P E T/C T圖像基于C T衰減校正偽影的實(shí)驗(yàn)研究

陳澤龍，謝康寧，漆家學(xué)，錢根年，趙春雷，陳 杰

P E T/C T圖像基于C T衰減校正偽影的實(shí)驗(yàn)研究

陳澤龍，謝康寧，漆家學(xué)，錢根年，趙春雷，陳 杰

目的：研究不同濃度泛影葡胺溶液在不同CT掃描條件下對(duì)PET/CT圖像質(zhì)量的影響。方法：向5個(gè)乳膠容器中分別注入體積分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%、20%和40%的口服泛影葡胺溶液，依次將其密閉置于圓柱形水模內(nèi)進(jìn)行PET/ CT成像。利用CT掃描數(shù)據(jù)對(duì)PET圖像進(jìn)行衰減校正，并比較不同管電壓CT掃描條件下PET圖像的差異。結(jié)果：體積分?jǐn)?shù)為15%、20%和40%的泛影葡胺充盈區(qū)在經(jīng)CT衰減校正的PET圖像上表現(xiàn)為高濃聚偽影，標(biāo)準(zhǔn)攝取值比本底均有不同程度的升高，而體積分?jǐn)?shù)為5%、10%的泛影葡胺充盈區(qū)則無(wú)明顯偽影，反映了隨著泛影葡胺濃度的升高CT衰減校正偽影隨之增強(qiáng)；對(duì)于體積分?jǐn)?shù)為40%的口服泛影葡胺溶液，隨著CT掃描所使用的管電壓的升高，經(jīng)CT衰減校正的PET圖像上的偽影隨之減弱，標(biāo)準(zhǔn)攝取值降低。結(jié)論：體積分?jǐn)?shù)大于15%的泛影葡胺溶液在PET/CT成像中標(biāo)準(zhǔn)攝取值升高，圖像表現(xiàn)出偽影；PET/CT成像中CT掃描所采用的管電壓越高，高濃度泛影葡胺溶液產(chǎn)生的偽影越弱。

PET/CT；偽影；標(biāo)準(zhǔn)攝取值；圖像質(zhì)量

0 引言

在過(guò)去的10 a里，PET/CT在臨床上得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是FDG-PET/CT在腫瘤的定性、分期、定位及癲癇病灶的定位等方面，為臨床醫(yī)生的正確診斷和治療作出了重要貢獻(xiàn)[1]。PET/CT采用CT的透射掃描數(shù)據(jù)計(jì)算衰減校正系數(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是將整個(gè)檢查時(shí)間縮短了近40%[2]，同時(shí)CT掃描數(shù)據(jù)還可以提供診斷信息，但也存在一定的局限性，尤其對(duì)于體內(nèi)帶有金屬植入物的患者或者是口服高濃度對(duì)比劑的患者，容易在PET/CT圖像上形成偽影，對(duì)醫(yī)生的診斷造成困擾[3]。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)向GEDiscoveryLSPET/ CT校準(zhǔn)用水模內(nèi)置入裝有不同濃度泛影葡胺溶液的橡膠容器并進(jìn)行PET/CT成像，研究不同濃度泛影葡胺溶液在各種CT掃描條件下的圖像表現(xiàn)及SUV值的差異，探討高密度材料對(duì)基于CT衰減校正的PET/CT成像的影響，為正確認(rèn)識(shí)高密度材料植入物在臨床PET/CT顯像中造成的偽影提供依據(jù)，同時(shí)也為PET/CT顯像口服陽(yáng)性對(duì)比劑提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 成像模型的制作

采用GE Discovery LS PET/CT校準(zhǔn)用密封水模（如圖1所示），水模高21 cm，直徑20 cm，容積為5 640 mL。用乳膠材料自制5個(gè)圓柱形容器，直徑約

2.0 cm，通過(guò)水模上靠近側(cè)壁的小孔依次分別置入水模內(nèi)，水模內(nèi)預(yù)先注入約占容積80%的純凈水。往5個(gè)乳膠容器中依次分別注入體積分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%、20%和40%的口服泛影葡胺溶液100 mL，然后將乳膠容器密封，同時(shí)將小孔密封，通過(guò)水模上另一個(gè)小孔往水模中注入活度為1.2 mCi（1 Ci=3.7×1010Bq）的18F-FDG，將水模密封并搖勻，再打開小孔注入純凈水，以排除水模內(nèi)的氣體并再次密封水模。

圖1 GE Discovery LS PET/CT校準(zhǔn)用密封水模

1.2 成像方法

采用我院2003年引進(jìn)的GE Discovery LS PET/ CT掃描儀，將已制作好的密封水模置于檢查床視野中心，水模長(zhǎng)軸與檢查床長(zhǎng)軸平行。首先進(jìn)行常規(guī)CT掃描，管電壓設(shè)置為120kV，管電流設(shè)置為220mA，層厚為5 mm，重建厚度為5 mm，螺距為1.0；常規(guī)CT掃描結(jié)束后進(jìn)入PET采集序列，根據(jù)水模高度設(shè)置為1個(gè)床位、二維方式采集，采集時(shí)間為4 min。之后將管電壓分別設(shè)置為80、100和140 kV，其他參數(shù)不變，再進(jìn)行同樣的PET/CT采集序列掃描，得到4組采集數(shù)據(jù)。分別對(duì)置入裝有不同濃度泛影葡胺溶液乳膠容器的水模進(jìn)行上述同樣參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，共得到20組相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.3 圖像重建及分析

重建方式為有序子集最大期望值迭代法（ordered subsets expectation maximization，OSEM）。對(duì)應(yīng)一定濃度泛影葡胺溶液的水模利用4次CT掃描數(shù)據(jù)分別對(duì)PET采集數(shù)據(jù)進(jìn)行衰減校正，獲得不同CT掃描條件下的衰減校正（attenuation correction，AC）圖像和不帶衰減校正（no attenuation correction，NOAC）圖像；在4組重建圖像中選取水模同一位置橫斷面圖像，在橫斷面圖像同一位置勾畫感興趣區(qū)（region of interest，ROI），測(cè)量并記錄不同CT掃描條件下經(jīng)CT衰減校正的PET圖像ROI的SUV值。選擇120 kV條件下掃描的不同濃度泛影葡胺溶液CT橫斷面圖像并勾畫ROI，記錄各ROI的平均CT值。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS11.0統(tǒng)計(jì)軟件，計(jì)量資料數(shù)據(jù)以x±s表示，多組間比較采用方差分析，CTAC圖像SUV值與泛影葡胺溶液濃度的相關(guān)性采用Pearson相關(guān)分析，P＜0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

（1）水模PET/CT橫斷面AC圖像顯示放射性分布均勻，像素放射性計(jì)數(shù)差別＜4%；NOAC圖像呈現(xiàn)中央低周邊高的不均勻狀態(tài)，像素計(jì)數(shù)差別將近160%（如圖2所示）。

（2）120 kV掃描條件下不同濃度泛影葡胺充盈區(qū)的CT值及NOAC計(jì)數(shù)率見(jiàn)表1。隨著泛影葡胺濃度增大CT值也增大，而NOAC計(jì)數(shù)率則基本不變。

（3）不同濃度泛影葡胺充盈區(qū)在不同CT掃描條件下的CTAC圖像ROI的SUV值見(jiàn)表2。在同一CT掃描條件下，SUV值隨著泛影葡胺體積分?jǐn)?shù)的增高而升高。當(dāng)泛影葡胺的體積分?jǐn)?shù)為5%或10%時(shí)，泛影葡胺充盈區(qū)表現(xiàn)為邊沿模糊的“冷區(qū)”；而當(dāng)泛影葡胺的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到15%、20%和40%時(shí)，泛影葡胺充盈區(qū)逐漸表現(xiàn)為“熱區(qū)”，且隨著濃度的增高，“熱區(qū)”表現(xiàn)越明顯（如圖3所示）。對(duì)于體積分?jǐn)?shù)為40%的泛影葡胺充盈區(qū)，隨著管電壓值的升高，SUV值則逐漸減小，圖像上表現(xiàn)為“熱區(qū)”的強(qiáng)度逐漸變淡。

圖2 水模PET圖像

表1 120 kV掃描條件下不同濃度泛影葡胺充盈區(qū)CT值及NOAC計(jì)數(shù)率

表2 不同CT掃描條件下不同濃度泛影葡胺充盈區(qū)SUV值（±s，n=20）

表2 不同CT掃描條件下不同濃度泛影葡胺充盈區(qū)SUV值（±s，n=20）

不同濃度泛影葡胺 80 kV 100 kV 120 kV 140 kV P值本底 0.83±0.05 0.83±0.06 0.83±0.06 0.82±0.05 ＞0.05 5% 0.23±0.06 0.23±0.07 0.22±0.06 0.22±0.05 ＞0.05 10% 0.57±0.03 0.55±0.05 0.45±0.06 0.35±0.07 ＜0.05 15% 0.97±0.07 0.96±0.06 0.83±0.05 0.71±0.05 ＜0.05 20% 1.65±0.06 1.43±0.06 1.20±0.05 1.10±0.06 ＜0.05 40% 2.78±0.04 2.56±0.05 2.21±0.06 2.03±0.04 ＜0.05

3 討論

與CT透射型掃描不同，PET屬于發(fā)射型掃描。

由于同位素的不穩(wěn)定，正電子放射性核素在人體內(nèi)衰變放射出正電子，被放射出的正電子在人體組織內(nèi)穿行幾毫米以后與負(fù)電子發(fā)生湮滅反應(yīng)生成2個(gè)互為180°反方向的511 keV γ光子并被PET探測(cè)器探測(cè)從而成像[4]。實(shí)際上，在這個(gè)過(guò)程中只有少數(shù)的γ光子能夠沿著最初的發(fā)射方向穿透介質(zhì)到達(dá)探測(cè)器，其余大部分在介質(zhì)中穿行時(shí)被反射、散射及吸收了，文獻(xiàn)報(bào)道，從人體中心發(fā)出的511 keV γ光子只有約5%能夠到達(dá)探測(cè)器而被探測(cè)到[5]。γ光子在到達(dá)探測(cè)器前的衰減與光子在介質(zhì)中的穿行距離和介質(zhì)材料的原子序數(shù)及密度有關(guān)。由于采用符合探測(cè)，有效放射性計(jì)數(shù)量低，因此γ光子在介質(zhì)中的衰減影響不能忽略，需要對(duì)其進(jìn)行校正。傳統(tǒng)的PET校正方法是采用外加放射源對(duì)介質(zhì)進(jìn)行掃描得到介質(zhì)的衰減系數(shù)，再利用該系數(shù)對(duì)511 keV γ光子的衰減進(jìn)行校正。但是這種方法使整個(gè)掃描時(shí)間延長(zhǎng)了近50%并且圖像噪聲很大[5]。PET/CT出現(xiàn)以后，CT透射掃描不僅提供了精確的解剖定位信息，而且為PET成像提供了衰減校正數(shù)據(jù)。本研究中，在非衰減校正圖像上可以清楚地看到放射性分布呈現(xiàn)中央低、周邊高的不均勻狀態(tài)（如圖2所示）。

由于CT掃描發(fā)射的是X光子，它是能量范圍40～140 keV的廣譜射線[5]，在人體組織中主要發(fā)生光電效應(yīng)，而光電效應(yīng)的發(fā)生率與原子序數(shù)相關(guān)，高原子序數(shù)材料的光電效應(yīng)發(fā)生率明顯高于低原子序數(shù)材料；而γ光子在人體組織中主要發(fā)生康普頓散射，康普頓散射的發(fā)生率只與電子密度相關(guān)，因此CT透射掃描發(fā)射的X線對(duì)高原子序數(shù)材料如骨組織的衰減明顯高于低原子序數(shù)材料如軟組織的衰減，而511 keV γ光子在軟組織和骨組織中的衰減幾乎沒(méi)有差別。因此需要將CT透射掃描得到的線性衰減系數(shù)轉(zhuǎn)化為511 keV γ光子的衰減系數(shù)，由于計(jì)算方法的問(wèn)題，在轉(zhuǎn)化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生誤差，這種誤差在PET圖像上表現(xiàn)為組織的放射性濃聚，即過(guò)度校正偽影。本研究中，體積分?jǐn)?shù)分別為15%、20%和40%的泛影葡胺充盈區(qū)CTAC圖像分別表現(xiàn)出了不同程度的濃聚偽影，泛影葡胺濃度越高，其CT值越大，圖像的偽影越明顯。而體積分?jǐn)?shù)為5%和10%的泛影葡胺充盈區(qū)（CT值1 084 HU）CTAC圖像表現(xiàn)為邊沿模糊的“冷區(qū)”，這也印證了Beyer等關(guān)于局部CT值＜1 000 HU時(shí)不會(huì)產(chǎn)生PET偽影的研究報(bào)道[6]。臨床PET/CT檢查中患者口服陽(yáng)性對(duì)比劑的體積分?jǐn)?shù)均小于5%（一般2%），因此一般不會(huì)產(chǎn)生偽影。研究中我們還發(fā)現(xiàn)，對(duì)于體積分?jǐn)?shù)為40%的泛影葡胺充盈區(qū)，CT掃描設(shè)置的管電壓越高，“熱區(qū)”的強(qiáng)度越弱，與文獻(xiàn)報(bào)道一致[7]。因此PET/CT掃描中采用較高的管電壓有利于減小高密度材料造成的影響。

圖3 120 kV掃描條件下不同濃度泛影葡胺充盈區(qū)CTAC圖像、NOAC圖像和CT圖像

臨床PET/CT顯像中部分患者體內(nèi)或者體表攜帶金屬植入物，如心臟起搏器、義牙、人工關(guān)節(jié)等，其CT值在2 000 HU左右或者更高，經(jīng)CT衰減校正后在PET圖像上表現(xiàn)為高放射性濃聚灶[8]，與本研究中體積分?jǐn)?shù)為15%、20%和40%的泛影葡胺充盈區(qū)形成的偽影原理相同。在本研究中，40%的泛影葡胺充盈區(qū)NOAC圖像表現(xiàn)為“冷區(qū)”，說(shuō)明CTAC圖像上的濃聚灶是個(gè)偽影，18F-FDG并沒(méi)有在該處濃聚。由臨床上對(duì)于高密度材料形成的濃聚灶以及參考相應(yīng)非衰減校正圖像可見(jiàn)，相應(yīng)位置無(wú)異常放射性濃聚，提示該處為CT衰減校正偽影（如圖4所示）。另有研究表明，金屬偽影的產(chǎn)生和程度與所用的重建方法和金屬移植物的形狀有關(guān)，在濾波反投影（filtered backprojection，F(xiàn)BP）重建圖像上，金屬偽影位于金屬的中心，而炎癥偽影放射性濃聚分布在周邊[9]。

CTAC的關(guān)鍵在于如何將低能級(jí)寬能譜的X線衰減系數(shù)準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為高能級(jí)單一能量的511 keV γ光子的衰減系數(shù)。目前CT衰減校正算法主要有5種：（1）比例縮放法（scaling）；（2）分割法（segmentation）；（3）雙值組合法（hybrid）；（4）雙線性法（bilinear）；（5）雙能CT法。臨床上采用比較多的是雙線性法[10]。高密度材料由于對(duì)X線的過(guò)度衰減，使CTAC圖像的SUV值偏高，主要原因是：所使用的CT衰減校正方法對(duì)高原子序數(shù)材料的衰減值計(jì)算存在不足。隨著CT衰減校正方法的不斷改進(jìn)和新的應(yīng)用軟件的開發(fā)，新的PET/CT在消除高密度材料所產(chǎn)生的CTAC圖像偽影方面有了很大的改善，而雙能CT法由于其校正精度最高，成為目前研究的熱點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

圖4 體內(nèi)心臟起搏器導(dǎo)致的偽影

CT衰減校正偽影是PET/CT顯像比較典型的一類偽影，在臨床PET/CT成像中主要表現(xiàn)為口服對(duì)比劑和體內(nèi)金屬植入物形成的偽影，這類偽影一般通過(guò)重建非衰減校正圖像可予以鑒別。隨著衰減系數(shù)轉(zhuǎn)換算法的不斷改進(jìn)，新型PET/CT對(duì)于高密度材料的成像已基本消除偽影的影響。隨著晶體材料的不斷更新和重建算法的不斷改進(jìn)，相信PET/CT顯像在未來(lái)會(huì)有更加廣闊的發(fā)展前景。本研究結(jié)果均是在實(shí)驗(yàn)理想條件下得到的，臨床PET/CT成像存在多種影響因素，其顯像效果應(yīng)從多方面進(jìn)行考慮。

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（收稿：2013-10-12 修回：2013-12-29）

PET/CT Images Based on CT Attenuation Correction Artifact

CHEN Ze-long1,2,XIE Kang-ning1,QI Jia-xue1,QIAN Gen-nian2,ZHAO Chun-lei2,CHEN Jie2
（1.School of Biomedical Engineering,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China; 2.Department of Medical Imaging,Fuzhou General Hospital of Nanjing Military Area Command,Fuzhou 350025,China）

Objective To study the influence of different concentrations ofmeglumine solutions on PET/CT image quality with different CT protocols.Methods Meglumine solutionswith concentrations of 5%,10%,15%,20%and 40%were injected into five latex vessels,thenwere sealed intoa cylindricalwaterphantom.Thephantom wasscanned by PET/CTwith differentCT tube voltages,followed by a conventionalattenuation correction procedure.Comparison was finallymade among the imagesofdifferent tube voltages.Results Therewere artifacts in the areas filled withmeglumine solutionswith the concentrationsof15%,20%and 40%.Standard Uptake Value(SUV)grew higher than the background with varying degrees.However,therewereno apparentar- tifactswhen the concentration of themeglumine solution was5%or 10%.It's could be concluded thatCT attenuation correction artifactbecame apparentwith the increased concentration ofmeglumine solutions.For themeglumine solution with the concen- tration of 40%,as CT voltage rose the CT attenuation correction artifacts on PET images becamemuch less apparent,and the SUV decreased.Conclusion The SUV on the PET/CT images ofmeglumine solutionswith concentrations ofmore than 15%is higher than the background,and there are artifacts on the images.The artifact for high-concentrationmeglumine solution gets lessapparentwith the increase of the CT voltage,when PET/CT scanning performed.[Chinese Medical Equipment Journal， 2014，35（3）：81-84]

PET/CT;artifact;standard uptake value;image quality

R318.6；TH774

A

1003-8868（2014）03-0081-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.03.081

全軍后勤科研計(jì)劃項(xiàng)目面上課題資助（CWS11C148）

陳澤龍（1979—），碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)镻ET/CT顯像設(shè)備和正電子放射性藥物的制備和研發(fā)，E-mail：czel@163.com。

710032西安，第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系（陳澤龍，謝康寧，漆家學(xué)）；350025福州，南京軍區(qū)福州總醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像中心（陳澤龍，錢根年，趙春雷，陳 杰）

謝康寧，E-mail：jingxm2008@fmmu.edu.cn