子从体****出到达探测器的不同方向、不同路径上的吸收值，最终得到衰减系数的分布图。人体受外照射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BaileyDL最早提出用TCT图像可对ECT图像进行精确衰减校正的研究报告。90年代初研究成功在同一台SPECT上同时或先后获得透射图像和发射图像(Emission Image)的许多实用方法，并很快用于产品。具体做法有三种:
　　(1) 在探头对面置一活性均匀的平面放射源，透射人体成像;
　　(2) 置一点状放射源，探头加会聚型准直器(Converging Collimator)，透射人体成像;
　　(3) 置一线状放射源，探头加扇束准直器(Fan-beam Collimator)，透射人体成像。现在产品中多数采用线放射源的方法。目前，大多厂家采用放射性同位素153Gd制作线源。为了降低造价，也有厂家采用长半衰期的放射性同位素铯137Cs。
　　5. 图像重建算法的变化 
　　图像重建算法有两大类即解析法和代数法。解析法主要使用滤波反投影和傅立叶卷积技术，在频率域用多种滤波函数和投影数据作卷积运算重建断层图像。其特点是可以得到满意的图像，而且运算时间短。80年代的产品根据当时计算机技术和数字处理技术的水平，大多数采用滤波反投影法(FilteredBackprojection)重建断层图像。代数法中主要是迭代法(Iterative ReconstructionMethod)得到实用，通过大量的矩阵迭代运算得到重建图像。这种方法一直受到重视，其特点是重建图像精度高，运算时间长。前面提到的接近理想的衰减校正，只能通过代数法实现。在代数法中，最常用的是所谓“最大似然最小期望值法”(Maximum Likelihood ExpectationMinimization)也称MLEM法。这种方法是一种非线性迭代算法，早在80年代已经形成，90年代由于计算机技术的飞跃进步，已经被一些厂家(例如，ADAC，GE)用于产品，达到了更好地重建图像的效果。更多的厂家(西门子，Elscint，东芝等)将代数法和解析法结合，用迭代法进行衰减和散射预处理，然后再用解析法重建图像。美国皮克公司采用的所谓“有序子集最大期望值法”(Ordered Subset ExpectationMaximization，OSEM)属于最大似然法的一种。
　　90年代，三维图像重建方法已经普遍使用在大多数的SPECT产品中。
　　6. 探测器实现数字化 
　　早在80年代初已经提出了核医学成像数字化的概念。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，经加权处理形成坐标信号及能量信号，也都是模拟的。然后才变换成数字信号送给计算机。真正所谓的“核医学成像数字化”是以探测器数字化为基础的。即每个光电倍增管的输出都直接加一个模拟/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(ConebeamCollimator)、扇束型准直器，和多焦距会聚型准直器(Multifocal ConvergingCollimator)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。