PET/CT圖像融合精度測(cè)試體模與測(cè)試方法研究

余曉鍔,蔡凡偉,何興華,歐陽(yáng)習(xí)

（1.南方醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510515；2.廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院，廣東 廣州 510010）

PET/CT圖像融合精度測(cè)試體模與測(cè)試方法研究

余曉鍔1,蔡凡偉1,何興華2,歐陽(yáng)習(xí)2

（1.南方醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510515；2.廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院，廣東 廣州 510010）

通過(guò)自主研制的體模，測(cè)試PET/CT圖像融合精度，并驗(yàn)證體模的可行性和有效性。采集PET/CT融合圖像數(shù)據(jù)，利用IDL和Matlab軟件測(cè)量圓柱棒及試管在PET、CT圖像中的坐標(biāo)值，兩坐標(biāo)值的差值即為圖像融合精度。自制體模通過(guò)模擬熱區(qū)和冷區(qū)，可以準(zhǔn)確、快速地測(cè)量PET/CT圖像融合精度，該體?？蓪?duì)日常質(zhì)量控制項(xiàng)目的體模進(jìn)行測(cè)試。

PET/CT；圖像融合；精度測(cè)試；體模設(shè)計(jì)

0 引 言

PET/CT融合圖像已經(jīng)在疾病的診斷、鑒別診斷和放射治療等臨床實(shí)踐中取得了顯著的應(yīng)用價(jià)值。然而，由于PET空間分辨率比CT差、PET與CT圖像采集速度不一致及其他一些原因如呼吸、心臟搏動(dòng)、腸胃蠕動(dòng)等，會(huì)導(dǎo)致兩者圖像融合欠精確，可能會(huì)出現(xiàn)局部區(qū)域校正過(guò)度和FDG假陽(yáng)性的結(jié)果[1]。因此，如何準(zhǔn)確測(cè)量和評(píng)價(jià)PET/CT圖像融合精確度已經(jīng)成為PET/CT質(zhì)量保證中一項(xiàng)重要的內(nèi)容。目前單獨(dú)的PET和CT性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際和國(guó)內(nèi)都有發(fā)布相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，但針對(duì)PET/CT圖像融合精度的測(cè)試方法所做的研究不多。國(guó)內(nèi)外分別有學(xué)者介紹了應(yīng)用改進(jìn)的ACR CT認(rèn)證體模Gammex 464和NEMA2001標(biāo)準(zhǔn)中空間分辨率模型[2]來(lái)測(cè)量PET/CT圖像融合精度的方法。本文主要是采用自主研制的圖像融合精度測(cè)試體模，并通過(guò)編程來(lái)完成測(cè)試方法，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 設(shè)計(jì)與方法

1.1 備檢設(shè)備

德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)，PET/CT機(jī)器型號(hào)為BIOGRAHY 16，含16排螺旋CT。其中，PET探測(cè)器晶

體為硅酸镥（LSO），軸向視野（Axial FOV）達(dá)到18cm，時(shí)間符合窗為4.5ns。

1.2 測(cè)試體模

自制測(cè)試體模，測(cè)試體模三維視圖如圖1所示，體模長(zhǎng)度為258mm，上下底的半徑為90 mm。體模的基本結(jié)構(gòu)包含4根半徑各不相同的圓柱棒、1個(gè)固定片層和3個(gè)空心的同半徑同體積的試管，其具體參數(shù)詳見(jiàn)表1。另外，固定片層用來(lái)放置3個(gè)試管，位于距離上蓋50mm處。體模的材料是由聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）構(gòu)成。

圖1 自制體模的三維圖像

表1 圓柱棒及試管的參數(shù)

1.3 檢測(cè)方法

把測(cè)試體模注滿純凈水，然后注入1mci的18F-FDG溶液作為本底溶液；3個(gè)空心試管分別注入高于本底溶液2倍、4倍、8倍的18F-FDG溶液，作為測(cè)試熱區(qū)。灌注好溶液，靜置體模40min后，將其放置在掃描床上，盡量確保測(cè)試體模的中心軸與PET/CT的中心軸重合。并且要確保在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，體模的位置保持一致。

使用臨床上常用的兩種掃描條件進(jìn)行掃描，兩種掃描參數(shù)詳見(jiàn)表2。先進(jìn)行CT掃描，再進(jìn)行PET掃描，分別得到CT圖像、PET圖像及兩者融合圖像。其中，使用體部掃描條件所獲得的CT圖像和PET圖像分別有70幅，而使用腦部掃描條件所獲得的CT圖像和PET圖像分別有33幅。

表2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所使用的兩個(gè)不同掃描條件的具體參數(shù)

1.4 數(shù)據(jù)處理

圖2 PET/CT圖像融合結(jié)果

將采集得到的PET和CT圖像數(shù)據(jù)傳到PETviewer工作站，進(jìn)行PET/CT圖像融合。融合結(jié)果如圖2所示，目測(cè)觀察PET/CT圖像融合效果：作為測(cè)試?yán)鋮^(qū)的4根圓柱棒融合效果較好，未見(jiàn)明顯誤差；作為測(cè)試熱區(qū)的3個(gè)試管可見(jiàn)部分融合誤差：中心位置的

試管融合效果較好，未見(jiàn)明顯誤差；其他兩個(gè)試管融合效果稍差，可見(jiàn)部分融合誤差。為了更加準(zhǔn)確地分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本研究采用（interactive data language，IDL）和Matlab兩種軟件對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，利用IDL測(cè)量PET圖像中不同位置的4根圓柱棒和3個(gè)試管的中心位置X軸坐標(biāo)值與Y軸坐標(biāo)值[3-4]；利用Matlab測(cè)量CT圖像中不同位置的4根圓柱棒和3個(gè)試管的中心位置X軸坐標(biāo)值與Y軸坐標(biāo)值。以CT圖像為參考值，兩者坐標(biāo)值的差值，即融合精度，用mm表示（實(shí)驗(yàn)所得的差值為像素值大小，需要乘以像素大小才能轉(zhuǎn)化為毫米單位）。圖像融合精度的測(cè)量數(shù)據(jù)用X/Ysd表示。此外，為了準(zhǔn)確對(duì)比物體的中心坐標(biāo)，PET圖像和CT圖像必須大小一樣。由于PET FOV（field of view）大于CT FOV，因此需要對(duì)PET圖像進(jìn)行裁剪以確保兩者具有相同的矩陣大小。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分別用體部和腦部掃描條件所獲得結(jié)果參見(jiàn)表3和表4。

表3 用體部掃描條件，所獲得的圖像融合誤差值

表4 用腦部掃描條件，所獲得的圖像融合誤差值

由于4根圓柱棒在PET/CT視野內(nèi)所處的位置不同，因此它們X軸、Y軸的融合誤差值也不相同。距離體模橫斷面中心越近，其融合誤差值更小。其中直徑為13 mm的圓柱棒融合誤差值最小：X=0.54± 0.45；Y=0.46±0.24。這是由于在通常情況下PET圖像的空間分辨率在圖像中心處達(dá)到最優(yōu)，越靠近邊緣，圖像分辨率就越差。所以，圖像融合精度一般在橫斷面方向中心處最好，隨著徑向距離的變化會(huì)變得越來(lái)越差。相同的結(jié)論也可以在作為熱區(qū)試管的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中觀察得到：位于中心位置的試管圖像融合效果較好，X軸、Y軸融合誤差值基本都在1mm以內(nèi)，而邊緣的兩個(gè)試管X軸、Y軸的融合誤差值都偏大，最大誤差值達(dá)到了2.68±0.75mm。

表4呈現(xiàn)的結(jié)果和表3相似。結(jié)果表明：作為冷區(qū)的4根圓柱棒及作為熱區(qū)的3個(gè)試管PET/CT圖像融合都存在誤差，其中，X軸最大融合誤差值可以達(dá)到X=3.62±1.12 mm；Y軸最大融合誤差值也達(dá)到Y(jié)=2.60±0.93mm。

使用兩種掃描條件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均在廠家標(biāo)稱值范圍內(nèi)，該體模能夠有效地測(cè)量PET/CT圖像融合精度。有學(xué)者利用廠家自帶的體模在掃描床未負(fù)重的條件下測(cè)量圖像融合精度的最大誤差值為3.96± 0.26mm[4]，本研究的測(cè)試結(jié)果與該實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似。

圖像融合的誤差值與PET/CT本身成像系統(tǒng)軟件和硬件有著密切的關(guān)系。然而在臨床應(yīng)用的實(shí)際情況里，一般更關(guān)注放射性熱區(qū)所處位置的融合精度。因?yàn)榇蟛糠值陌┳兘M織，相對(duì)于周圍正常組織，都存在放射性核素吸收驟增的情況。

3 討 論

通過(guò)比較不同掃描條件所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出結(jié)論：采用不同的掃描條件，所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)也是有細(xì)微差別的。這是因?yàn)椴捎貌煌膾呙钘l件所獲得的CT圖像和PET圖像質(zhì)量及圖像分辨率也不同。圖像分辨率越好，中心定位就越精確，融合誤差值就越小。采用不同掃描條件，可以探討不同的掃描條件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。而且由于圓柱棒及試管在掃描視野內(nèi)所處的位置不同，所呈現(xiàn)出來(lái)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也不完全相同。距離橫斷面中心越近的圓柱棒及試管，融合誤差值就越小。并且，3個(gè)作為測(cè)試熱區(qū)的試管直徑相同，目前還不清楚減小試管的直徑會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有什么影響。

測(cè)試時(shí)的掃描床僅放置測(cè)試體模，未考慮正?；颊唧w重因素；如果在掃描床負(fù)重條件下，在進(jìn)行不同掃描時(shí)，支撐位置不同，掃描位產(chǎn)生受壓變形也就不同，則可使相應(yīng)的圖像融合精度變差。因此，實(shí)際臨床使用中要考慮診斷床負(fù)重變形情況和可能的軟硬件校正方法[5-6]。

與使用廠家提供的含22Na放射源的融合精度測(cè)量體模比較，廠家的測(cè)試源為圓柱體，在CT下成像為圓柱體，在PET下成像為球形，成像后很難精確確定中心坐標(biāo)位置；使用自制的體模測(cè)量，模擬熱區(qū)和冷區(qū)，且所得圖像形狀規(guī)則，為后續(xù)計(jì)算提供了比較高的精度，減小了測(cè)量誤差值。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)測(cè)試PET/CT圖像融合精度，分析圖像融合誤差的來(lái)源和程度，可以有效地指導(dǎo)PET/CT機(jī)器的驗(yàn)收、校正、故障檢測(cè)和維修等工作。CT和PET掃描速度的不一致，使得PET/CT圖像普遍存在難以解決柔性組織、器官生理性活動(dòng)和呼吸運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的明顯誤差等缺陷。因此，將PET/CT融合圖像用于臨床精確放療計(jì)劃的工具有較大的差距。影響PET/CT圖像融合精度的因素，除了患者生理性運(yùn)動(dòng)因素外，還包括了PET和CT本身系統(tǒng)的穩(wěn)定性、CT和PET圖像采集時(shí)檢查床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度和穩(wěn)定性，以及CT和PET其他電子學(xué)線路性能的穩(wěn)定性等物理學(xué)因素[7-8]。

本研究采用自制體模測(cè)量PET/CT圖像融合精度，體模模擬了冷區(qū)和熱區(qū)，能有效測(cè)量圖像融合精度。該體?？蓪?duì)日常質(zhì)量控制項(xiàng)目的體模進(jìn)行測(cè)試。而且，本研究采用IDL和Matlab兩種圖像處理軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。其中，確定PET圖像中心采用IDL內(nèi)置profile函數(shù)，屬于手動(dòng)處理范疇。實(shí)驗(yàn)結(jié)果依賴于用戶選擇用于繪制剖面線的點(diǎn)的能力，所以受用戶主觀的影響。未來(lái)的研究?jī)?nèi)容致力于能否利用其他更精確、更智能化的方法來(lái)確定PET圖像中心，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果精度。

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Research on PET/CT alignment phantom and testing method

YU Xiao-e1，CAI Fan-wei1，HE Xing-hua2，OUYANG Xi2
（1.Department of Biomedical Engineering，Southern Medical University，Guangzhou 510515，China；2.General Hospital of Guangzhou Military Region，Guangzhou 510010，China）

This article is proposed to design and develop a PET/CT alignment phantom which can measure the PET/CT image fusion accuracy and verity its feasibility and effectiveness.IDL and Matlab were used to calculate the errors of cylindrical rods and tubes in the PET and CT images. The phantom simulates the hot and the cold regions，and the image fusion accuracy could be measured accurately and quickly.The self-made phantom should provide the mostreliable measurement of alignment error with the analysis，and it can also be used as a routine PET/CT performance quality control testing.

PET/CT；image fusion；accuracy measurement；phantom design

R814.42；R194.2；R445；TP751

：A

：1674-5124（2014)03-0013-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.03.004

2013-10-18；

：2013-12-26

廣州市行業(yè)工程中心建設(shè)項(xiàng)目（穗科信條[2010]13-1）軍事醫(yī)學(xué)計(jì)量科研專項(xiàng)課題（2011-JL2-019）

余曉鍔（1968-），女，湖北麻城市人，教授，博士，研究方向?yàn)榇笮歪t(yī)療設(shè)備質(zhì)量控制。