3D PET數(shù)據(jù)校正常用方法研究

俞王新，王之光，謝舒平

3D PET數(shù)據(jù)校正常用方法研究

俞王新，王之光，謝舒平

介紹了三維正電子發(fā)射斷層掃描顯像（three-dimensional positron emission tomography，3D PET）設(shè)備的數(shù)據(jù)校正常用方法以及臨床數(shù)據(jù)校正流程，展示了各種校正在均勻圓柱模體重建圖像上的效果，給出了2種評估數(shù)據(jù)校正準確性的方法，最后指出了PET數(shù)據(jù)校正下一步重點研究和解決的問題。

PET；數(shù)據(jù)校正；正電子；圖像質(zhì)量；定量分析

0　引言

正電子發(fā)射斷層掃描顯像（positron emission tomography，PET）是繼電子計算機斷層掃描（computed tomography，CT）和磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）影像技術(shù)后在生物醫(yī)學工程領(lǐng)域出現(xiàn)的全新尖端科技，專門用于人體或動物在分子水平上新陳代謝的功能成像。它集材料學、核物理、放射化學、計算機技術(shù)、醫(yī)學影像技術(shù)和分子生物學技術(shù)之大成，可以在無創(chuàng)傷的情況下進行功能、代謝和生理顯像，被譽為21世紀醫(yī)療設(shè)備的高科技之冠。PET作為當前醫(yī)學界公認的最先進大型醫(yī)療診斷成像設(shè)備，可廣泛應(yīng)用于腫瘤學[1-2]、神經(jīng)學[3]、心血管[4]、基因工程[5]、藥物開發(fā)[6]等醫(yī)學領(lǐng)域。

PET采集模式有二維（2-dimension，2D）和三維（3-dimension，3D）2種模式。3D采集模式能充分利用投影數(shù)據(jù)，減少放射性藥物用量，同時有助于提高采集的信噪比，是目前PET影像設(shè)備發(fā)展的主流[7]。但是3D模式也帶來了一定的問題，比如重建時間較長、散射事件占比較高等。本文基于PET影像設(shè)備開發(fā)的經(jīng)驗概述了3D采集模式下商用PET常用的數(shù)據(jù)校正方法。

1　3D PET數(shù)據(jù)校正

1.1探測器效率校正

由于成千上萬晶體本身物理特性的差異以及后端光電倍增管增益的不同，導致每根晶體捕捉伽馬光子的能力不同。探測器效率校正的目的在于使得每根晶體的探測效率保持均勻[8]。

用直接法[9]設(shè)計一種采集模式，讓所有的晶體接受大致相同劑量的輻射。如果晶體效率是均勻的，那么每條線響應(yīng)（line of response，LOR）上的計數(shù)值應(yīng)該相同。這樣就可以用每條LOR計數(shù)的倒數(shù)來對該條LOR進行效率校正。

但直接法存在一些問題：（1）一般需要很長時間進行數(shù)據(jù)采集以保證足夠多的統(tǒng)計計數(shù)；（2）使用源必須非常均勻，否則校正的結(jié)果就會出現(xiàn)偏差；（3）校正數(shù)據(jù)采集中的散射和實際成像的散射分布可能不一致。

一般臨床上采用間接法[10-11]來解決這些問題。間接法把校正因子分成幾個獨立的部分，LOR上的總校正因子就是這幾個獨立因子的乘積。為了提取這些獨立因子，一般用圓柱模體放置在視野（field of view，F(xiàn)OV）中心進行數(shù)據(jù)采集。

1.2幾何校正

從某一點發(fā)出單個伽馬光子被某個晶體探測到的幾率和該晶體的收集角有關(guān)，即和發(fā)射點到晶體距離的平方（d2）成反比。某一點由湮滅發(fā)出背靠背的伽馬光子對同時被探測到的幾率和成反比。探測環(huán)近似為圓筒形，橫斷面（transverse）內(nèi)離圓心越遠的LOR距離越短，這種由幾何結(jié)構(gòu)導致的收集角的差異稱為幾何效應(yīng)。

2　臨床PET數(shù)據(jù)校正

臨床PET數(shù)據(jù)校正流程如圖1所示。為了能有直觀的感受，因此，給出了幾種數(shù)據(jù)校正對PET圖像質(zhì)量的影響（如圖2所示），該數(shù)據(jù)在頭頸部PET系統(tǒng)[21]上獲得。實驗采用20 cm直徑的圓柱模體，放射性活度均勻分布。死時間校正、核素衰變校正和標準攝取值刻度不影響圖像的對比度，也不會對圖像造成偽影，但影響圖像的定量精度，因此沒有給出實驗結(jié)果。從圖2的實驗結(jié)果可以看到，不正確的探測器效率校正將會導致嚴重的放射狀以及環(huán)狀偽影，衰減校正、散射校正、隨機符合校正、幾何校正的錯誤會導致圖像中間區(qū)域的數(shù)值偏低或偏高。

圖1　臨床PET數(shù)據(jù)校正流程

圖2　各種校正對均勻圓柱體圖像的影響

3　數(shù)據(jù)校正的評估

數(shù)據(jù)校正對于PET的圖像質(zhì)量影響是至關(guān)重要的?？梢酝ㄟ^以下2種方法評價數(shù)據(jù)校正的準確性、有效性：

（1）通過肉眼觀察放射性均勻的圓柱模體重建圖像來定性地評價數(shù)據(jù)校正效果。探測器效率校正如果處理不好將會在圖像上造成明顯的環(huán)狀和放射狀偽影，通過肉眼觀察就能定性地評價，如圖2（a）所示。明顯的衰減校正、散射校正錯誤也能通過該方法來評估。

（2）參照NEMA NU2—2001[22]標準進行定量分析。NEMA NU2—2001標準內(nèi)有詳細的方法來定量評價圖像的死時間校正、隨機符合校正、衰減校正、散射校正的準確性。該方法需要使用專用的模體。

4　數(shù)據(jù)校正方法展望

隨著PET技術(shù)的發(fā)展，飛行時間PET（time of flight-PET，TOF-PET）由于能夠在同樣采集數(shù)據(jù)量下提高圖像的信噪比，已成為PET的發(fā)展方向。涉及TOF-PET方面的數(shù)據(jù)校正，如果符合時間窗校正，就會成為以后研究的方向。此外，由于掃描物體不可避免的運動，如呼吸、心跳，因此會引入運動偽影影響圖像質(zhì)量。如何進行有效的運動偽影校正也是目前研究的主要方向。

5　結(jié)語

數(shù)據(jù)校正對于PET的圖像質(zhì)量影響是至關(guān)重要的。探測器效率校正、幾何校正、隨機符合校正、散射校正、衰減校正等會影響圖像的對比度和偽影，而死時間校正、核素衰變校正和標準攝取值刻度只是對圖像值進行比例縮放，因此數(shù)據(jù)較正只對定量精度有影響。本文重點介紹的這類基本3D PET數(shù)據(jù)校正方法中，飛行時間PET相關(guān)的數(shù)據(jù)校正以及運動偽影校正將是目前研究的主要方向。

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（收稿：2014-11-10修回：2015-04-20）

（欄目責任編校：李惠萍）

Data correction methods for 3D PET

YU Wang-xin1,WANG Zhi-guang2,XIE Shu-ping1
（1.Shanghai Center for Biomedical Engineering,Shanghai Institutes for Biological Sciences of CAS,Shanghai 201201,China;2.Pingsheng Healthcare(Kunshan)Inc.,Kunshan 215341,Jiangsu Province,China）

The commonly used data correction methods and clinical data correction workflow of commercial three-dimensional Positron Emission Tomography(3D PET)were introduced.The impact of various corrections on the reconstructed image was demonstrated with a uniform cylinder.Two ways of validating the data corrections were given.Finally,some key problems remaining to be resolved were discussed.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（10）：113-115，127]

PET;data correction;positron;image quality;quantitative analysis

[中國圖書資料分類號]R318；TH774A

1003-8868（2015）10-0113-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.10.113

2013年度昆山市產(chǎn)學研聯(lián)合項目（2013010209）；2013昆山市科技型企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新資金項目（KC1319）

俞王新（1980—），男，博士，助理研究員，主要從事分子影像設(shè)備數(shù)據(jù)校正、圖像重建、信號處理等方面的研究工作，E-mail：wxyu@sibs. ac.cn。

201201上海，中國科學院上海生命科學研究院上海生物醫(yī)學工程研究中心（俞王新，謝舒平）；215341江蘇昆山，平生醫(yī)療科技（昆山）有限公司（王之光）

幾何校正的思想是設(shè)計一種模體，使其在沒有幾何效應(yīng)下沿某個投影方向的LOR計數(shù)是均勻的，而測量到的不均勻性就是幾何效應(yīng)的結(jié)果。一般常用的模體為平面源[11]。由于平面源的散射可以忽略，垂直于平面源的那些LOR具有相同的計數(shù)值，探測到不均勻性就是由于幾何效應(yīng)所導致。探測器效率校正結(jié)合幾何校正稱為探測器歸一化（normalization）。

1.3隨機符合校正

一對探測器探測到隨機符合事件的幾率和每個探測器上單事件（single event）發(fā)生的幾率以及時間窗有關(guān)。假設(shè)第i個探測器探測到單事件的幾率為ri，第j個探測器探測到單事件的幾率為rj，且2個通道相互獨立，符合判斷時間窗的寬度為τ，那么由這2個探測器形成的LOR上探測到隨機符合事件的幾率為Cij=2τrirj。因此，隨機符合發(fā)生率和放射活度成平方關(guān)系。

在實際放射成像過程中，隨機事件可能占據(jù)所有符合事件的很大一部分，特別在大劑量放射以及3D的情況下。它可以通過減小時間窗來減少符合事件，但是需要足夠長度的時間窗來保證不丟失真事件。時間窗的設(shè)定是一個折中，一般時間窗設(shè)定為時間分辨力半高寬（full width at half maximum，F(xiàn)WHM）的3～4倍。

隨機事件的分布相當均勻，和真實事件相比不受到活度聚集以及衰減的影響。因此，在高衰減區(qū)域中隨機事件占有很大的比重。如果不校正，將造成明顯的定量錯誤。目前使用最多的隨機符合校正方法是通過延時通道進行符合判斷。為了降低噪聲帶來的誤差，往往將延遲通道數(shù)據(jù)進行平滑處理[12]，從測試數(shù)據(jù)中扣除延時符合事件就完成了隨機符合校正。

1.4散射校正

3D采集模式下，散射事件的比例遠遠高于2D模式，因此散射校正對于3D PET的圖像質(zhì)量有很大影響。散射校正的方法大致有3種：（1）基于能窗的方法[13]。該方法同時在多個能量窗中采集數(shù)據(jù)，假設(shè)散射事件在不同能量下分布不變，通過比例縮放可從高能窗中扣除散射部分。由于不同能窗下散射分布會有所差異，該方法只是一種較近似的方法。（2）背景擬合方法[14]。該方法首先在正弦圖空間用函數(shù)（高斯、拋物線）擬合每一個投影的一維數(shù)據(jù)，然后正弦圖每一行都扣除擬合函數(shù)。該方法的特點是速度快、操作簡單，但是對擬合區(qū)間的位置比較敏感。（3）單次散射模擬（single scatter simulation，SSS）方法[15-16]。該方法正向計算單次散射的分布，通過本底擬合縮放計算出實測數(shù)據(jù)中的散射。此方法準確性高，已用于商用產(chǎn)品，缺點是計算量較大。

1.5衰減校正

獨立PET設(shè)備一般采用透射掃描衰減校正的方法，即多個137Cs或者68Ge棒源圍繞探測環(huán)中心軸勻速旋轉(zhuǎn)，保證所有的探測晶體接收到同等強度的輻射。該方法需要采集一次無患者的空掃描，一次有患者的透射掃描。對每條LOR可以得到一個校正因子：η=Ia/I=exp（∑μiDi），其中Ia為空掃描數(shù)據(jù)，I為測得的透射掃描數(shù)據(jù)?？諕呙璨恍枰總€患者都做，每隔一段時間做一次就可以。與棒源靠得近的探測模塊接收到的光子通量很高，所以死時間較高是該方法的一個主要缺陷，這將導致透射掃描時間延長。

目前的商用PET/CT機上一般采用將CT圖像轉(zhuǎn)換成衰減系數(shù)圖的方法進行衰減校正[17]。它通過轉(zhuǎn)換公式，將CT圖像轉(zhuǎn)換成511 keV能量下的衰減系數(shù)圖，通過正投影變換為用于衰減校正的數(shù)據(jù)。在某些PET局部掃描中，也有通過PET數(shù)據(jù)來估計衰減系數(shù)分布圖的方法[18-19]進行衰減校正。

1.6死時間校正

一個511 keV的光子在晶體中發(fā)生作用被吸收時發(fā)出可見光，微弱的可見光通過光電倍增管放大后產(chǎn)生一個脈沖，后端電路根據(jù)脈沖記錄下光子的能量和位置。如果在同一符合窗內(nèi)有2個單事件就產(chǎn)生了一次符合事件（或符合計數(shù)）。整個流程的每個環(huán)節(jié)都需要消耗一定的時間。完成上述一次流程所需要的總時間定義為死時間。在這段時間內(nèi)系統(tǒng)不能處理第二次事件（符合計數(shù)），因此將會導致事件的丟失。

最簡單的死時間校正方法就是建立一張列表，通過查表的方式得到不同放射性劑量下的校正系數(shù)，這種方法屬于總體上的校正，但是不能有效地描述于放射活度的空間分布不均勻所導致不同模塊死時間的不同。

進行死時間校正有一種更加準確的方法：如果測量條件允許，就獨立地測出每個模塊的“活時間”；如果無法測量，就根據(jù)系統(tǒng)的構(gòu)架建立一個經(jīng)驗模型，然后用這個模型去擬合實驗數(shù)據(jù)。將一系列測量出來的或者模型擬合出來的系數(shù)進行組合來校正采集數(shù)據(jù)。

1.7核素衰變校正

從注射核素的時刻到掃描的這段時間內(nèi)由于核素的衰變導致計數(shù)的丟失。注射時刻活度A0，經(jīng)過時間t之后剩余的核素活度為A（t）=A0exp（-λt），其中λ為核素衰變系數(shù)。以F18為例，大約119 min就會衰減掉一半。為了保證定量分析的準確性，需要將圖像的計數(shù)值調(diào)整到核素注射的時刻[20]。

1.8標準攝取值（standarduptakevalue，SUV）刻度

PET數(shù)據(jù)經(jīng)過以上校正之后圖像的像素大小并不能夠和放射性濃度建立對應(yīng)關(guān)系，因此需要通過標準攝取值SUV刻度將灰度值轉(zhuǎn)換成濃度值。SUV值的定義為：SUV=單位體積放射活度（Bq/g）/[注射的放射活度（Bq）/體質(zhì)量（g）]。其中，單位體積放射活度=像素灰度值×SUV刻度系數(shù)。通常，SUV刻度系數(shù)通過放射性均勻的圓柱模體來實驗得到。由于圓柱體完全均勻，所以SUV值等于1。根據(jù)定義就可以計算出SUV的刻度系數(shù)。