Качество изображения в радионуклидной диагностике

Пространственное разрешение

Пространственное разрешение — это способность системы визуализации различать два близко расположенных объекта как отдельные структуры. В радионуклидной диагностике оно ограничивается рядом факторов, среди которых основными являются:

физические характеристики детектора (размер фоточувствительных элементов, тип кристалла);
свойства радиофармпрепарата (например, размер мишени и распределение радионуклида);
рассеяние и поглощение фотонов в тканях;
движение пациента (дыхание, пульсация, произвольные движения).

Для сцинтиграфии с использованием гамма-камер пространственное разрешение может достигать 4–6 мм при оптимальных условиях, однако при увеличении расстояния между объектом и коллиматором происходит заметное ухудшение качества за счёт эффекта параллакса.

В ПЭТ-томографии пространственное разрешение может быть выше за счёт использования аннигиляционных фотонов, летящих строго в противоположных направлениях (при идеальном угле 180°), но в реальности разрешение ограничено неколлинеарностью, диффузией позитронов до момента аннигиляции и размерами кристаллов детектора.

Контраст изображения

Контраст определяется как разность сигналов между областью интереса (например, патологическим очагом) и окружающей тканью, нормализованная на уровень фона. Он зависит от:

физико-химических свойств радиофармпрепарата (селективность накопления);
времени, прошедшего после введения радиофармпрепарата (оптимальное окно визуализации);
плотности тканей и степени рассеяния гамма-излучения;
эффективности коллимации и энергетической дискриминации (особенно важно в сцинтиграфии и ОФЭКТ);
алгоритмов реконструкции и постобработки.

Контраст критически важен для выявления небольших патологических изменений, особенно в органах с высоким фоновым накоплением (например, печень, мозг).

Отношение сигнал/шум (SNR)

Отношение сигнал/шум определяет видимость структуры на фоне статистических флуктуаций счётного процесса. Поскольку радиоактивное излучение подчиняется законам Пуассоновской статистики, шум обратно пропорционален квадратному корню из числа зарегистрированных событий:

SNR ∝ √N,

где N — число зарегистрированных фотонов. Увеличение времени съёмки, дозы радиофармпрепарата и эффективности детектора приводит к улучшению SNR, но сопряжено с рядом ограничений: радиационная нагрузка пациенту, артефакты от движения, технические ограничения оборудования.

Для ПЭТ-исследований SNR особенно зависит от плотности коллинеарных совпадений и эффективности коррекции рассеяния и случайных совпадений.

Энергетическое разрешение

Энергетическое разрешение характеризует способность детектора различать фотоны по их энергии. Оно определяется как полуширина на половине максимума (FWHM) пика полного поглощения, делённая на энергию фотона:

R = (FWHM / E) × 100%.

Для сцинтилляционных кристаллов типа NaI(Tl) энергетическое разрешение при 140 кэВ (⁹⁹ᵐTc) составляет около 9–10%. Для ПЭТ-детекторов на основе BGO или LYSO энергетическое разрешение при 511 кэВ варьирует в пределах 10–15%.

Высокое энергетическое разрешение позволяет эффективно дискриминировать рассеянные фотоны и повышает контраст изображения.

Временное разрешение

Этот параметр особенно важен для ПЭТ-томографии, где используется методика регистрации совпадений. Временное окно совпадения определяет, какие пары фотонов будут расценены как истинные совпадения. Типичные значения составляют 4–12 нс.

Временное разрешение также критично в торакальной и кардиологической визуализации при использовании гейтинг-технологий (например, синхронизация с ЭКГ или дыханием), а также в динамической сцинтиграфии.

С появлением технологий Time-of-Flight (TOF) ПЭТ удалось значительно повысить пространственную точность определения места аннигиляции, что прямо влияет на качество изображения и уменьшение шума.

Артефакты и искажения

Качество изображения может быть существенно снижено различными артефактами. Наиболее распространённые:

двигательные артефакты — при длительных исследованиях или в случае несоблюдения неподвижности пациентом;
металлические артефакты — вызваны поглощением или рассеянием фотонов в протезах, имплантатах;
частичное объёмное усреднение (partial volume effect) — искажение активности в структурах меньших, чем разрешающая способность детектора;
неполная коррекция затухания — особенно актуальна при обследовании участков, близких к костным или воздушным структурам (например, лёгкие);
несовершенство реконструкционных алгоритмов — артефакты фильтрации, кольцевые артефакты при сбоях каналов детектора.

Коррекция физических эффектов

Для повышения достоверности изображений в радионуклидной диагностике применяются следующие методы коррекции:

коррекция на рассеяние — энергетическая дискриминация, методы двойного окна, моделирование рассеяния (например, SSS — single scatter simulation);
коррекция на случайные совпадения (в ПЭТ) — методы субтракции (delayed window), моделирование фона;
коррекция на затухание — использование CT-данных (в гибридных системах SPECT/CT, PET/CT), методы измерения с внешним источником или моделирования;
коррекция движения — программные методы (регистрирующие движения), использование внешних датчиков, гейтинг.

Алгоритмы реконструкции изображения

Качество реконструкции напрямую влияет на конечный вид изображения. Основные методы:

методы обратной проекции — фильтрованная обратная проекция (FBP), применяется при низких вычислительных затратах, но чувствительна к шуму;
итеративные алгоритмы — MLEM (maximum likelihood expectation maximization), OSEM (ordered subset expectation maximization) и их модификации. Обеспечивают лучшее качество при корректной модели системы, позволяют интегрировать коррекцию на затухание и рассеяние;
TOF-реконструкция — используется в современных ПЭТ-установках, позволяет существенно улучшить соотношение сигнал/шум и пространственную локализацию.

Метрики объективной и субъективной оценки качества

Оценка качества изображений проводится по нескольким направлениям:

объективные показатели: пространственное разрешение (линейно, по PSF), контраст, SNR, CNR (contrast-to-noise ratio), коэффициенты восстановления (recovery coefficients), однородность;
субъективные показатели: визуальная оценка экспертами, шкалы диагностической информативности, определение выявляемости патологических очагов (ROC-анализ).

В последние годы активно развивается использование фантомных испытаний и клинических стандартов аккредитации (например, NEMA NU 2, EARL для ПЭТ), позволяющих унифицировать и контролировать качество в различных клиниках и на разных системах.

Влияние радиофармацевтического препарата на качество

Критически важно обеспечить достаточную селективность и стабильность препарата. Следует учитывать:

биораспределение и кинетику;
дозу и активность;
возможные метаболиты и неспецифическое накопление;
химическую чистоту и стабильность мечения.

Низкое накопление в мишени или высокий фон могут существенно ухудшить выявляемость очагов патологии.

Оптимизация параметров исследования

Выбор параметров съёмки — компромисс между качеством и безопасностью. Необходима индивидуализация:

подбор оптимального коллиматора (в сцинтиграфии и ОФЭКТ);
выбор времени отсчёта и количества проекций;
оптимизация дозы препарата;
применение гейтинга и коррекции на движение;
постобработка: фильтрация, подавление шума, усиление контрастности.

Применение автоматизированных протоколов и использование ИИ для адаптации параметров позволяет существенно повысить воспроизводимость и информативность диагностики.