單光子電腦斷層掃描
何謂單光子電腦斷層掃描 ( SPECT )
傳統核醫掃描對於一個立體影像只能從各個不同的角度去掃描，而僅僅表現出其平面影像。是一種二度空間影像表現。對於較深度方面器官的變化也是藉由各個不同角度方面的掃描而獲取其資料，但易受到周遭背景值的影響，使斷層掃描應運而生，解除了平面掃描影像前後重疊的缺失。所謂的斷層掃描即是攝影機繞著病人作180 或 360度旋轉的技術。斷層掃描包括橫斷面與縱斷面、甚至於任意角度的斷面，掃描若是以單光子射出為其工具，如Tc-99m，就稱為單光子射出電腦斷層掃描。（Single-photon Emission Computed Tomography）。
為何要做斷層掃描？
因 SPECT可多角度偵測目標器官，再經影像的重組，成三度空間影像後，更能發現病灶的相關位置。
A.利用投射法原理（Projection）可獲取一連串的平面影像。
B.利用平面影像重組成三度空間立體影像（2-dimentional－3-dimentional）。
C.重建平面影像(Reconstruction)，以獲取立體影像的平面圖(Slice)、有Transaxial，Sagittal 及Coronal 的切面影像。
SPECT的基本原理：
SPECT利用傳統核醫造影劑 ( radiotracer )及安格式r-camera以一定的角度，環繞病人的標的器官，得到一系列的平面影像，再以電腦影像重組技術得到另一系列的影像，因而獲取了三組Transaxial，Sagittal，Coronal 的立體影像，影像重組原理如下:
A.投射 ( Projection )：
若物體為放射性標的物，設r-camera從其θ1角度轉至另一角度θ2，則θ1、θ2的角度可做成一系列與其垂直的線系，設可從θ1轉至θn的角度，則這一系列的垂直線系經線積分後將其順序排列，而取得一數值矩陣，再將此數值矩陣用適當的明暗灰階加以表示，即可得到此一物體的投射影像。
B.反投射：
在不同角度得到的投射影像，取其相同一列的數值，將其均勻投回重組影像空間，再將其值累加，則可建立所謂的重建矩陣 ( matrix )。這是一初步近似於物體的斷層影像 (Tomography )，此種方法稱為線性加成反投射法。但線性加成反投射法造成的影像不是放射性標的物其放射活性的真實分佈情形，故會形成模糊的影像，尚須經一連串的積分程序，才能獲取真實影像。
C.傅立葉轉換 (Fourier Transformation)：
一連串的積分極為繁複，若利用所謂的傅立葉轉換，在頻率空間之頻譜與原函數可用不`同的正弦，餘弦函數表示，傅立葉轉換，可將放射性標的物以其放射性振幅的大小表其位置轉而以空間頻率表其位置，即原本繁雜的積分程序被省略，將資料分析的定義域由影像空間轉換至頻率空間，在此，有個簡單的定義；空間中放射性標的物的分佈情形，稱為影像空間，經傅立葉轉換後，形成一新的描述，稱為頻率空間。
D.波與視窗：
影像中的背景值多以低頻存在，雜訊和邊界以高頻表現，而放射性標的物則處於中間頻率，故可用低通濾波器消除雜訊，或利用高通濾波器來加強邊界。但由於雜訊和邊界均以高頻表現，故單單使用濾波器，會有雜訊過高的現象，為使影像及雜訊比值提高，再混合使用一低通濾波器，可稱為Window Function，濾波與視窗的組合，可達到背景與雜訊消除的雙重目的，而濾波器通常都有可調整的參數，使影像達到平滑的目的，但影像邊界愈明顯，愈接近傳真的影像，而影像的平滑與傳真是相衝突的，須在二者間作一適當的抉擇。
E.濾波反投射：
濾波器會對投影資料產生加強邊界的現象，在反投射法中，可產生抵消的效果，消除星形影像 ( Star Artifact ) 以獲得細部構造較為清晰的斷層影像，稱為Transaxial 影像，將Transaxial的每一張Frame依序填回立體矩陣，即可獲得三個平面Transverse，Sagittal，Coronal的影像。
SPECT 的基本操作過程：
SPECT包括二個最基本的步驟，即影像的獲取與影像處理 (Acquisition & Procession)。
A.影像的獲取 (Acquisition)：
數位影像是一組二維矩陣，即所謂的matrix，其最小的組成分子稱為像素 (pixel)。像素的內容為造影器官所對應矩陣之放射活性量 (Activity)，資料的獲取，在於各項條件的合理設定。也就是在於合理時間內，獲得影像的最佳解像力。並能維持病人於一定的姿勢不動直到整個掃描過程結束，所設定的條件有如下幾種：
a.Acqusition Time and Dose：
時間的限制，以病人能舒服的躺在床上安靜的做完檢查為止。最適時間為20~45分鐘。
b.Matrix Size：
通常所用的matrix size為64x64 或128×128，但64×64較常被使用。其原因為128×128的矩陣所佔用的電腦容量空間是64×64的四倍，使用128×128的角度選擇至少也要是64×64 的二 倍，而且128x128其每個pixel收集的counts數也要相對增加，所以檢查時間也倍增。
c.角度 (Angle)：
角度為3度或6度是常作的選擇。超過6度通常不予考慮。因容易造成假影的產生(Artifact )。TL-201心臟掃描，HMPAO腦部掃描，常常選擇3度為其掃描間隔角度。而較少的一些掃描，如skull-spect，pelvic-spect，可用6度為其掃描區隔角度。
d.探頭移動方式 (Step shoot v.s. continuous)：
1.Step & shoot：
gantry的移動是不連續的，所收集的資料是先前預設停留角度的資料，所停留的時間是預設角度所要求的停留時間。
每一張frame 的時間最少為2秒。
2.Continuous：
gantry 的移動是連續的，資料的收集隨著gantry角度旋轉而累積收集不間斷。例如，若角度的設定是6度為一張 (frame)，則0度~6度的counts數全部收集，這是與step & shoot不同的地方。每一張(frame)的時間選定其公式可為下：
6 × Frame Time
Angular Step
3.二者的差別：
Continuous優於Step & shoot的地方就在其全部counts數收集的完整性。但一邊掃描一邊收集影像較易造成模糊的影像，不如step & shoot的定點停留而收集資料。故在影像的清晰度而言，以選擇step & shoot為主。再則，continuous 只能設定30分鐘，若是須要更長時間的掃描，只能選用 step & shoot。再來，step & shoot 的優點是每個Frame所用的時間具有更多的重複性(Reproducibility)。
a. 掃描半徑
由於準直儀的解像力隨著距離的增大而迅速下降，故掃描半徑以能夠愈貼近標的器官，就愈能獲得清晰之解像力。在SPECT 掃描中，如頭部、肺臟、肝臟、股骨的斷層影像掃描，可利用"Body Contour"的方法，使掃描器能在每個移動的角度都儘量貼近著標的掃描物。
b.圓形掃描軌道與橢圓形掃描軌道的選擇 :
人體立體切面為橢圓形 (Elliptical) 而非圓形 (circular) ，故斷層掃描若以橢圓形為其掃描軌跡，當更能使偵測器貼近身體，而獲得更清楚的影像。而圓形軌道掃描有些部份的掃描受制於身體的曲線；如頭部掃描要顧及頸部、肩部的較寬闊、肝臟掃描要注意到骨盆腔大小。故在影像收集及解晰度而言，圓形軌道皆不如橢圓形軌道。
c.收集速率的選擇 (Acquisition Rate)：
以下列為其準則：
1. 快速 (Fast)：500k/sec
2. 中等 (Medium)：250k/sec
3. 正常 (Norm)：80k/sec
d.Byte/Word的選擇：
1. Byte：
以8位元(bit)記憶體而言，每個pixel 最多可收集255counts數。當超255 counts數時，便不再進一步收集，也就是達到最大指定的counts數時，資料的收集便停止。
2. Words：
每個pixel被設計成二個byte，也就是相當於16位元的記憶體。每個pixel可收集達65535 counts，故在影像資料的獲取與處理，都必須將words的程式轉換成Byte的型式( Word To Byte Framing )。這也味著word佔的記憶空間或螢幕畫面，是Byte 的二倍。例如，以肝臟Tc-99m-phytate掃描而言，常常會有overflow的情形發生。以360度繞著病人，3度為一收集對象，其結果應是120張，但若我們word mode，則會有240個Frame。就是因為用了word的型式。也就是多了二倍的佔用空間。而在程式處理前，用Normal的指令，將其由Word轉至Byte，則Byte的120個frame才是我們真正所要收集的。若有任一個frame overflow 現象時必需選用word mode。
e.環繞角度的選擇：
360度的環繞可適用於腦部、肺臟、肝臟。半圓周(180度)可適用於心臟掃描。而一些特殊的部位，如Hip，可選用192度的環繞而以6度為一收集間隔。
f.準直儀的選擇 (collimator)：
SPECT的掃描，適用於高解像力 (High Resolution ) 的準直儀。因為在 SPECT掃描若距離過遠，會使FWHM之值變寬。
影像的處理故為了要有合理可接受的解像力，必須要犧牲掉機器的敏感度。故general purpose 的準直儀，一般可適用於TL-201心臟掃描。肝臟、骨骼掃描等用Tc-99m為Radiotracer者，則以low energy high resolution 的準直儀，而扇形準直儀 (Fanbeam Collimator )可適用於腦部HMPAO的掃描。
B.(Procession)：
SPECT 的影像處理第一步是影像的正常化 (normalization)，最好在影像攝取完後馬上執行。
a.Normalization的功用，在於校正掃描過程中影響重組影像的因素。
這些因素有射源的來源沒有齊一性(non-uniformity )，旋轉中心的移位，gantry轉動速率的變動，甚至於掃描過程中放射藥物的流動與衰變。要利用Normalization，則必須要有均質化的PM tube，正確的旋轉中心及建立一Sensitivity Map。於影像正常化後，欲取得重組的切面影像則有下列三步驟可循:
1.影像的重組 (Reconstruction)：
主要是建立橫切面影像的上下限，也就是將標的器官圍在我們想要圈選的界限內，切成transaxial 影像，並且選取橫切面影像的放大倍數(zoom)、切片厚度 (thickness) 及旋轉角度。
2.消減作用的校正 (Attenuation Correction)：
光子由標的器官內發出會有衰減的情形發生，故消減的修正是針對一個一個的像素使標的器官外的能量修正為零，而標的器官的內容物是能量投射後的平均值。
3.冠狀切、矢狀切及斜切 (CSO)：
完成上述兩個動作後，再從橫軸切面 (transaxial slice) 選取冠切 (coronal)、矢狀切 (sagittal)及斜切 (oblique) 等影像。
b.SPECT 操作的最終成果是3-D。
SPECT影像重組成的立體影像有二種，即所謂的3D。共有二種型式：Shaded Surface and Volume Rendering。
二種3D影像的特性：
1.Shaded Surface：所呈現的影像明暗醒目，是一種透過Transaxial Section所做出的3D立體影像。
2.Volume Rendering：以透視 (transparent) 的效果 來表達三度空間影像。
為什麼要做3-D立體影像：
在於解決平面影像的限制性，使3D立體影像在電腦螢幕上呈現的一種特殊的立體效果，能夠在螢幕上做出Cine的效果，即有一立體以中心軸自轉360度的影像，一般以Shaded Surface 及Volume Rendering二種方式所獲得的影像來表現。
影像的品質管制：
SPECT 掃描影像欲求清晰完美，就必須有一套完整且常規性的品質管制，不像平面影像，SPECT掃描有其較嚴謹的一面，平面影像的缺失若轉換到 SPECT 影像的重組，會有擴大的效果，此種品質管制，目的就是減少掃描過程中的干擾因素，以免造成影像來源的錯誤，及假影的形成。
A.假影 (Artifacts) 的成因：
a.病人的移動及不正確的病人掃描位置。
b.偵測頭未處於水平位置 ( Level )。
c.程式條件選擇的不恰當，會形成重組影像的假影。
d.非齊一性 ( Non-uniformity ) 的伽瑪攝影機於影像重組時會形成所謂的 "bull's eye〞假影：這是一種同心圓的假影，假影愈接近旋轉中心對影像品質影響愈大。
e.旋轉中心的偏離，即使是小小的旋轉中心移位，也會使影像重組時假影因子的放大。
f.影像重組條件的不當選擇：如濾波器的選擇太過均勻 ( Too Smooth )，會使影像模糊，太過敏銳 ( Too Sharp )，會使影像雜訊效果放大。
g.影像收集的 counts 數不足，會使雜訊效果壓過正確的 counts 數，形成假影。
B.欲減少 SPECT 掃描的錯誤來源，我們就要執行以下的工作：uniformity及旋轉中心的校正。
a.Uniformity：包含下列工作程序：
1.能量直線敏感度校正
如 Co-57 的能量尖峰在122KeV，Tl-201的能量尖峰在170 及68 KeV，I-131的能量尖峰在364 KeV，Ga-67 的能量尖峰在 93, 184, 296KeV，Tc-99m的能量尖峰在 140KeV。
2.儀器的自動化系統校正 ( Autocalibration )：
確保偵測探頭的穩定性，調整內部所有光電放大管 ( PM tube ) 使其每支都在一定的標準偏差範圍內。如 APEX- ELSCINT 內有95根PM tube，若任何一支不在偏差範圍內，會有嚴重的假影產生。
3.S.S.T ( System Self-Test )：
包括診斷軟體的修正，儀器內部機械因子錯誤的校正。
4.P.H.A. 的校正 ( Pulse-Height-Analysis )：
確定所收集的能量尖峰與儀器所設定的能量能完全契合。
5.儀器的水平校正：
於每日早上開機後，做一次儀器的水平校正確定探頭處於水平狀態。
6.對於每一張影像所收集時間的校正 ( Time Per-Frame Correction )：
機械式的旋轉軌道架若因旋轉速率不定，會造成每張影像收集時間的不一，造成影像的模糊。
7.Sensitivity Map 的建立：
主要是用於 SPECT 掃描影像的正常化 ( Normalization ) ，以修正SPECT raw data 的不齊一性 ( Non-uniformity )，這是做儀器品管的齊一性較複雜且重要的一個步驟，建立一個sensitivity Map 的程序如下：
檢查電腦內的同位素記錄是否存在
一、List Isotope Record：LISO
如 Isotope peak 能量( KeV)
Tl-201 2 68, 170
Tc-99m 1 140
Ga-67 3 93, 184, 296
二、 Flood Acquisition 的建立：
利用 static 的指令，收集一個 Co-57 的平面均質影像Total count至少要為120000 counts，而Co-57 的 count rate須在每秒15-25 counts間。
三、 Creating a sensitivity table：
是建立 Sensitivity Map 的最後步驟，可修正影像的不均質性，將原先出現在影像上的缺失除去，如最大能窗、最低能窗的收集界限，影像邊緣的雜訊的去除百分比。
b.旋轉中心的校正 ( Center of Rotation : C.O.R.)：
於正常狀況下，加瑪照相機的中心線與偵測頭旋轉軌道架 ( gantry ) 的機械軸中心是相互交錯且垂直的，在做掃描前一定要確立我們所獲得的影像處在此種維持旋轉中心於一定定位的狀況下，才是真正良好品質的影像，否則先使旋轉中心回歸於定點。若為多探頭掃描機，要注意兩個頭的中心點要成一直線 ( Alignment of C.O.R.)。
旋轉中心的校正程序如下：
1.準備一點射源，其 energy count rate 在 1~2 counts。
2.使射源置於偵測探頭下，讓偵測探頭繞其做360度的旋轉，要注意的是點射源確實放於中央位置。
3.待做完360度的旋轉後，利用電腦內部的程式，可知其是否偏離 X,Y 軸，再做旋轉中心的回歸校正。
C.影像品管的常規工作：
a.每日要操作下列步驟：
1. S.S.T.
2. Autocalibration
3. P.H.A.
4. Flood Uniformity
以靜態條件攝取影像，收集的 counts 數最少要6000 取得的影像再交由電腦計算其不均勻度不能高於 5%，若有大的缺洞，必須檢修，或重新再做Sensitivity Map。
b.每週：
1. 做旋轉中心的定位 COR ( Center of Rotation )。
2. 用圓柱形的假體，做SPECT，假體內裝均勻的Tc-99m，Total Counts (500~1000 kc/slice)，以liver 的條件進行掃描，可檢測儀器的不均勻度及重組影像可能出現的假影，若有假影出現，則要做高 counts 數的 Sensitivity Map。
c.每兩週：
做一個新的Sensitivity Map，counts 數至少要收集500萬。而矩陣的大小定為256 ×256。
d.每四週：
用圓柱形假體做360度的掃描。矩陣大小選擇128 x 128，以每2度為一個收集張數，射源強度最好是10 Kc/sec，每四週做一次，每一次均要在相同的條件下，如相同的準直儀，相同的高counts 數，相同的旋轉速率，相同的矩陣大小及旋轉半徑。而後，每四星期比較結果一次。
SPECT的未來展望：
A.增加靈敏度準直儀 ( Collimator ) 的陸續發展，如Fan beam、Cone beam及Astigmatic collimator等準直儀。此等準直儀會使得核醫造影上常出現的假影現象得到改善。
B.運用511KeV的Collimator，或使準直儀在沒有線路設計的限制上，使用同步計數的技術( Coincidence counting )，使SPECT也能展現PET的功能。
C.改良偵測探頭傳統材料NaI(Tl) 的設計，增設敏感度較大的光電放大管，提高能譜的解析力，減少散射效應所造成的雜訊。
D.增強電腦處理能力，使影像重建過程中更加快速與正確。
E.增加電腦程式的靈活度，使SPECT除了能以三度空間立體影像表達實物外，更能以各種的曲線表達器官的量化關係，使得疾病得以數據化表達。
F. 研發新的放射性藥劑，使SPECT成為診斷疾病上最有經濟效應的工具，提昇醫療品質。