Volume 41 Issue 2
Apr.  2017
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IQ·SPECT, Cadmium-Zinc-Telluride SPECT, and conventional SPECT application in myocardial perfusion imaging

  • Cadmium-Zinc-Telluride(CZT) SPECT and IQ·SPECT are new technologies used in myocardial perfusion imaging and are important in the development of nuclear cardiology. These technologies exhibit higher sensitivity and spatial resolution, shorter acquisition time, and lower injection and radiation doses than conventional SPECT. In contrast to the conventional SPECT system equipped with standard low-energy high-resolution collimators, IQ·SPECT adopts SMART-ROOM collimators and cardiac-centric acquisition to improve detection sensitivity. The detectors of CZT SPECT consist of semiconductor materials, instead of conventional sodium iodide(NaI) crystals, to improve energy resolution, spatial resolution, sensitivity, and signal-to-noise ratio. These detectors can also quantitatively analyze myocardial flow reserve. This paper reviews the imaging principle, performance parameters, and clinical application of three SPECT systems.
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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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IQ·SPECT, Cadmium-Zinc-Telluride SPECT, and conventional SPECT application in myocardial perfusion imaging

    Corresponding author: Hua Wei, jennyhua1981@sina.com
  • Department of Nuclear Medicine, the First Hospital of Shanxi Medical University, Taiyuan 030001, China

Abstract: Cadmium-Zinc-Telluride(CZT) SPECT and IQ·SPECT are new technologies used in myocardial perfusion imaging and are important in the development of nuclear cardiology. These technologies exhibit higher sensitivity and spatial resolution, shorter acquisition time, and lower injection and radiation doses than conventional SPECT. In contrast to the conventional SPECT system equipped with standard low-energy high-resolution collimators, IQ·SPECT adopts SMART-ROOM collimators and cardiac-centric acquisition to improve detection sensitivity. The detectors of CZT SPECT consist of semiconductor materials, instead of conventional sodium iodide(NaI) crystals, to improve energy resolution, spatial resolution, sensitivity, and signal-to-noise ratio. These detectors can also quantitatively analyze myocardial flow reserve. This paper reviews the imaging principle, performance parameters, and clinical application of three SPECT systems.

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  • 目前,心肌灌注显像(myocardial perfusion imaging,MPI)使用的SPECT主要有3种探头:基于Anger型γ照相机的SPECT探头,基于晶体和光电倍增管(photomultiplier tube,PMT)基础上的数字化技术SPECT探头(常用),基于半导体探测器成像技术的SPECT探头。常用的传统SPECT由平行孔准直器、晶体和PMT组成,但随着影像技术的不断发展,它已经不能满足我们对降低辐射剂量、提高图像质量和成像速度、以及定量分析的需求。IQ·SPECT在传统NaI晶体探测器的基础上改进了准直器,使用SMART-ROOM锥形孔准直器,以心脏为焦点的采集模式,主要提高了灵敏度[1];碲锌镉(Cadmium Zinc Telluride,CZT)探测器SPECT则基于半导体探测器成像技术。目前市场上主要有两种CZT探测器:Spectrum Dynamics D-SPECT与GE公司的Health Discovery NM系列(DNM)。CZT半导体探测器与传统NaI晶体探测器相比,有效地提高了空间分辨率、能量分辨率、灵敏度并可进行无创定量心肌血流分析[2]。IQ·SPECT与CZT探测器SPECT均可缩短采集时间、减少显像剂注射剂量、降低辐射剂量,在心脏核医学技术应用上取得了新进展。

1.   成像原理
  • 传统SPECT探头由低能高分辨率平行孔准直器、NaI晶体及PMT等组成,IQ·SPECT探头由SMART-ROOM准直器(锥形孔)、NaI晶体及PMT等组成。二者成像原理均为NaI晶体将探测到的γ射线转化为光信号,通过PMT将光信号转化为电信号并进行放大。CZT探测器SPECT的优势是使用半导体固态探测器,在常温下直接将γ射线转化为电信号。γ射线投射到CZT晶体产生电子和空穴对,CZT晶体表面是金属电极,电极在偏压作用下,在晶体内部产生电场,带负电的电子和带正电的空穴朝不同的电极运动,最终形成的电荷脉冲信号经过后续电子线路放大并处理进而成像[3]

2.   性能参数

    2.1.   分辨率和灵敏度

  • 传统SPECT能量分辨率、空间分辨率及灵敏度较低,主要受限于准直器孔数、孔径、孔长、孔间壁厚度、晶体厚度及PMT的数量。传统SPECT使用平行孔准直器,经准直器后绝大部分入射光子(>99.9%)发生衰减,使其灵敏度降低;准直器的几何特征与PMT的数量又限制了空间分辨率[4]。一般薄晶体接受的能量偏低,厚晶体接受的能量偏高,厚度增加可提高探测灵敏度,但是同时增加了散射的概率,降低了空间分辨率。由于NaI晶体的物理特性和PMT的限制,其能量分辨率、空间分辨率及灵敏度低。

    IQ·SPECT有先进的探头、采集方式和重建方法。专用SMART-ROOM准直器为多焦准直器(锥形孔),视野中央为扇形,而边缘为平行孔,放大视野中心的心脏区域;采用心脏为中心的采集方式,心脏始终处于准直器的最敏感区域,可以在保证图像质量的情况下提高计数率,进而提高灵敏度[1];采用有序子集最大期望值重建方法,相比滤波反投影法提高了图像质量,应用分辨率恢复,提高了空间分辨率并降低了噪声。

    D-SPECT为CZT探测器SPECT,探头由钨准直器和CZT固态探测器组成,钨准直器与传统铅准直器相比,孔径面积大而孔长短,提高了图像固有的空间分辨率;CZT半导体取代了NaI晶体及PMT,提高了能量分辨率、探测效率、空间分辨率、计数率等,且缩小了探头的体积。采用“区域为中心”的数据采集方式(探测器随着中心轴旋转,主要从预先选定的含心脏区域采集数据,最大化地从该区域获得计数,称为“区域为中心”的扫描方式)可智能探测到心脏,进行动态聚焦采集,进一步提高了探测效率及计数率[2]。采用BroadviewTM重建算法及分辨率恢复,同样提高图像质量、空间分辨率并降低了噪声。DNM为另一种CZT探测器SPECT,探头由多针孔准直器和CZT固态探测器组成。与D-SPECT固定角探头不同,DNM双探头为可变角,但开始图像采集时,所有准直器同时对准心脏进行数据采集,探测器或准直器是不移动的。此外,DNM可进行CT衰减校正。

    Imbert等[5]对传统SPECT、IQ·SPECT和D-SPECT及DNM性能参数进行比较,结果:传统SPECT的计数率为130计数·s-1·MBq-1,IQ·SPECT的计数率为390计数·s-1·MBq-1(提高了2倍),D-SPECT的计数率为850计数·s-1·MBq-1(提高了5.5倍),DNM为460计数·s-1·MBq-1(提高了2.5倍);传统SPECT空间分辨率为15.3 mm,IQ·SPECT为15 mm,D-SPECT为8.6 mm,DNM为6.7 mm(提高了约1倍);传统SPECT信噪比为3.5:1,IQ·SPECT为3.9:1,D-SPECT为4.1:1,DNM为4.6:1。D-SPECT、DNM和IQ·SPECT的3个参数均优于传统SPECT。Erlandsson等[2]的研究结果也表明D-SPECT的参数均优于传统SPECT,其中能量分辨率和计数率显著提高。

  • 2.2.   采集速度

  • 与传统SPECT相比,IQ·SPECT明显提高了采集速度,缩短了采集时间。Caobelli等[6]研究发现,以心脏模型测得的结果为对照组,在保证诊断准确率的条件下,IQ·SPECT MPI在注射剂量为185 MBq时,采集速度可缩短到12 s/帧,采集时间约6 min;注射剂量为740 MBq时,采集速度可缩短到6 s/帧,采集时间约3 min。另有研究表明,IQ·SPECT采集时间可缩短到4~5 min[7]。而传统SPECT的采集时间通常需要20 min左右。

    与传统SPECT相比,CZT探测器SPECT同样缩短了采集时间[8-10]。Sharir等[9]对238例患者行D-SPECT和传统SPECT MPI的研究,结果发现传统SPECT负荷、静息MPI采集时间分别为20 min和15 min,D-SPECT的负荷、静息MPI采集时间分别为4 min和2 min,两种SPECT的负荷(r=0.95)、静息(r=0.97)结果呈高度相关性。D-SPECT在保证诊断准确率的条件下,可明显缩短扫描时间。另一项研究证明,DNM在进行99Tcm-替曲林腺苷负荷和(或)静息MPI时,扫描时间同样可缩短到4 min和2 min[7]

  • 2.3.   注射剂量和辐射剂量

  • IQ·SPECT和CZT探测器SPECT减少了显像剂的注射剂量和辐射剂量。Lyon等[11]研究低剂量IQ·SPECT MPI的可行性,比较IQ·SPECT与传统SPECT测定99Tcm-甲氧基异丁基异腈负荷心肌血流灌注缺损有无差异及血流灌注缺损总积分(total perfusion deficit,TPD)的定量分析。传统SPECT采集时间为13 min,剂量为925~1100 MBq(25~30 mCi),IQ·SPECT分为3组,采集时间均为7 min,剂量分别为462.5~555 MBq(12.5~15 mCi)、231.3~277.5 MBq(6.25~7.5 mCi)、115.6~138.8 MBq(3.125~3.75 mCi),在所有剂量段IQ·SPECT与传统SPECT测定的TPD均有很好的相关性(r≥0.93),当IQ·SPECT剂量减少到462.5~555 MBq(12.5~15 mCi)时,两种检查的TPD差异无统计学意义,但当IQ·SPECT MPI为231.3~277.5 MBq(6.25~7.5 mCi)、115.6~138.8 MBq(3.125~3.75 mCi)时,二种检查测得的结果差异有统计学意义。

    多个研究结果表明,CZT探测器SPECT可减少注射剂量[12-13]。Nakazato等[12]对79例患者(试验组)行CZT探测器SPECT负荷99Tcm-MIBI MPI,研究CZT探测器SPECT MPI的最低剂量,对照组的负荷剂量为(803±200)MBq[(21.7±5.4)mCi],采集时间为14 min。以对照组的TPD及心功能为参考值,当试验组的采集时间为14 min时,平均注射剂量可减少至92.5 MBq(2.5 mCi),平均辐射剂量降低至0.71 mSv;当采集时间为10 min时,平均注射剂量可减少至125.8 MBq(3.4 mCi),平均辐射剂量降低至0.99 mSv。

  • 2.4.   图像质量

  • 在MPI中,常会因伪影、组织衰减、肥胖等因素影响图像质量而降低诊断的准确率。伪影可由示踪剂、患者、软件和硬件相关因素引起,运动伪影是常见伪影。IQ·SPECT、CZT探测器SPECT与传统SPECT比较,明显缩短了采集时间,减少了运动伪影。此外,IQ·SPECT准直器与患者距离增大,D-SPECT在图像采集时可采用坐位、俯卧位、仰卧位等多种体位,两者均可通过增加患者的舒适度来减少运动伪影。

    组织衰减常见于乳腺和膈肌衰减,衰减校正和改变患者位置可改善图像质量。Matsuo等[14]比较40名正常体检者的IQ·SPECT和传统SPECT的201T l MPI,IQ·SPECT在短时间内可获得与传统SPECT相近的图像质量,并可通过CT衰减对伪影进行校正。DNM同样可进行CT衰减校正。另外,Allie等[15]证实D-SPECT MPI通过改变患者体位(仰卧位和半直立位)可解决乳腺和膈肌衰减伪影。

    D-SPECT还可提高肥胖患者的MPI图像质量,Elnstein等[13]研究分析118例肥胖患者(BMI=35~79.7 kg/m2)的MPI,其中111例患者行99Tcm-MIBI负荷+静息MPI,7例患者行201Tl/99Tcm-MIBI双核素负荷+静息MPI,与冠状动脉造影相比,D-SPECT采用仰俯位联合直立位可获得较高的图像质量并提高冠心病的诊断准确性。

3.   IQ·SPECT、CZT探测器SPECT和传统SPECT在MPI中的应用

    3.1.   诊断冠心病

  • IQ·SPECT、CZT探测器SPECT和传统SPECT均可用于诊断冠心病。以冠状动脉造影为“金标准”,IQ·SPECT和传统SPECT在诊断冠心病时有很高的准确率。Pirich等[17]研究表明,以冠状动脉造影和临床随访为诊断标准,传统SPECT和IQ·SPECT负荷MPI经衰减校正后诊断准确率均为97%,静息MPI诊断准确率分别为96%和91%,传统SPECT和IQ·SPECT的诊断准确率差异无统计学意义。但另一项研究比较均未经衰减校正的传统SPECT MPI与IQ·SPECT MPI发现,IQ·SPECT组的心肌血流灌注指标负荷总积分、静息总积分、差值总积分显著高于传统SPECT[1]。另有文献报道,IQ·SPECT在室壁基底部相比传统SPECT更容易造成组织衰减[18]。因此,组织衰减是二者结果有差异的原因之一。

    CZT探测器SPECT和传统SPECT在诊断冠心病时有较高的一致性与相关性。Oldan等[19]研究证实,CZT探测器SPECT(DNM)和传统SPECT对心肌缺血及心脏死亡事件有相似的预测价值。Sharir等[9]研究表明,D-SPECT与传统SPECT在诊断负荷心肌异常灌注时有较高的一致性,TPD值一致性为83.6%;两种方法的负荷MPI的TPD差异无统计学意义;静息MPI的TPD差异有统计学意义,D-SPECT探测到的可逆性心肌缺血范围更大。此外,D-SPECT可通过改变体位提高诊断灵敏度、特异度与准确率。Nakazato等[20]将142例患者D-SPECT直立位、仰卧位和直立联合仰卧位的负荷MPI与冠状动脉造影结果进行比较,结果显示,直立位D-SPECT诊断冠心病的灵敏度为91%、特异度为59%;仰卧位的灵敏度为88%、特异度为73%;直立联合仰卧位的灵敏度为94%、特异度为86%。该研究结果表明,直立位联合仰卧位D-SPECT具有更高的诊断准确率。

  • 3.2.   评价左心室功能

  • IQ·SPECT和传统SPECT门控技术定量分析心肌功能时有所差异。Pirich等[17]比较IQ·SPECT和传统SPECT MPI评价心肌功能的准确率,结果:80例可疑或确诊冠心病患者的IQ·SPECT测得的左室射血分数值低于传统SPECT,其中负荷MPI低于8%,静息MPI低于9%。另外一项关于IQ·SPECT和传统SPECT MPI的研究得到同样的结果,在负荷和静息MPI时,IQ·SPECT的舒张末期容积、收缩末期容积均高于传统SPECT,而左室射血分数均低于传统SPECT[1]。其原因可能为IQ·SPECT经过散射校正后,勾画的室壁较薄,会使左室容积较大,左室射血分数较低。

    D-SPECT和传统SPECT负荷MPI在评价心肌功能时有很好的相关性,同时存在一定的差异。Sharir等[9]研究表明,D-SPECT和传统SPECT负荷MPI在评价心肌功能时,二者舒张末期容积相关性为96%,左室射血分数相关性为89%。当两种方法的左室射血分数均大于50%时,两种方法在负荷MPI下测得的左室射血分数值有较大差异,但对临床治疗无影响。DNM与传统SPECT评价心功能同样有较高的相关性,二者静息、负荷MPI的左室射血分数相关性分别为93%和91%[7]

  • 3.3.   冠状动脉血流储备(coronary blood flow reserve,CFR)的应用

  • 1993年荷兰科学家Nico pijls提出了冠状动脉血流储备分数(fractional flow reserve,FFR)[21]。FFR通过测定狭窄冠状动脉压力反映血流量的变化,是评价冠脉功能性狭窄的“金标准”。在FFR与冠状动脉造影对多支血管病变评价比较研究中,FFR指导稳定性冠心病患者行经皮冠状动脉介入术治疗效果优于冠状动脉造影[22]。但是,FFR为有创检查、辐射剂量大、费用昂贵且反映的是直径大于400 μm血管的血流情况。

    CFR是最大扩张时冠状动脉血流量与静息血流量的比值,相比FFR有更大的优势。CFR可衡量冠脉循环最大供血能力,反映直径400 μm以内的微血管的血流情况。随着对冠脉微血管病变的认识,CFR的价值也越来越受到临床的重视。SPECT MPI通过定量分析心肌血流量(myocardial blood flow,MBF)和CFR能更准确地评估冠心病,提高心脏死亡事件的风险评估和预测能力[23-24],解决传统MPI易低估三支病变冠心病程度的问题。

    CZT探测器SPECT计数率高、能进行动态断层采集,可定量分析CFR。Bailing等[25]研究CZT探测器SPECT测量MBF和CFR的准确性,对12名健康体检者和16例冠心病患者行99Tcm-MIBI SPECT和13N-NH3 PET MPI,两种检查的所有结果高度相关(整体相关性:MBF为0.92,CFR为0.78;局部相关性:MBF为0.88,CFR为0.71)。同时Nkoulou等[26]评价CZT SPECT与PET的绝对MBF和CFR指数,对28例患者行99Tcm-替曲林腺苷负荷/静息CZT探测器SPECT与13N-NH3 PET MPI,在静息MPI时,两种检查测得的MBF差异无统计学意义,但在负荷MPI时,CZT探测器SPECT测得的MBF显著低于PET,因此,CZT探测器SPECT相比PET会低估MFR。根据工作者特征曲线,CZT探测器SPECT在MFR低于1.26时,诊断心肌血流储备减低的准确率为75%。另有研究表明,以CZT探测器SPECT结果为参考,传统SPECT在探头快速旋转时测量MBF、CFR是可行的[27],但尚需进一步研究。

    综上所述,IQ·SPECT及CZT探测器SPECT在空间分辨率、能量分辨率、灵敏度等参数上较传统SPECT有了长足的进步,减少了显像剂注射剂量、辐射剂量、缩短扫描时间等。CZT探测器SPECT更可“一站式”评估心肌功能、MBF及CFR等。但CZT探测器SPECT价格昂贵,尚未在临床普及。

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