姚樹(shù)林　陳英茂*　耿建華　劉亞強(qiáng)

SPECT質(zhì)量控制檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

姚樹(shù)林①陳英茂①*耿建華②劉亞強(qiáng)③

目的：研制核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備SPECT質(zhì)量控制測(cè)試系統(tǒng)軟件，以滿足SPECT設(shè)備質(zhì)量控制需求。方法：以NEMA NU1-2007標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，按照標(biāo)準(zhǔn)中相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法，建立各指標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)的處理分析模型，采用程序模塊化設(shè)計(jì)、軟件跨平臺(tái)運(yùn)行設(shè)計(jì)以及檢測(cè)報(bào)告自動(dòng)生成等技術(shù)實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)。結(jié)果：SPECT質(zhì)量控制檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)主要性能指標(biāo)固有均勻性、固有空間線性、固有空間分辨率、平面系統(tǒng)靈敏度、平面系統(tǒng)空間分辨率、斷層空間分辨率和全身掃描空間分辨率等指標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理分析。結(jié)論：該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性、可靠性和輸出結(jié)果的準(zhǔn)確性，且操作簡(jiǎn)便易行；可配套國(guó)產(chǎn)通用SPECT性能檢測(cè)模體套裝，應(yīng)用于不同廠商、不同型號(hào)的SPECT性能測(cè)試，既可滿足年度狀態(tài)檢測(cè)需求，還可用于各醫(yī)院的常規(guī)SPECT質(zhì)量控制檢測(cè)工作。

單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像；質(zhì)量控制；性能測(cè)試；軟件；數(shù)據(jù)處理

［First-author’s address］ Department of Nuclear Medicine， Chinese PLA General Hospital， Beijing 100853， China.

近年來(lái)，我國(guó)核醫(yī)學(xué)設(shè)備裝機(jī)量及使用量快速增長(zhǎng)，尤其是單光子發(fā)射斷層掃描（single-photon emission computed tomography，SPECT）設(shè)備在臨床上的應(yīng)用更為普遍［1-4］。然而，核醫(yī)學(xué)設(shè)備的質(zhì)量控制工作還較落后，這與核醫(yī)學(xué)設(shè)備的快速發(fā)展很不協(xié)調(diào)，使得“放射診療管理規(guī)定”（2006衛(wèi)生部46號(hào)令）［5］中“對(duì)放射診療設(shè)備進(jìn)行年度狀態(tài)檢測(cè)”的要求無(wú)法很好的實(shí)施。在質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)方面，目前已在我國(guó)注冊(cè)上市的國(guó)外SPECT生產(chǎn)廠商均認(rèn)可美國(guó)電機(jī)制造商協(xié)會(huì)（National Electrical Manufactures Association，NEMA）的標(biāo)準(zhǔn)［7-9］。各廠商SPECT設(shè)備的技術(shù)文件中均有按NEMA標(biāo)準(zhǔn)方法檢測(cè)的技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)，并且NEMA NU 1-200已轉(zhuǎn)化為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GBT18989-2013、GBT18988.2-2013及 GBT18988.3-2013）［5］。2011年，國(guó)家放射衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)啟動(dòng)制定在我國(guó)切實(shí)可行的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。目前，“SPECT質(zhì)量控制檢測(cè)規(guī)范WS/T-XXX-XXX”（以下簡(jiǎn)稱為“新國(guó)標(biāo)”）已通過(guò)標(biāo)委會(huì)審查［6］，并上報(bào)待批，標(biāo)準(zhǔn)的制定使得對(duì)SPECT設(shè)備進(jìn)行年檢有了評(píng)判依據(jù)。然而，核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的質(zhì)量控制檢測(cè)需要采用專門的軟件對(duì)大量的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，而各SPECT設(shè)備廠商配套的檢測(cè)軟件不盡相同，圖像數(shù)據(jù)處理的方法也有差異，使檢測(cè)結(jié)果難以統(tǒng)一［10-14］。為了滿足對(duì)SPECT設(shè)備進(jìn)行質(zhì)量控制狀態(tài)年度檢測(cè)的需要，本研究設(shè)計(jì)出基于NEMA NU 1-2007的SPECT質(zhì)量控制檢測(cè)系統(tǒng)，可滿足“新國(guó)標(biāo)”對(duì)質(zhì)量控制檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和評(píng)價(jià)的要求，并可配套用于國(guó)產(chǎn)的通用SPECT性能檢測(cè)模體套裝［15］。

1　SPECT質(zhì)量控制檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1總體設(shè)計(jì)思路

SPECT質(zhì)量控制檢測(cè)系統(tǒng)沿依據(jù)→方法→模型→技術(shù)→系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證的路線進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)（如圖1所示）。

圖1　質(zhì)量控制檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)路線示意圖

系統(tǒng)以NEMA標(biāo)準(zhǔn)和新國(guó)標(biāo)為依據(jù)，確定SPECT質(zhì)量控制所需測(cè)定的性能指標(biāo)；按照標(biāo)準(zhǔn)中給出的指標(biāo)定義和測(cè)量方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，作為軟件系統(tǒng)的輸入。同時(shí)，按照標(biāo)準(zhǔn)中相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法，建立各指標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)的處理分析步驟和算法，然后根據(jù)處理分析步驟和算法建立系統(tǒng)的程序流程圖，根據(jù)流程圖，并充分考慮到SPECT質(zhì)量控制測(cè)試中各指標(biāo)的相對(duì)獨(dú)立性以及軟件運(yùn)行平臺(tái)多樣化等特點(diǎn)，采用程序模塊化設(shè)計(jì)、軟件跨平臺(tái)運(yùn)行設(shè)計(jì)以及檢測(cè)報(bào)告自動(dòng)生成等技術(shù)實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)。最后，利用在多家SPECT設(shè)備上采集的質(zhì)量控制檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1.2檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

通過(guò)對(duì)SPECT設(shè)備質(zhì)量控制檢測(cè)過(guò)程的梳理，軟件系統(tǒng)框架包含軟件層、硬件層和模型層，如圖2所示。

圖2　質(zhì)量控制檢測(cè)系統(tǒng)框架圖

質(zhì)量控制檢測(cè)系統(tǒng)框架：①各類型各廠商的SPECT設(shè)備作為被測(cè)對(duì)象，處于硬件層中；②質(zhì)量控制檢測(cè)所需的99Tcm點(diǎn)源和Slit模體等材料歸屬為模型層，是進(jìn)行質(zhì)量控制檢測(cè)的必備模型；③質(zhì)量控制檢測(cè)系統(tǒng)屬于軟件層，是進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析和生成檢測(cè)報(bào)告的軟件；④以NEMA標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，為硬件層和模型層提供質(zhì)量控制檢測(cè)的數(shù)據(jù)采集方法，同時(shí)為軟件層提供數(shù)據(jù)處理和分析的方法；⑤質(zhì)量控制檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入模塊將不同指標(biāo)的檢測(cè)數(shù)據(jù)讀入軟件系統(tǒng)中，并發(fā)送給相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行處理、分析，再由報(bào)告生成模塊輸出檢測(cè)報(bào)告。

1.3軟件系統(tǒng)組成

依據(jù)SPECT質(zhì)量控制檢測(cè)系統(tǒng)的主要功能，軟件層劃分為各功能模塊。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)輸入模塊、數(shù)據(jù)處理與分析模塊、報(bào)告輸出模塊以及系統(tǒng)管理模塊4大部分組成（如圖3所示）。

圖3　質(zhì)量控制檢測(cè)系統(tǒng)軟件組成示圖

（1）數(shù)據(jù)輸入模塊。由于不同指標(biāo)采集的測(cè)試數(shù)據(jù)格式和需要完成的數(shù)據(jù)分析過(guò)程不同，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)輸入模塊來(lái)識(shí)別和區(qū)分輸入數(shù)據(jù)文件，并根據(jù)測(cè)試目的選擇，將數(shù)據(jù)送入指定的子模塊進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)輸入模塊主要完成測(cè)試數(shù)據(jù)的讀入與子模塊的選擇功能。

（2）數(shù)據(jù)處理與分析模塊。該模塊是本系統(tǒng)的主要功能模塊，根據(jù)不同指標(biāo)的數(shù)據(jù)處理過(guò)程，分為固有性能Slit模型測(cè)試分析子模塊、固有均勻性分析子模塊、平面系統(tǒng)空間分辨率分析子模塊、平面系統(tǒng)靈敏度分析子模塊、斷層空間分辨率分析子模塊和全身掃描空間分辨率分析子模塊6個(gè)子模塊，每個(gè)模塊完成某類指標(biāo)的檢測(cè)數(shù)據(jù)處理。

（3）報(bào)告輸出模塊。數(shù)據(jù)處理后調(diào)用報(bào)告生成模塊，將該指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果輸出為相應(yīng)的指標(biāo)檢測(cè)報(bào)告，也可在所有指標(biāo)均完成分析后，形成完整的質(zhì)量控制檢測(cè)報(bào)告。

（4）系統(tǒng)管理模塊。該模塊主要功能包括用戶管理、日志管理以及幫助等系統(tǒng)的管理功能。

模塊化設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)具有開(kāi)放式的體系結(jié)構(gòu)，因此，數(shù)據(jù)處理與分析模塊可根據(jù)質(zhì)量控制檢測(cè)內(nèi)容進(jìn)行子模塊擴(kuò)充，從而使系統(tǒng)具有較高的靈活性和良好的可擴(kuò)展性。

2　SPECT質(zhì)量控制檢測(cè)系統(tǒng)功能模塊實(shí)現(xiàn)

2.1系統(tǒng)主要功能

在我國(guó)大型診療設(shè)備管理規(guī)章中要求對(duì)診療設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)收測(cè)試、狀態(tài)測(cè)試和穩(wěn)定性測(cè)試。測(cè)試方法及結(jié)果評(píng)價(jià)依據(jù)國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。新國(guó)標(biāo)針對(duì)我國(guó)的現(xiàn)狀，基于NEMA標(biāo)準(zhǔn)選取關(guān)鍵指標(biāo)，提高了檢測(cè)的可行性，并規(guī)定了驗(yàn)收檢測(cè)、狀態(tài)檢測(cè)及穩(wěn)定性檢測(cè)的指標(biāo)與頻度。本研究SPECT質(zhì)量控制狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)基于新國(guó)標(biāo)規(guī)定的狀態(tài)檢測(cè)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)固有均勻性、固有線性、固有空間分辨率、平面系統(tǒng)靈敏度、平面系統(tǒng)空間分辨率、斷層空間分辨率和全身掃描空間分辨率等指標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理分析。每個(gè)指標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析由相應(yīng)的子模塊完成。

（1）平面系統(tǒng)空間分辨率分析子模塊。對(duì)SPECT設(shè)備的平面系統(tǒng)空間分辨力的測(cè)試圖像進(jìn)行分析處理，獲得其平面系統(tǒng)空間分辨力的測(cè)試值，即圖像Y方向十分之一高寬（full width at tenth maximum，F(xiàn)WTM）、Y方向半高寬（full width at half maximum，F(xiàn)WHM）、X方向FWTM和X方向FWHM。

（2）固有性能Slit模型測(cè)試分析子模塊。對(duì)SPECT設(shè)備的固有性能Slit模型測(cè)試圖像進(jìn)行分析處理，其中包括：①原始數(shù)據(jù)圖；②原始數(shù)據(jù)立體圖；③Slit模型傾斜度定量分析，即狹縫首、尾行的峰值位置差；④拋物線函數(shù)擬合效果和運(yùn)行進(jìn)度時(shí)時(shí)圖；⑤微分線性分布圖；⑥空間分辨力分布圖以及固有空間分辨力指標(biāo)，包括有效視野（useful field of view，UFOV）FWTM、UFOV FWHM、CFOV FWTM、CFOV FWHM和固有空間線性指標(biāo)，即UFOV微分線性、UFOV絕對(duì)線性、CFOV微分線性及CFOV絕對(duì)線性。

（3）固有均勻性分析子模塊。對(duì)SPECT設(shè)備的固有均勻性測(cè)試圖像進(jìn)行分析處理，輸出固有均勻性指標(biāo)，即UFOV微分均勻性、UFOV積分均勻性、CFOV微分均勻性及CFOV積分均勻性。

（4）平面系統(tǒng)靈敏度分析子模塊。對(duì)SPECT設(shè)備的平面系統(tǒng)靈敏度性能測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析處理，輸出平面系統(tǒng)靈敏度。

（5）斷層空間分辨率分析子模塊。對(duì)SPECT設(shè)備的斷層空間分辨力的測(cè)試圖像進(jìn)行分析處理，獲得其斷層空間分辨力的測(cè)試值，即橫向FWHM、軸向FWHM。

（6）全身掃描空間分辨率分析子模塊。對(duì)SPECT設(shè)備的全身掃描空間分辨力測(cè)試圖像進(jìn)行分析處理，獲得其全身掃描空間分辨力的測(cè)試值，即平行方向FWTM、平行方向FWHM、垂直方向FWTM、垂直方向FWHM。

2.2數(shù)據(jù)分析與處理模塊的實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)分析與處理模塊是系統(tǒng)的主要部分，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的主要功能，為6個(gè)子模塊。以SPECT固有性能Slit子模塊為例，介紹該模塊的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

（1）Slit模型是由不透射線厚為3 mm的鉛板上雕刻若干條平行的狹縫制成。X方向的通用Slit模型是13條，縫長(zhǎng)52 cm；Y方向是17條，縫長(zhǎng)38 cm。狹縫寬度為1 mm，可透過(guò)射線，模擬線源，各縫間距30 mm，使用時(shí)安裝在準(zhǔn)直器的位置。該模塊可對(duì)測(cè)試圖像進(jìn)行空間分辨率等指標(biāo)的分析，如圖4所示。

圖4　SPECT固有性能Slit子模塊指標(biāo)框圖

（2）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，固有空間分辨力用Slit模型的狹縫擴(kuò)展函數(shù)FWHM和FWTM表達(dá)，有中心視野和有效視野之分。固有線性用Slit模型的狹縫擴(kuò)展函數(shù)峰值位置偏移表達(dá)，分絕對(duì)線性和微分線性，絕對(duì)線性由視野內(nèi)狹縫峰值位置最大偏移表示，微分線性由視野內(nèi)所有狹縫峰值位置偏移量的標(biāo)準(zhǔn)差表示，且都有中心視野和有效視野之分。數(shù)據(jù)分析與處理算法的步驟：①讀取測(cè)試圖像數(shù)據(jù)；②目測(cè)判斷模型放置是否正確，顯示“原始數(shù)據(jù)圖”和“原始數(shù)據(jù)立體圖”；③目測(cè)判斷通過(guò)后，確定各條狹縫線源的坐標(biāo)；④進(jìn)一步對(duì)Slit模型傾斜度做定量分析，計(jì)算狹縫首、尾行的峰值位置差；⑤逐條狹縫、沿狹縫逐像素提取垂直線源的剖線圖，并進(jìn)行線擴(kuò)展函數(shù)（拋物線）擬合。時(shí)時(shí)顯示函數(shù)擬合效果和運(yùn)行進(jìn)度圖，提取擬合曲線的峰值位置、FWHM及FWTM；⑥計(jì)算所有峰值位置偏移；⑦顯示“線性偏移分布圖”和“空間分辨力分布圖”；⑧計(jì)算有效視野和中心視野區(qū)的峰值位置偏移標(biāo)準(zhǔn)差，找出最大偏移；⑨計(jì)算有效視野和中心視野區(qū)的FWHM和FWTM的均值。由此得到程序的流程圖，其關(guān)鍵步驟如圖5所示。

圖5　SPECT固有性能Slit分析子模塊程序流程圖

（3）在模塊運(yùn)行時(shí)可根據(jù)計(jì)算流程產(chǎn)生圖示化的中間結(jié)果圖像，使用戶更直觀地查看指標(biāo)分析情況（如圖6所示）。

圖6　SPECT固有性能Slit分析子模塊中間結(jié)果流程圖

2.3軟件系統(tǒng)模塊的實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出及管理模塊是軟件系統(tǒng)必要的組成部分。數(shù)據(jù)輸入模塊是系統(tǒng)的入口，數(shù)據(jù)輸出模塊是檢測(cè)結(jié)果的出口。數(shù)據(jù)輸入、輸出模塊均為數(shù)據(jù)處理與分析模塊提供支撐服務(wù)，尤其是輸出模塊，采用基于模板的報(bào)告生成技術(shù)，能夠按照指定的模板格式生成報(bào)告，可有效解決手工填寫檢測(cè)報(bào)告效率低、易出錯(cuò)的問(wèn)題。用戶管理模塊提供用戶管理、日志管理以及幫助等輔助功能。

2.4試驗(yàn)驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)SPECT質(zhì)量控制檢測(cè)系統(tǒng)，本研究進(jìn)行了多次對(duì)照試驗(yàn)。以設(shè)備廠商自帶的程序處理結(jié)果為對(duì)照，分別對(duì)2個(gè)廠商的3臺(tái)SPECT設(shè)備的7個(gè)有關(guān)性能指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)照測(cè)試實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，3臺(tái)設(shè)備的對(duì)照實(shí)驗(yàn)大部分取得了一致性很好的結(jié)果，對(duì)個(gè)別差異較大的結(jié)果進(jìn)行了原因分析和程序的重新審查。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)論顯示：本系統(tǒng)所有模塊性能可靠，所得結(jié)果準(zhǔn)確（具體數(shù)據(jù)結(jié)果另文發(fā)表），故本系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性、可靠性和輸出結(jié)果的準(zhǔn)確性，而且操作簡(jiǎn)便易行，可通用于不同廠商不同型號(hào)的SPECT性能測(cè)試，不僅可滿足政府的年度狀態(tài)檢測(cè)監(jiān)管需求，還可用于各醫(yī)院的常規(guī)SPECT質(zhì)量控制檢測(cè)工作。

3　結(jié)論

SPECT質(zhì)量控制檢測(cè)系統(tǒng)依據(jù)NEMA NU 1-2007及新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，是國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的通用于各型SPECT質(zhì)量控制的性能測(cè)試系統(tǒng)，可用于SPECT的日常穩(wěn)定性的性能測(cè)試和年度狀態(tài)檢測(cè)工作。

目前已有部分單位利用本系統(tǒng)及配套國(guó)產(chǎn)模體完成了年度狀態(tài)檢測(cè)工作。該系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值初顯，產(chǎn)生了良好的社會(huì)效益。

本系統(tǒng)因未涵蓋NEMA標(biāo)準(zhǔn)中的全部測(cè)試指標(biāo)，故不能滿足裝機(jī)驗(yàn)收測(cè)試的需求。

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Design and implement of SPECT quality control and performance test program

YAO Shu-lin， CHEN Ying-mao， GENG Jian-hua， et al

China Medical Equipment，2016，13（9）:6-10.

Objective: To meet the supervision demands of SPECT annual inspection， this work developed the quality control and performance test system software for nuclear medicine imaging equipment. Methods: According to data processing method in NEMA NU1-2007， the process and analysis models of all the indicators were established. Then this software system was developed with various technologies， including program modularization design， multiplatform software design and automatic generation of testing reports. Results: The test data for all the indicators， including intrinsic uniformity， intrinsic spatial linearity， intrinsic spatial resolution， planar system sensitivity，planar system spatial resolution， reconstructed image spatial resolution and body scanning spatial resolution， were successfully processed and analyzed. Conclusion: The system has excellent responsibility and stability， high result veracity and good user-friendliness. It can be applied to different types of SPECTs from different factories when supported by the domestic universal SPECT performance test model package. The system not only fulfilled the annual inspection supervision requirements of the government， but also could be used in the routine SPECT quality control and detection in hospitals.

SPECT； Quality control； Performance test； Software； Data processing

1672-8270（2016）09-0006-05

R812

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.09.002

2016-06-06

科技部國(guó)際科技合作項(xiàng)目（2009DFA32960）“PET/CT腦分子影像研究與應(yīng)用平臺(tái)及針灸中樞機(jī)理探討”

①解放軍總醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科 北京 100853

②中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院腫瘤醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科 北京 100021

③清華大學(xué)工程物理系 北京 100084

chen.ym@263.net

姚樹(shù)林，男，（1973- ），碩士，主管技師。解放軍總醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科，從事PET/CT、SPECT/CT等核醫(yī)學(xué)設(shè)備的成像及質(zhì)量控制與質(zhì)量保證工作。