一种基于铅条模型的伽马相机空间分辨率定量评估方法及其在稳定性检验中的应用

《Zeitschrift für Medizinische Physik》：Evaluation of a quantitative method for measuring the spatial resolution of a gamma camera using a bar phantom

针对伽马相机空间分辨率现有目测评估法主观性强、重复性差的问题，研究人员基于Hander等人（1997）的方法，开展了一项利用铅条模型定量评估分辨率的研究。他们系统评估了模型-准直器距离、总计数及矩阵大小对调制传递函数（MTF）和半高宽（FWHM）的影响。结果表明，该定量方法在严格控制测量条件（尤其是距离和矩阵）下，可用于稳定性检验，为核医学质控提供了客观、可重复的新工具。

　　

论文解读文章

背景与意义

在核医学诊断中，伽马相机如同一双捕捉体内放射性示踪剂分布的眼睛，其成像的清晰度——即空间分辨率，是诊断准确性的关键所在。目前，行业内对伽马相机进行质量保证测试时，空间分辨率的检验大多依靠铅条模型或正交孔模型成像后的“目测检查”。这就好比在评判一幅画的细节时，不是用标尺测量，而是仅凭人眼估测，其结果极易受到评估者主观经验、视觉疲劳等因素影响，导致可比性差、可重复性低。长久以来，缺乏一种能够客观、定量地评估空间分辨率的标准方法，成为核医学成像设备日常质控中的一个痛点。为了解决这一问题，借鉴Hander等人（1997）提出的基于图像兴趣区（ROI）内均值和标准差计算调制传递函数（Modulation Transfer Function, MTF）和半高宽（Full Width at Half Maximum, FWHM）的定量方法，德国哥廷根大学医学中心核医学科的研究人员开展了一项深入的研究。他们不仅验证了该方法在伽马相机外源性测量中的适用性，更系统探究了哪些测量参数会影响最终结果，从而为该方法能否真正胜任日常的稳定性检验提供了坚实的实验依据。这项研究成果发表在《Zeitschrift für Medizinische Physik》杂志上。

关键技术方法

研究主要围绕Hander等人提出的数学模型（通过公式(3)和(4)计算MTF和FWHM）展开验证和应用。核心流程包括：

1. 1.
   图像采集与预处理：使用两种不同厂商的伽马相机（Discovery NM 630和BrightView），搭配低能高分辨率准直器，对含有^99mTc的均匀泛源模型上放置的四象限铅条模型进行平面成像，模型条宽分别为5、4、3和2毫米。
2. 2.
   定量分析算法实现：在开源的Fiji ImageJ平台上，编写脚本实现上述数学模型。在成像的每个象限内，设定直径为16厘米的圆形兴趣区，提取兴趣区的平均值（μ_ROI）和标准差（σ_ROI），代入公式计算MTF和FWHM。
3. 3.
   系统性的参数影响研究：为评估方法在实际应用中的稳健性，研究人员设计了四组变量实验：(1)改变铅条模型与准直器之间的距离（从1厘米到10厘米）；(2)改变采集的总计数（从0.5×10⁶到100×10⁶）；(3)改变图像矩阵大小（256×256、512×512、1024×1024）；(4)在恒定测量条件下重复测量六次，每次完全拆装重建设备，以模拟日常检验中不可避免的微小定位差异。
4. 4.
   统计与一致性分析：在每个测量条件下，通过将兴趣区在象限内轻微移动十次来计算均值及其标准差，以评估统计波动。同时，通过计算多次重复测量所得结果的变异系数（Coefficient of Variation）来评估该方法的一致性和可重复性。

研究结果

4.1. 模型-准直器距离的影响

当铅条模型远离准直器时，分辨率显著下降。对于5毫米宽的条带，距离每增加一厘米，计算出的FWHM约增加0.4毫米；对于4毫米宽的条带，增加量约为0.3毫米/厘米。两者关系呈高度线性（r²> 0.98）。这意味着在日常质控中，设备与模型的相对距离必须被精确且恒定地控制，否则将直接导致测量结果的系统性偏移。

4.2. 总计数的影响

研究发现，只要总计数不低于3×10⁶，对于较宽的条带（4毫米和5毫米），MTF和FWHM值基本保持稳定，波动很小（变异系数分别低于1.22%和1.3%）。然而，对于较窄的条带（2毫米和3毫米），总计数过低会导致MTF值出现较大波动。例如，在仅0.5×10⁶计数时，所有条带的MTF值都系统地偏高。这提示，为了在所有条宽下都获得可靠的结果，需要采集足够高的总计数，尤其是当关注精细结构的分辨能力时。

4.3. 矩阵大小的影响

矩阵尺寸（即像素大小）对结果有显著影响。从1024×1024大矩阵变为256×256小矩阵时，对于宽条带（4和5毫米），MTF值下降约20%；而对于2毫米窄条带，MTF值甚至可能增至三倍以上。这主要是因为像素尺寸过大会无法准确采样高频条带信号，同时像素内平均效应也会改变计算出的统计方差。因此，在比较不同设备或不同时间的测量结果时，必须使用相同的矩阵尺寸。

4.4. 数据一致性

在精心优化的恒定测量条件下（5厘米距离，512×512矩阵，10×10⁶总计数），该方法表现出良好的一致性。对于宽条带（4和5毫米），多次重复测量的MTF变异系数低于2.4%；对于窄条带（2和3毫米），变异系数低于9%。这证明了在控制关键变量后，该方法能够提供可重复的定量结果，满足稳定性检验对重复性的要求。

结论与讨论

本研究系统地验证了Hander等人提出的定量方法在外源性伽马相机测量中的适用性，并明确了其应用于日常稳定性检验的关键前提和影响因素。

核心结论：

1. 1.
   方法有效：该方法易于实施，能够客观、定量地评估伽马相机的空间分辨率（MTF和FWHM）。
2. 2.
   关键影响因素：模型-准直器距离影响最为显著，FWHM随距离线性增加，凸显了精确控制距离的必要性。矩阵大小直接影响MTF的绝对值，而总计数则影响结果的稳定性，尤其对于窄条带。
3. 3.
   适用于稳定性检验：在严格控制测量条件（特别是距离和矩阵尺寸恒定）并确保足够高的总计数（建议至少3×10⁶，若需窄条带稳定结果则需更高）的前提下，该方法能为宽条带提供变异系数低于2.4%的稳定测量结果，具有良好的可重复性。

重要意义：

这项研究为核医学伽马相机的质量保证体系带来了一项重要的工具革新。它成功地将空间分辨率的评估从主观的“目测”时代，推进到了客观的“定量”时代。通过标准化的测量流程和算法，该方法消除了评估者间的差异，实现了结果的高度可比性和可追溯性。其对于测量参数敏感的特性，恰恰使其能够敏锐地捕捉到设备性能的微小变化，这对于早期发现设备性能衰减、保障影像诊断质量具有重要价值。尽管方法基于一些简化假设（如忽略非均匀性方差，并假设噪声方差等于ROI均值），但在系统均匀性良好时，这些假设带来的误差在稳定性检验的相对比较中可以接受。

最终，J. Maack和C. Schütze的研究不仅确认了一种有前景的定量质控工具，更为其在实际临床环境中的应用绘制了一份清晰的“操作地图”，指明了确保测量结果可靠、可比的必由之路，为提升核医学成像的整体质量控制和标准化水平做出了实质性贡献。