SPECT和PET心肌显像采集重建
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SPECT和PET心肌显像采集重建方法再 优化和新技术、新方法的初步探讨
阜外医院核医学科 王道宇
概述
核医学显像技术的进步主要依赖于核医学 显像设备、处理软件和显像剂三个要素的 协同发展。心肌显像作为核医学显像的最 重要的部分，必然是更离不开这三个因素， 所以我主要围绕核医学设备硬件、软件及 显像剂展开，简单介绍一下阜外医院核医 学科心肌显像技术发展的现状和进展。
3D OSEM Reconstruction Engine
Final Estimated Image
ith iteration
Measured Projection Data
Estimation step
wij
n 1 n
j
w w
lj l ij j
pj
n
Matched Dual Filtering
迭代重建：
重建参数：butterworth滤波 陡度5~10，截止频率0.4~0.6 OSEM法：高斯滤波，迭代次数：4，迭代子集：8
滤波函数
基于核医学影像低分辨率的特点，传统的SPECT核 医学影像诊断主要停留在定性分析阶段。 SPECT滤波函数主要是低通滤波，其主要作用心肌 灌注显像中是图像的平滑作用，给临床医师提供一 个视觉上较为完美但又能够满足细节要求的影像。 滤波函数的选择和参数的设定从理论上必须依据 SPECT断层采集数据的具体情况进行调整，必须考 虑采集的投影数据的计数率、靶器官计数率、图像 本底等综合因素。
System Response Function Modeling
Scatter Modeling
Attenuation Correction
Partial Volume (to be done)
Advanced Motion Correction (to be done)
心肌灌注显像的主要临床应用
*CRT，cardiac resynchronization therapy 心脏再同步化治疗
SPECT相位分析左室同步性结果
SPECT相位分析生成左室相位分布图（左）和相位直方图（右）。对于正常的左室，各区 域同步收缩，因此相位为近似均匀分布，相位直方图高而窄，由两个指标（Phase SD、 Bandwidth）定量描述。区分左室同步性正常、异常的Phase SD和Bandwidth临界值分别为 20与50。 该病患的相位分布不均匀，相位直方图稍宽，两个定量指标大于正常临界值，具有一定程 度的左室收缩不同步。
心肌缺血、心脏功能的判断分析
负荷试验心肌灌注显像+静息心肌灌注显像（包括普通 断层及门控断层） 诊断方法：
肉眼观察图像，定性判断 通过心脏专用核医学分析软件定量分析
心脏再同步化治疗（cardiac resynchronization therapy，CRT）辅助定位分析
QGS、QPS等（缺血范围、射血分数、相位分析等） 新的定量分析技术（基于CT辅助、快速动态门控采集等技术）
Attenuation (including SPECT/CT realignment) Scatter Isotope Decay Collimator Blur Image Noise
45
Stress MIBI injection Dipyridamole Clinical ECGDynamic SPECT CT CT infusion Myocardial Routine Flow/Perfusion SPECT Protocol gated SPECT
重建方法：
3D Butterworth post-reconstruction filtering. The iterative reconstruction method with matched filtering provides higher image quality for SPECT imaging.
Stress MIBI
140000 120000 100000 80000
Bq/ml
Rest MIBI
250000
Bq/ml
200000 150000 Arterial Input 100000 50000 0 0 100 200 300 Time (sec) 400 500 600 Myocardial Uptake
18F]乙基] -1H-1,2,3-三唑-1-基]甲基]-2-吡啶基]甲氧基]-3(2H)-哒嗪
*注：4-氯-2-叔丁基-5-[[6-[[4-[2-氟[
酮
心脏再同步化治疗（CRT）
重度心衰患者多存在心室收缩的不同步，CRT在传统的双 腔起搏让心房心室按照步骤顺序的起博的基础上增加了左 室起搏，左室起搏电极经右房的冠状静脉窦开口，进入冠 状静脉左室后壁侧壁支起搏左室，同时起搏右心室，通过 多部位起搏恢复心室同步收缩，减少二尖瓣返流。对于心 衰伴心室失同步的患者，这种治疗可以改善患者的心脏功 能，提高运动耐量以及生活质量，同时显示出逆转左室重 构的作用。
Flow
Metabolic
MBF= Extraction Fraction(MBF)/K1(MBF) CFR= MBFStress/MBFRest
43
Non-invasive Myocardial Blood Flow Quantitation with Dynamic SPECT
350000 300000
心肌显像的主要设备
SPECT
通用型SPECT 心脏专用型SPECT
传统探测器型 如philips Cardio MD 半导体探测器型（CZT）如：D530C，D-SPECT
SPECT-CT
通用型SPECT-CT 心脏专用型SPECT PET-CT PET-MRI
半导体探测器型SPECT-CT 如：D570C
SPECT分析左室疤痕分布及最晚激动区域
1 2
SPECT分析左室疤痕分布（左）和最晚激动区域（右）。SPECT采用12分区方式分析左室 基底和中部各区域的疤痕分布和激动延迟。心尖部不分析，因为研究表明CRT左室导线不 宜安放在心尖部位。疤痕分布图中，每一分区分别显示其疤痕组织所占该分区的面积比例。 激动延迟图中，每一分区显示其平均激动相位，最晚激动区域为平均激动相位最大者。 该病患左室部分区域有疤痕。在存活心肌节段中，前壁底段具有最晚机械激动，为CRT左 室导线安放最佳位置。其相邻的前侧壁底段为次佳位置。
8种不同滤波函数效果比较
心肌灌注显像采集重建方法 (Biblioteka BaiduPECT新方法）
显像剂：99mTC-MIBI ,20mci/人或10mci/人 采集方式：
半剂量采集：采集时间与通用性设备相同，显像剂注射剂量 减半 半时间采集：采集时间减半，显像剂注射剂量与通用性相同 半数投影角度采集：采集时间减半，显像剂注射剂量与通用 性相同 迭代重建：新的迭代处理方法（3D OSEM）飞利浦的 Astonish、西门子的 Flash 3D等
60000 40000 20000 0 Arterial Input Myocardial Uptake
0
100
200
300 Time (sec)
400
500
600
Frame Definition: 10x10sec+5x20sec+4x60s+280sec= 12 min
44
Correction of Physical Interference in Dynamic SPECT Image Reconstruction
SPECT指导CRT左室导线安放位置 （请对照SPECT三维显示与静脉造影图安放）
左前斜 45° 右前斜 30° 后前位
最佳安放位置 SPECT rank = 1 次佳安放位置 SPECT ranks = 2, 3 不建议安放位置 SPECT rank = 0
1 1 2 4 2 1 2 1 2
心肌灌注显像定量分析方法的进展
静息门控心肌灌注显像 分析方法：专用软件
相位分析，寻找左室最晚激动点位置，同时避免疤痕部位。
心肌缺血、心脏功能的判断分析
定性诊断（核医学设备常规配备软件）
三个轴向图像的屏幕显示、对比（STRESS—REST） 门控影像提供动态电影显示
能够分析计算患者的各个心功能参数，旧版本软件不能提供相位 分析数据，但新版软件已经实现该功能，因此门控心肌显像已经 基本上可以取代门控心血池显像。
定量分析（一般为选配软件）
心肌灌注显像采集重建方法 (ＰＥＴ－ＣＴ）
显像剂
正电子显像剂 15O-H2O，13N-NH3，[18F]FPTP2*
采集方式
ＣＴ电压:120kv ,电流：35mA, 平扫用于定位及衰减校正 断层法 表模式门控断层法
重建方法
迭代重建：迭代次数：4，子集：8 滤波函数：高斯滤波
显像设备
PET、PET-CT等
断层法 表模式门控断层法
显像方法
显像方法
心肌灌注显像采集重建方法 （SPECT传统方法）
显像剂：99mTC-MIBI ,20mci/人 常规采集参数：
常规重建方法：
断层采集方式： 3或6度/帧，180度旋转角度，20S/帧或30 秒/帧（或计数采集） 门控断层采集方式：门控帧数 8帧/每个心动周期 采集矩阵：64X64、128X128 图像放大倍数：1.3~1.5倍 滤波反投影（FBP）
Functional Assessment of Coronary Artery with Invasive Procedures
Fraction Flow Reserve (FFR): Specific for epicardial CAD Coronary Flow Reserve (CFR): Both epicardial and microcirculatory CAD (net effect of two regions) Index of Microcirculatory Resistance (IMR): Specific for microcirculatory CAD
Epicardial artery
Microvascular artery bed
42
Non-invasive Imaging Methodology for Myocardial Blood Flow Quantitation with PET
Myocardial Uptake TAC
Arterial Input TAC
心肌显像概述
心肌灌注显像
心肌代谢显像
显像剂
显像剂
显像设备
单光子显像剂 99mTCMIBI等 正电子显像剂 15O-H2O， 13N-NH 18 3，[ F]FPTP2 SPECT、SPECT-CT、 PET、PET-CT 断层法 门控断层法 表模式门控断层法
正电子显像剂 18F-FDG
随着核医学设备技术的进步，基于SPECT/CT技 术的SUV定量测定技术也已经逐渐成熟，开始解 决肿瘤诊断在基层医院的应用问题，而在心肌灌 注显像方面，利用SPECT/CT进行心肌血流 （MBF )、冠脉血流储备（CFR）的绝对定量分析 技术也开始发展起来
基于PET-CT的心肌血流定量计算 基于动态SPECT或SPECT动态采集方法的心肌血流定 量计算
半导体CZT探测器SPECT性能
探测器材料：半导体(CZT)探测器 能量范围：40-200 KeV 能量分辨率（@ 140 KeV， FWHM）≤6.2% 系统空间分辨率≤2.46 mm 不需要线性校正 不需要旋转中心校正 全3D采集 采用针孔准直器 多准直器阵列组合 灵敏度提高了10倍 分辨率提高了2倍 扫描速度提高了10倍 表模式采集
PET
半导体CZT探测器SPECT介绍
Fully stationary (no motion in the system) SPECT acquisition with CdZnTe (CZT) based detectors focused on the heart , resulting intypically three to five minute SPECT & gated SPECT scans and less than 6.2% energy resolution for Tc99m.
阜外医院核医学科 王道宇
概述
核医学显像技术的进步主要依赖于核医学 显像设备、处理软件和显像剂三个要素的 协同发展。心肌显像作为核医学显像的最 重要的部分，必然是更离不开这三个因素， 所以我主要围绕核医学设备硬件、软件及 显像剂展开，简单介绍一下阜外医院核医 学科心肌显像技术发展的现状和进展。
3D OSEM Reconstruction Engine
Final Estimated Image
ith iteration
Measured Projection Data
Estimation step
wij
n 1 n
j
w w
lj l ij j
pj
n
Matched Dual Filtering
迭代重建：
重建参数：butterworth滤波 陡度5~10，截止频率0.4~0.6 OSEM法：高斯滤波，迭代次数：4，迭代子集：8
滤波函数
基于核医学影像低分辨率的特点，传统的SPECT核 医学影像诊断主要停留在定性分析阶段。 SPECT滤波函数主要是低通滤波，其主要作用心肌 灌注显像中是图像的平滑作用，给临床医师提供一 个视觉上较为完美但又能够满足细节要求的影像。 滤波函数的选择和参数的设定从理论上必须依据 SPECT断层采集数据的具体情况进行调整，必须考 虑采集的投影数据的计数率、靶器官计数率、图像 本底等综合因素。
System Response Function Modeling
Scatter Modeling
Attenuation Correction
Partial Volume (to be done)
Advanced Motion Correction (to be done)
心肌灌注显像的主要临床应用
*CRT，cardiac resynchronization therapy 心脏再同步化治疗
SPECT相位分析左室同步性结果
SPECT相位分析生成左室相位分布图（左）和相位直方图（右）。对于正常的左室，各区 域同步收缩，因此相位为近似均匀分布，相位直方图高而窄，由两个指标（Phase SD、 Bandwidth）定量描述。区分左室同步性正常、异常的Phase SD和Bandwidth临界值分别为 20与50。 该病患的相位分布不均匀，相位直方图稍宽，两个定量指标大于正常临界值，具有一定程 度的左室收缩不同步。
心肌缺血、心脏功能的判断分析
负荷试验心肌灌注显像+静息心肌灌注显像（包括普通 断层及门控断层） 诊断方法：
肉眼观察图像，定性判断 通过心脏专用核医学分析软件定量分析
心脏再同步化治疗（cardiac resynchronization therapy，CRT）辅助定位分析
QGS、QPS等（缺血范围、射血分数、相位分析等） 新的定量分析技术（基于CT辅助、快速动态门控采集等技术）
Attenuation (including SPECT/CT realignment) Scatter Isotope Decay Collimator Blur Image Noise
45
Stress MIBI injection Dipyridamole Clinical ECGDynamic SPECT CT CT infusion Myocardial Routine Flow/Perfusion SPECT Protocol gated SPECT
重建方法：
3D Butterworth post-reconstruction filtering. The iterative reconstruction method with matched filtering provides higher image quality for SPECT imaging.
Stress MIBI
140000 120000 100000 80000
Bq/ml
Rest MIBI
250000
Bq/ml
200000 150000 Arterial Input 100000 50000 0 0 100 200 300 Time (sec) 400 500 600 Myocardial Uptake
18F]乙基] -1H-1,2,3-三唑-1-基]甲基]-2-吡啶基]甲氧基]-3(2H)-哒嗪
*注：4-氯-2-叔丁基-5-[[6-[[4-[2-氟[
酮
心脏再同步化治疗（CRT）
重度心衰患者多存在心室收缩的不同步，CRT在传统的双 腔起搏让心房心室按照步骤顺序的起博的基础上增加了左 室起搏，左室起搏电极经右房的冠状静脉窦开口，进入冠 状静脉左室后壁侧壁支起搏左室，同时起搏右心室，通过 多部位起搏恢复心室同步收缩，减少二尖瓣返流。对于心 衰伴心室失同步的患者，这种治疗可以改善患者的心脏功 能，提高运动耐量以及生活质量，同时显示出逆转左室重 构的作用。
Flow
Metabolic
MBF= Extraction Fraction(MBF)/K1(MBF) CFR= MBFStress/MBFRest
43
Non-invasive Myocardial Blood Flow Quantitation with Dynamic SPECT
350000 300000
心肌显像的主要设备
SPECT
通用型SPECT 心脏专用型SPECT
传统探测器型 如philips Cardio MD 半导体探测器型（CZT）如：D530C，D-SPECT
SPECT-CT
通用型SPECT-CT 心脏专用型SPECT PET-CT PET-MRI
半导体探测器型SPECT-CT 如：D570C
SPECT分析左室疤痕分布及最晚激动区域
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SPECT分析左室疤痕分布（左）和最晚激动区域（右）。SPECT采用12分区方式分析左室 基底和中部各区域的疤痕分布和激动延迟。心尖部不分析，因为研究表明CRT左室导线不 宜安放在心尖部位。疤痕分布图中，每一分区分别显示其疤痕组织所占该分区的面积比例。 激动延迟图中，每一分区显示其平均激动相位，最晚激动区域为平均激动相位最大者。 该病患左室部分区域有疤痕。在存活心肌节段中，前壁底段具有最晚机械激动，为CRT左 室导线安放最佳位置。其相邻的前侧壁底段为次佳位置。
8种不同滤波函数效果比较
心肌灌注显像采集重建方法 (Biblioteka BaiduPECT新方法）
显像剂：99mTC-MIBI ,20mci/人或10mci/人 采集方式：
半剂量采集：采集时间与通用性设备相同，显像剂注射剂量 减半 半时间采集：采集时间减半，显像剂注射剂量与通用性相同 半数投影角度采集：采集时间减半，显像剂注射剂量与通用 性相同 迭代重建：新的迭代处理方法（3D OSEM）飞利浦的 Astonish、西门子的 Flash 3D等
60000 40000 20000 0 Arterial Input Myocardial Uptake
0
100
200
300 Time (sec)
400
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Frame Definition: 10x10sec+5x20sec+4x60s+280sec= 12 min
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Correction of Physical Interference in Dynamic SPECT Image Reconstruction
SPECT指导CRT左室导线安放位置 （请对照SPECT三维显示与静脉造影图安放）
左前斜 45° 右前斜 30° 后前位
最佳安放位置 SPECT rank = 1 次佳安放位置 SPECT ranks = 2, 3 不建议安放位置 SPECT rank = 0
1 1 2 4 2 1 2 1 2
心肌灌注显像定量分析方法的进展
静息门控心肌灌注显像 分析方法：专用软件
相位分析，寻找左室最晚激动点位置，同时避免疤痕部位。
心肌缺血、心脏功能的判断分析
定性诊断（核医学设备常规配备软件）
三个轴向图像的屏幕显示、对比（STRESS—REST） 门控影像提供动态电影显示
能够分析计算患者的各个心功能参数，旧版本软件不能提供相位 分析数据，但新版软件已经实现该功能，因此门控心肌显像已经 基本上可以取代门控心血池显像。
定量分析（一般为选配软件）
心肌灌注显像采集重建方法 (ＰＥＴ－ＣＴ）
显像剂
正电子显像剂 15O-H2O，13N-NH3，[18F]FPTP2*
采集方式
ＣＴ电压:120kv ,电流：35mA, 平扫用于定位及衰减校正 断层法 表模式门控断层法
重建方法
迭代重建：迭代次数：4，子集：8 滤波函数：高斯滤波
显像设备
PET、PET-CT等
断层法 表模式门控断层法
显像方法
显像方法
心肌灌注显像采集重建方法 （SPECT传统方法）
显像剂：99mTC-MIBI ,20mci/人 常规采集参数：
常规重建方法：
断层采集方式： 3或6度/帧，180度旋转角度，20S/帧或30 秒/帧（或计数采集） 门控断层采集方式：门控帧数 8帧/每个心动周期 采集矩阵：64X64、128X128 图像放大倍数：1.3~1.5倍 滤波反投影（FBP）
Functional Assessment of Coronary Artery with Invasive Procedures
Fraction Flow Reserve (FFR): Specific for epicardial CAD Coronary Flow Reserve (CFR): Both epicardial and microcirculatory CAD (net effect of two regions) Index of Microcirculatory Resistance (IMR): Specific for microcirculatory CAD
Epicardial artery
Microvascular artery bed
42
Non-invasive Imaging Methodology for Myocardial Blood Flow Quantitation with PET
Myocardial Uptake TAC
Arterial Input TAC
心肌显像概述
心肌灌注显像
心肌代谢显像
显像剂
显像剂
显像设备
单光子显像剂 99mTCMIBI等 正电子显像剂 15O-H2O， 13N-NH 18 3，[ F]FPTP2 SPECT、SPECT-CT、 PET、PET-CT 断层法 门控断层法 表模式门控断层法
正电子显像剂 18F-FDG
随着核医学设备技术的进步，基于SPECT/CT技 术的SUV定量测定技术也已经逐渐成熟，开始解 决肿瘤诊断在基层医院的应用问题，而在心肌灌 注显像方面，利用SPECT/CT进行心肌血流 （MBF )、冠脉血流储备（CFR）的绝对定量分析 技术也开始发展起来
基于PET-CT的心肌血流定量计算 基于动态SPECT或SPECT动态采集方法的心肌血流定 量计算
半导体CZT探测器SPECT性能
探测器材料：半导体(CZT)探测器 能量范围：40-200 KeV 能量分辨率（@ 140 KeV， FWHM）≤6.2% 系统空间分辨率≤2.46 mm 不需要线性校正 不需要旋转中心校正 全3D采集 采用针孔准直器 多准直器阵列组合 灵敏度提高了10倍 分辨率提高了2倍 扫描速度提高了10倍 表模式采集
PET
半导体CZT探测器SPECT介绍
Fully stationary (no motion in the system) SPECT acquisition with CdZnTe (CZT) based detectors focused on the heart , resulting intypically three to five minute SPECT & gated SPECT scans and less than 6.2% energy resolution for Tc99m.