
9月3日,中国举行了盛大的纪念抗日战争胜利80周年阅兵仪式。看着战士们昂首挺胸组成的阅兵方阵整齐划一、威武雄壮,我们感受到了坚不可摧的力量以及坚如磐石的意志,从而安全感满满。
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我们今年也看过6月份美国阅兵那无精打采的士兵及松松垮垮的队形;我们还看到今年5月份俄罗斯纪念卫国战争胜利80周年的阅兵,士兵虽精神抖擞,但高低胖瘦不同,队列略显不齐。从不同的队形及表现,我们可以感受到不同国家军人完全不同的战斗意志、组织纪律以及训练水平。
我们可以把一个“阅兵方阵”想象成一个“SPECT矩形探头”,来尝试理解一下SPECT的几个性能指标。
SPECT是通过探测分布在患者体内放射性药物发出的伽马射线来产生图像的。
患者体内的放射性药物,一直在随机地向四周释放出γ光子,如果没有打到SPECT探头上,它就浪费掉了,不能生成图像;如果打在SPECT探头上,经碘化钠晶体转化为可见光,可见光经过PMT光电倍增管转化为电信号,再经由后续的电子线路和计算机处理,能量合适,就生成一个有效的γ事件event。
SPECT图像,是有很多像素点pixel构成,像素点的数量,是由我们采集前设置的采集矩阵matrix来决定,比如64x64、128x128、256x256等等。64x64就是将SPECT图像的长边X、宽边Y各分成64份,图像总共分成4096个像素点,每个像素点的位置由坐标(X、Y)表示。此时碘化钠晶体也相当于分成了64x64个点,晶体上每个点是与SPECT图像上每一个像素点是一一对应的。
上面提到的打在探头晶体上某个位置的γ光子,产生一个γ事件,就在图像上对应的(X、Y)位置增加一个计数,Nk=Nk-1+1即在该像素点原来的计数值上再加上1成为新的计数值。每一个打在探头晶体上有效的γ光子,都会在相应位置的像素点上累加计数,直到我们采集前设置的总计数或总时间到达而停止这个计数过程。
SPECT图像就是各个像素点不停地累计计数,每个像素点亮度的高低由该像素点计数值的大小决定。所以我们核医学影像设备是一种光子计数设备,PET也如此,而放射科最近刚推出了光子计数CT,超昂贵的。
阅兵方阵不算前方两个领队的话,一般是14排,每排25人,如果把每一个战士看作一个像素点的话,一个阅兵方阵就相当于采集矩阵是25x14。我们可以把每个战士的身高,看作是计数值,战士身高在183—193cm之间,1cm当作一个计数,那么各个像素点的计数值在183—193个之间。
均匀性是SPECT非常重要的一项性能指标,反映探头的各个部位对均匀入射的放射源响应的差异,即各部位计数率的离散度,用数学表达就是:

Cmax是图像上最亮像素点的计数值,Cmin是图像上最暗像素点的计数值。阅兵方阵中最高个子193,最低个子183,那么均匀性等于二者之差与二者之和的百分比,即:
美军陆军第三步兵团仪仗队的身高为173—193cm之间,其均匀性就是:
均匀性数值越小,说明SPECT探头的均匀性越好。
从视觉上看中国阅兵方阵,俯视时头顶的大盖帽面更平整、侧视时士兵的身高更整齐一致,整个阅兵方阵的头顶面看起来像平静的湖面,而美国队列的头顶面看起来更像是高低起伏的丘陵。

空间分辨力是SPECT非常重要的另一项性能指标,反映系统能分辨空间中两个点之间最小距离的能力。
中国仪仗队与越南仪仗队都参加了俄罗斯纪念卫国战争胜利80周年的阅兵,两个队伍都穿着绿色军装,举着的国旗都是带有黄色五星的红旗,从远处看很难分辨是哪个国家的队伍。我们知道中国国旗是4个小五星围绕一个大五星,而越南国旗上只有一个大五星,随着队伍越走越近,当红旗上的黄色色块慢慢可以分辨出是多个五星的时候,我们就知道这个队伍是中国仪仗队。

不同人的视力不一样,我们不能以主观目测来确定SPECT的空间分辨能力,而应该以数学方法来进行准确定义。
用SPECT采集一个放射性小点源得到一个点源图像,经过点源图像的中心画一条线,并以这条线为横轴,以这条线上各个像素点的计数值为纵轴,得到一个类似寺庙中覆扣的铜钟形状的剖面——点扩散函数,我们就用这个点扩散函数的半高宽FWHM(Full Width at Half Maximum)来表示SPECT设备的空间分辨力,也即图中BC线段的长度d,单位是mm,这个数值越小越好。

图中A是最高点,高度为h,在一半高度h/2的位置画一条线,与点扩散函数曲线的交点分别为B、C。
空间线性也是SPECT非常重要的一项性能指标,反映SPECT探头图像的畸变程度,即进入探头的γ光子的实际坐标位置相对于理想位置发生了多大偏移。
按照世界通用的NEMA标准以及我国WS523-2019标准,SPECT的线性通过狭缝铅栅模体来进行检测,如下图,相邻狭缝之间的距离为30mm,狭缝自身的宽度只有1mm,对矩形探头的SPECT,需要使用2个模体,X方向、Y方向各一个。
中国的阅兵方阵,不论从正面看25列中的每一列,还是从侧面看14行的每一行,看起来都好像只有一个人似的,说明每一行每一列都排列得特别笔直,相当于SPECT图像的线性特别好;而美国阅兵的队列横竖看起来都歪歪扭扭,最不齐的可能就是吃太多汉堡而凸起的大肚子吧,相当于长期缺乏保养和校正的SPECT,线性已严重偏离。

最大计数率也是SPECT需要关注的一项性能指标,反映SPECT探头的计数反应能力。
当阅兵方阵从我们面前走过的时候,数数快的人可以数出每个方阵一共有350个战士,数数慢的人可能还没数到300方阵就已经走过去了,2岁小朋友靠手指头、脚趾头来数数,可能最多也就数到20个。
同样,不同型号SPECT的探头,它们的数数能力也是不一样的。当我们拿着一个放射性点源逐步靠近SPECT探头的时候,一开始随着距离的缩小,探头上的计数率逐渐增大,但当到达某一个位置,计数率达到最大值,这以后再靠近探头,计数率不增反降,而且越靠近就下降越多。
SPECT探头处理每一个γ光子是需要一定时间的,当短时间内有太多γ光子到达探头时,探头还没处理完上一个γ光子,这时又进来一个γ光子,两个光子的能量信号叠加,其能量超出了SPECT能窗的范围(比如99mTc能窗126--154KeV),结果这两个γ光子的计数都被丢掉,导致计数率降低。
从九三大阅兵我们看到了中国军事科技取得的巨大成就,我们核医学人备受鼓舞,也要抖擞精神、奋发图强,在自己的岗位上像受阅士兵一样钻研技术,为中华民族的伟大复兴贡献自己的力量。