董 碩 李 東 吳天棋 莊靜文 謝 峰 白 玫*

一體化PET-MR設(shè)備是將正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像(positron-emission tomography，PET)的分子成像功能與磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)卓越的軟組織對(duì)比功能結(jié)合起來(lái)的一種新技術(shù)，可以同步進(jìn)行PET和MR掃描，是一種集結(jié)構(gòu)成像、功能成像和分子成像功能于一體的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備[1-2]。因此，在基礎(chǔ)研究和臨床診斷方面都吸引了越來(lái)越多的關(guān)注。作為目前最先進(jìn)的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)之一，一體化PET-MR的圖像質(zhì)量也成為醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。近年來(lái)，人們提出了多種能提高PET圖像質(zhì)量的重建算法，其中，飛行時(shí)間(time of flight，TOF)技術(shù)和點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)(point spread function，PSF)表現(xiàn)優(yōu)異[3-4]。

TOF算法最早提出于20世紀(jì)80年代，但是直到近年來(lái)該算法才逐漸應(yīng)用于臨床[5-7]。通過(guò)TOF算法可以直接確定正電子符合事件發(fā)生的位置，在采用TOF技術(shù)的PET中，每一個(gè)被檢測(cè)到的光子都會(huì)標(biāo)記其探測(cè)時(shí)間(或稱(chēng)到達(dá)時(shí)間)，如果2個(gè)光子的探測(cè)時(shí)間之差小于設(shè)定的符合窗，那么這2個(gè)光子就會(huì)被認(rèn)為是與同一個(gè)湮滅事件相關(guān)[10]。該探測(cè)時(shí)間之間的差值，稱(chēng)為飛行時(shí)間差，取決于湮滅事件在響應(yīng)線(xiàn)(line of response，LOR)上的位置[10]。利用TOF技術(shù)重建的PET圖像與其他方法重建的圖像相比，噪聲更低，對(duì)比度更高[10-11]。

基于PSF的PET圖像重建迭代算法能夠顯著提高圖像的分辨率[12-13]。通常在PET設(shè)備制造過(guò)程中，利用點(diǎn)源來(lái)測(cè)量視野(field of view，F(xiàn)OV)中的PSF，用以補(bǔ)償幾何失真。基于測(cè)試所得的PSF，重建算法能夠有效的定位響應(yīng)線(xiàn)的實(shí)際幾何位置，從而提高PET圖像的空間分辨率和信噪比(signal noise ratio，SNR)[3，14]。

在一體化PET-MR設(shè)備中，其PET成像的環(huán)境比PET和PET-CT更復(fù)雜，因此TOF和PSF重建技術(shù)在一體化PET-MR中的表現(xiàn)需要進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估?；诖耍狙芯恳罁?jù)美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì)(National Electrical Manufacturers Association，NEMA)NU 2-2007標(biāo)準(zhǔn)[15]，使用國(guó)際電工委員會(huì)(International Electro technical Commission，IEC)61675-1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的PET圖像質(zhì)量體模，對(duì)一體化PET-MR設(shè)備中TOF和PSF技術(shù)對(duì)PET圖像質(zhì)量的影響進(jìn)行研究。

1 材料與方法

1.1 一體化PET-MR系統(tǒng)

本研究所有的測(cè)試均在GE SIGNA PET-MR(美國(guó)通用電氣)及配套AW4.6工作站上完成。SIGNA PET-MR系統(tǒng)融合了3.0T磁共振技術(shù)和磁共振兼容的數(shù)字硅光電倍增管(SiPM)探測(cè)器技術(shù)，能夠同步獲取PET和MR數(shù)據(jù)[16]。其時(shí)間分辨率＜400 ps、軸向視野25 cm、靈敏度21 cps/kBq[16]。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 體模準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)研究使用IEC 61675-1標(biāo)準(zhǔn)PET圖像質(zhì)量體模，體模內(nèi)嵌直徑分別為10 mm、13 mm、17 mm、22 mm、28 mm和37 mm的6個(gè)小球，其中直徑為10 mm、13 mm、17 mm和22 mm的小球?yàn)闊釁^(qū)，即實(shí)驗(yàn)時(shí)需注入高活度濃度(activity concentration)的放射性藥物以模仿病灶；直徑為28 mm和37 mm的小球?yàn)槔鋮^(qū)，實(shí)驗(yàn)時(shí)不注入放射性藥物[17]。實(shí)驗(yàn)使用水和總活度為1.53×108Bq(4.14 mCi)的18F-氟代脫氧葡萄糖(18F-Fluoro dexyglucose，18F-FDG)充填體模，熱區(qū)與背景區(qū)域的活度濃度比為4∶1。充填完成后充分搖勻，靜置260 min。掃描開(kāi)始時(shí)，4個(gè)熱區(qū)的活度濃度為1.18×104Bq/ml(0.32 μCi/cc)。實(shí)驗(yàn)所用圖像質(zhì)量體模如圖1所示。

圖1 IEC 61675-1標(biāo)準(zhǔn)PET圖像質(zhì)量體模示圖

1.2.2 掃描與圖像重建方法

(1)掃描條件。將體模定位于PET-MR掃描野中心，采用全身掃描模式，采集時(shí)間為11 min。

(2)圖像重建條件。迭代算法采用有序子集最大期望值法(ordered subsets expectation maximization，OSEM)，迭代次數(shù)3次，子集28個(gè)，重建矩陣192×192像素，像素大小0.26 cm×0.26 cm，采用基于磁共振的衰減校正(magnetic resonance based attenuation correction，MRAC)，并選擇胸部模板進(jìn)行MRAC。

(3)圖像重建算法。為了研究TOF和PSF技術(shù)對(duì)PET圖像質(zhì)量的影響，分別采用TOF+PSF(聯(lián)合使用)、non-TOF+PSF(單獨(dú)使用PSF技術(shù))、TOF+non-PSF(單獨(dú)使用TOF技術(shù))和non-TOF+non-PSF(兩種技術(shù)均不使用)的4種方法重建PET圖像。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析與處理方法

(1)根據(jù)NEMA NU 2-2007標(biāo)準(zhǔn)，在重建圖像中選取冷區(qū)及熱區(qū)小球球心共面的層以及Z軸上距該層±1 cm和±2 cm的層，分別讀取冷區(qū)、熱區(qū)和背景區(qū)域感興趣區(qū)(region of interest，ROI)的平均計(jì)數(shù)[15]。冷區(qū)和熱區(qū)ROI應(yīng)該選取在小球范圍內(nèi)，ROI的直徑應(yīng)盡可能接近小球的物理內(nèi)徑[15]。每個(gè)背景區(qū)域ROI的計(jì)數(shù)記作Rs，i，j，其中s為層號(hào)(-2～+2)；i為每層中選取的ROI的編號(hào)，每層12個(gè)；j為背景區(qū)域ROI直徑的編號(hào)(1～6)，分別代表與6個(gè)小球直徑(10 mm、13 mm、17 mm、22 mm、28 mm和37 mm)相對(duì)應(yīng)的背景區(qū)域ROI，參照NEMA NU 2-2007標(biāo)準(zhǔn)選取背景區(qū)域ROI(如圖2所示)[15]。

圖2 選取的背景區(qū)域ROI示圖

對(duì)于每個(gè)直徑編號(hào)j，在5層圖像上共有60個(gè)背景區(qū)域ROI。背景區(qū)域ROI的平均計(jì)數(shù)的計(jì)算為公式1[17]：

(2)熱區(qū)和冷區(qū)的對(duì)比度。熱區(qū)對(duì)比度QH,j計(jì)算為公式2[15]：

式中CH,j為熱區(qū)j的平均計(jì)數(shù)；CB,j為與熱區(qū)j等直徑的60個(gè)背景區(qū)域ROI的平均計(jì)數(shù)；aH為熱區(qū)的活度濃度；aB為背景區(qū)域的活度濃度。本實(shí)驗(yàn)中aH/aB=4。

冷區(qū)對(duì)比度QC，j計(jì)算為公式3[15]：

式中CC,j為冷區(qū)j的平均計(jì)數(shù)；CB,j為與冷區(qū)j等直徑的60個(gè)背景區(qū)域ROI的平均計(jì)數(shù)。

(3)背景變化率。背景變化率Nj計(jì)算為公式4[15]：

式中SDj為背景區(qū)域ROI計(jì)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算根據(jù)公式5[15]：

式中CB,j,k為每一個(gè)直徑編號(hào)為j的背景區(qū)域ROI的計(jì)數(shù)；K為直徑編號(hào)為j的背景區(qū)域ROI的總數(shù)量，K=60。

(4)熱區(qū)SNR。熱區(qū)SNR計(jì)算為公式6[18]：

2 結(jié)果

2.1 冷區(qū)和熱區(qū)的對(duì)比度

以non-TOF+non-PSF算法重建圖像為參照，在其他重建條件均相同的情況下，單獨(dú)使用PSF技術(shù)、單獨(dú)使用TOF技術(shù)和聯(lián)合使用TOF+PSF技術(shù)重建圖像的平均熱區(qū)對(duì)比度分別提高了7.61%、20.94%和40.17%；單獨(dú)使用TOF技術(shù)的圖像平均冷區(qū)對(duì)比度提高了11.29%，聯(lián)合使用TOF+PSF技術(shù)的圖像平均冷區(qū)對(duì)比度提高了12.32%(如圖3所示)。

圖3 不同算法重建圖像的冷區(qū)及熱區(qū)平均對(duì)比度與背景變化率示圖

在不同算法重建的圖像上，不同直徑ROI對(duì)應(yīng)的冷熱區(qū)對(duì)比度及平均熱區(qū)對(duì)比度和平均冷區(qū)對(duì)比度見(jiàn)表1。

2.2 背景變化率

以non-TOF+non-PSF算法重建圖像為參照，在其他重建條件均相同的情況下，單獨(dú)使用PSF技術(shù)、單獨(dú)使用TOF技術(shù)和聯(lián)合使用TOF+PSF技術(shù)重建圖像的平均背景變化率(Nmean)分別降低了2.28%、21.44%和30.03%，如圖3的綠色趨勢(shì)線(xiàn)所示。

在不同算法重建的圖像上，不同直徑ROI的背景變化率及其平均值見(jiàn)表2。

2.3 熱區(qū)信噪比

以non-TOF+non-PSF算法重建圖像為參照，在其他重建條件均相同的情況下，單獨(dú)使用PSF技術(shù)、單獨(dú)使用TOF技術(shù)和聯(lián)合使用TOF+PSF技術(shù)重建圖像的平均熱區(qū)信噪比分別提高了11.52%、44.28%和92.70%，如圖4所示。

在不同算法重建的圖像上，不同直徑熱區(qū)的信噪比及其平均值見(jiàn)表3。

表1 不同算法重建圖像上不同直徑熱區(qū)和冷區(qū)的對(duì)比度(%)

表2 不同算法重建圖像上不同直徑ROI的背景變化率(%)

表3 不同算法重建圖像上不同直徑熱區(qū)的信噪比

圖4 不同算法重建圖像的熱區(qū)平均SNR示圖

3 討論

3.1 PSF技術(shù)對(duì)PET圖像質(zhì)量的影響

表1和圖3顯示，PSF技術(shù)能夠提高熱區(qū)對(duì)比度，但是，在單獨(dú)使用PSF技術(shù)時(shí)，冷區(qū)對(duì)比度會(huì)略有下降，造成這一現(xiàn)象的原因仍然需要進(jìn)一步研究來(lái)加以明確。表2和圖3顯示，由于ROI的大小會(huì)影響其計(jì)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，因此大尺寸ROI的背景變化率通常低于小尺寸ROI。單獨(dú)使用PSF技術(shù)能夠降低背景變化率，并且這一優(yōu)化作用在小尺寸ROI區(qū)域會(huì)更明顯，這可能是由于PSF技術(shù)能夠顯著提高PET空間分辨率所致[13，20-21]。表3和圖4顯示，PSF技術(shù)同樣能夠提高熱區(qū)SNR。總體而言，PSF技術(shù)能夠提高熱區(qū)對(duì)比度和SNR，同時(shí)降低背景變化率。

3.2 TOF技術(shù)對(duì)PET圖像質(zhì)量的影響

表1和圖3顯示，TOF技術(shù)能夠顯著提高冷區(qū)和熱區(qū)的對(duì)比度，并且其對(duì)于小尺寸熱區(qū)的對(duì)比度提高作用更為明顯。而表2和圖3顯示，單獨(dú)使用TOF技術(shù)能夠降低背景變化率；對(duì)于小尺寸ROI，單獨(dú)使用TOF技術(shù)或者PSF技術(shù)，對(duì)其背景變化率的優(yōu)化作用大體相當(dāng)；對(duì)于大尺寸ROI，單獨(dú)使用TOF技術(shù)對(duì)其背景變化率的降低，要優(yōu)于單獨(dú)使用PSF技術(shù)。表3和圖4顯示，TOF技術(shù)對(duì)熱區(qū)SNR的提升作用優(yōu)于PSF技術(shù)?？傮w而言，TOF技術(shù)能夠提高冷區(qū)和熱區(qū)對(duì)比度，提高SNR，同時(shí)降低背景變化率。

3.3 聯(lián)合使用TOF和PSF技術(shù)對(duì)PET圖像質(zhì)量的影響

聯(lián)合使用TOF和PSF技術(shù)，對(duì)本實(shí)驗(yàn)考察的圖像質(zhì)量參數(shù)均有優(yōu)化作用。特別是對(duì)于熱區(qū)SNR，兩種技術(shù)聯(lián)合使用的提升效果要遠(yuǎn)優(yōu)于單獨(dú)使用。

4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)研究采用國(guó)際通用的IEC 61675-1標(biāo)準(zhǔn)PET圖像質(zhì)量體模，遵循NEMA NU 2-2007標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理方法，在一體化PET-MR設(shè)備上利用不同算法重建PET圖像，通過(guò)比較圖像對(duì)比度、背景變化率和SNR，發(fā)現(xiàn)TOF技術(shù)和PSF技術(shù)對(duì)圖像質(zhì)量均有提高；如果同時(shí)使用TOF技術(shù)和PSF技術(shù)，則能夠更顯著的提升圖像質(zhì)量，特別是對(duì)于小病灶，聯(lián)合使用TOF技術(shù)和PSF技術(shù)將有助于臨床診斷。

本研究將在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步研究其他可能影響一體化PET-MR設(shè)備圖像質(zhì)量的相關(guān)因素。

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