部分容積效應(yīng)對(duì)SPECT/CT定量計(jì)算結(jié)果的影響

黃克敏 馮彥林 梁偉棠 李 林 馮葉霞 鄧大浪 賀偉平

部分容積效應(yīng)對(duì)SPECT/CT定量計(jì)算結(jié)果的影響

黃克敏 馮彥林 梁偉棠 李 林 馮葉霞 鄧大浪 賀偉平

目的部分容積效應(yīng)是影響核醫(yī)學(xué)顯像圖像質(zhì)量和定量精確性的主要因素。本文探討部分容積效應(yīng)對(duì)SPECT/CT定量計(jì)算結(jié)果的影響。資料與方法分別對(duì)Jaszczak圓筒模型以及IEC體模進(jìn)行SPECT/CT斷層顯像，并進(jìn)行CT衰減校正和散射校正以及三維有序子集最大期望值法(3D-OSEM)圖像重建。根據(jù)Jaszczak圓筒模型重建圖像獲得特定采集及重建條件下的系統(tǒng)容積靈敏度(cpm/kBq)，計(jì)算IEC體模內(nèi)不同大小熱區(qū)的絕對(duì)放射性活度(kBq/ml)，并與真實(shí)活度值進(jìn)行比較，驗(yàn)算其定量精確性。比較特定采集及重建條件下不同大小熱區(qū)定量精確性的差異，以及不同大小容積感興趣區(qū)(VOI)、熱區(qū)/本底比值(TBR)以及采集時(shí)間顯像對(duì)定量精確性的影響。結(jié)果使用3D-OSEM重建算法、CT衰減校正、散射校正時(shí)，各球體的絕對(duì)放射性活度與真實(shí)活度值的差異與球體大小顯著相關(guān)(r=-0.844，P＜0.05)，各球體平均定量誤差隨球體容積的增加而明顯減小。不同VOI范圍顯著影響球體定量精確性。對(duì)于1.15～11.49ml球體，其邊緣的定量精確性明顯低于中心，且各球體定量誤差隨VOI的減小而減小(r=0.999、0.992、0.994、0.767，P＜0.05)。對(duì)于26.52ml和0.52ml球體，其定量誤差與VOI大小無(wú)明顯相關(guān)性(r=0.348、0.478，P＞0.05)。不同TBR及采集時(shí)間顯像中，高TBR顯像各球體的平均定量誤差(-44.19％)小于低TBR顯像(-46.18％)，20s/幀采集顯像(-44.33％)小于10s/幀采集顯像(-46.04％)。結(jié)論部分容積效應(yīng)可顯著影響SPECT/CT定量精確性，尤其對(duì)小病灶以及病灶的邊緣部分更為顯著。

體層攝影術(shù)，發(fā)射型計(jì)算機(jī)，單光子；體層攝影術(shù)，X線計(jì)算機(jī)；圖像處理，計(jì)算機(jī)輔助；部分容積效應(yīng)

近年來(lái)，隨著SPECT/CT的廣泛應(yīng)用、計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步和各種校正技術(shù)的不斷完善，SPECT的精確定量成為臨床應(yīng)用和研究的熱點(diǎn)。與PET比較，SPECT系統(tǒng)分辨率相對(duì)較低，其定量計(jì)算結(jié)果容易受衰減、散射、噪聲、部分容積效應(yīng)(partial volume effect，PVE)等諸多因素的影響。本研究通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)，探討部分容積效應(yīng)對(duì)SPECT/CT定量計(jì)算結(jié)果的影響。

1 資料與方法

1.1 儀器和設(shè)備 采用Siemens SYMBIA T16 SPECT/CT儀，使用低能高分辨準(zhǔn)直器，系統(tǒng)空間分辨率6.76mm。系統(tǒng)容積靈敏度的單位為單位活度的每分鐘計(jì)數(shù)(counts per minute /kBq，cpm/kBq)，系統(tǒng)平面靈敏度87 cps/MBq，配16排螺旋CT。所有放射性活度測(cè)量采用北京中恒創(chuàng)新科技有限公司生產(chǎn)的RM-905a型放射性活度計(jì)，靈敏度為3.7kBq。顯像模型為美國(guó)DATA SPECTRUM公司生產(chǎn)的Jaszczak圓桶模型，其內(nèi)無(wú)插件，以及NEMA/IEC體模，內(nèi)置熱區(qū)球體插件直徑分別為10、13、17、22、28、37mm，容積分別為 0.52、1.15、2.57、5.57、11.49、26.52ml。

1.2 Jaszczak模型顯像 采用Jaszczak圓桶模型，注入放射性濃度為70.76kBq/ml的99Tcm溶液進(jìn)行顯像，采用橢圓軌跡進(jìn)行人體跟蹤采集，矩陣128×128，放大倍數(shù)1.35，每幀20s共采集120幀。采用雙能窗，主能窗 130～150keV，散射窗 110～130keV，窗寬 15％，步進(jìn)式360°采集。采用相同采集條件重復(fù)進(jìn)行3次數(shù)據(jù)采集。CT掃描參數(shù)：管電壓120kV，管電流150mAs，層厚10mm，螺距1.0。采用三維有序子集最大期望值法(three-dimensional ordered subset expectation maximization，3D-OSEM)重建圖像，6子集，8次迭代，采用CT衰減校正以及散射校正獲得每次顯像的斷層圖像。在SPECT和CT融合圖像中勾畫(huà)容積為3000ml的容積感興趣區(qū)(volume of interest，VOI)，根據(jù)公式(1)計(jì)算系統(tǒng)容積靈敏度Svol。

其中，Vvol為感興趣區(qū)容積(ml)，CA為已知的模型內(nèi)放射性濃度(kBq/ml)，為感興趣區(qū)真實(shí)計(jì)數(shù)率需根據(jù)公式(2)作衰變校正。

其中，R為重建圖像感興趣區(qū)的總計(jì)數(shù)除以顯像時(shí)間(min)，T0為圖像開(kāi)始采集時(shí)間，Tcal為活度測(cè)量時(shí)間，Tacq為圖像采集總時(shí)間，T1/2為核素半衰期。

1.3 IEC體模顯像 采用IEC體模，其熱區(qū)球體內(nèi)分別注入放射性濃度為764kBq/ml和355kBq/ml的99Tcm溶液進(jìn)行2次顯像，其本底溶液放射性濃度均為64kBq/ml。2次顯像的熱區(qū)/本底比值(target-tobackground ratio，TBR)分別為11.9和5.5。每次顯像采集2組不同時(shí)間(20s/每幀和10s/每幀)的原始數(shù)據(jù)。其余圖像采集及重建參數(shù)同Jaszczak模型顯像。在融合圖像中以各熱區(qū)球體中心為軸心勾畫(huà)不同大小的VOI(圖1)。分別以球體的最大容積勾畫(huà)VOI(VOImax)，并以球體容積的90％、80％、70％、60％、50％和40％勾畫(huà)VOI(VOI90％、VOI80％、VOI70％、VOI60％、VOI50％、VOI40％)。對(duì)于不同大小球體在特定成像條件下絕對(duì)放射性活度采用公式(3)計(jì)算。

1.4 數(shù)據(jù)分析 將特定小球的絕對(duì)放射性活度與其通過(guò)活度計(jì)測(cè)量的真實(shí)活度值進(jìn)行比較，根據(jù)公式(4)計(jì)算不同大小球體的定量誤差。

比較不同大小球體定量精確性的差異，以及不同VOI、TBR及采集時(shí)間顯像對(duì)定量精確性的影響。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 17.0軟件。球體的定量誤差與球體大小以及VOI大小的相關(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

利用Jaszczak圓桶模型顯像3次數(shù)據(jù)采集所重建的圖像，依照公式(1)計(jì)算的在特定采集及重建條件下的平均Svol為(13.32±0.24)cpm/kBq。IEC體模不同大小熱區(qū)橫斷面圖像見(jiàn)圖2。不同大小球體的放射性強(qiáng)度出現(xiàn)明顯差異，球體越小，放射性越低。不同大小球體按照VOImax的放射性計(jì)數(shù)，依照公式(3)所計(jì)算的放射性活度與真實(shí)活度值的比較見(jiàn)圖3，各球體的放射性活度與真實(shí)活度之間的差異明顯不同，球體越大，其差異越小。不同TBR與采集時(shí)間顯像時(shí)球體的定量誤差隨球體容積的變化見(jiàn)圖4。26.25ml球體在4次顯像中的平均定量誤差為-15.39％，而0.52ml球體的平均定量誤差為-78.82％。4次顯像中，各球體平均定量誤差隨球體容積的增加而明顯減小(r=-0.844，P＜0.05)。不同TBR及不同采集時(shí)間顯像中，高TBR(11.9)顯像時(shí)各球體的平均定量誤差為-44.19％，小于低TBR(5.5)顯像的-46.18％；20s/幀采集顯像的平均定量誤差為-44.33％，小于10s/幀采集顯像的-46.04％。

不同大小球體在不同大小VOI時(shí)的定量值見(jiàn)表1。除容積為0.52ml的球體外，其余各球體的定量值均隨VOI的減小而增加，其中26.5ml球體在VOI70％時(shí)定量值(745kBq/ml)最接近真實(shí)活度值，同時(shí)在VOI60％時(shí)定量值(782kBq/ml)高于其真實(shí)活度值，而11.49ml球體在VOI40％時(shí)的定量值(761kBq/ml)最接近真實(shí)活度值。不同大小球體的定量誤差隨VOI大小的變化見(jiàn)圖5。26.25ml和0.52ml球體的定量誤差與VOI大小無(wú)明顯相關(guān)(r=0.348、0.478，P＞0.05)，1.15～11.49ml球體在VOImax時(shí)的平均定量誤差為-41.79％，而在VOI40％時(shí)的平均定量誤差為-25.95％，各球體的定量誤差均隨VOI的減小而減小(r=0.999、0.992、0.994、0.767，P＜0.05)。

圖1 容積為26.52ml球體VOI的勾畫(huà)。以球體中心為軸心，分別在融合圖像橫斷面、冠狀面、矢狀面勾畫(huà)不同大小的VOI，紅色和黃色VOI分別為VOImax和VOI70％；A～C依次為橫斷面、冠狀面和矢狀面圖像

圖2 熱區(qū)球體放射性活度為764kBq/ml，TBR=11.9，20s/幀采集顯像的IEC體模橫斷面圖像。不同大小球體的放射性出現(xiàn)明顯差異，球體越小，放射性越低；A～C依次為SPECT、CT和融合圖像

圖3 各球體VOImax放射性活度與真實(shí)活度值的比較。各球體真實(shí)放射性活度為764kBq/ml，TBR=11.9，采用20s/幀采集顯像

3 討論

SPECT絕對(duì)定量指通過(guò)一系列技術(shù)手段獲得器官、病灶組織對(duì)放射性藥物攝取的絕對(duì)量的過(guò)程。由于SPECT重建圖像提供放射性計(jì)數(shù)分布圖，進(jìn)行SPECT定量時(shí)必須將其放射性計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換為放射性活度。通常的做法是先利用活度已知的模體做定標(biāo)實(shí)驗(yàn)，以獲得特定采集及重建條件下的轉(zhuǎn)換系數(shù)，然后對(duì)待定量物體斷層圖像單位體積的放射性計(jì)數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而獲得以單位體積內(nèi)的活度(kBq/cm3)為單位的絕對(duì)定量值[1]。目前，多項(xiàng)研究結(jié)果均獲得了小于10％的定量誤差[2-4]。本研究采用活度已知的均勻圓筒模型做定標(biāo)實(shí)驗(yàn)，測(cè)定儀器的系統(tǒng)容積靈敏度即單位活度的99Tcm溶液每分鐘所獲得的放射性計(jì)數(shù)，然后對(duì)待定量小球勾畫(huà)VOI獲得單位體積的放射性計(jì)數(shù)，通過(guò)轉(zhuǎn)換計(jì)算即可獲得小球的絕對(duì)定量值。

圖4 不同TBR及不同采集時(shí)間顯像時(shí)各球體的定量誤差隨球體容積的變化

圖5 不同大小球體定量誤差隨不同大小VOI的變化。各球體的真實(shí)放射性活度為764kBq/ml，TBR=11.9，20s/幀采集顯像，A～F分別為26.52、11.49、5.57、2.57、1.15、0.52ml球體

表1 不同大小球體在不同大小VOI時(shí)的定量值(kBq/ml)

SPECT圖像空間分辨率相對(duì)較差，其定量結(jié)果容易受諸多因素的影響。其中重建算法、衰減、散射及部分容積效應(yīng)尤為重要[5]。PVE是影響核醫(yī)學(xué)顯像圖像質(zhì)量及定量計(jì)算的重要因素之一，其對(duì)正電子顯像定量結(jié)果的影響已有較多研究[6-8]。PVE會(huì)嚴(yán)重影響小物體(物體小于3倍的空間分辨率時(shí))的顯示，以及明顯低估其放射性計(jì)數(shù)，其對(duì)PET定量的影響與物體大小密切相關(guān)[9]。由于SPECT的空間分辨率相對(duì)較差，其受PVE的影響必然更為顯著。Dewaraja等[10]在SPECT131I定量模型的研究中，8～95ml球體的平均定量誤差小于17％，而4ml球體的定量誤差為31％。本研究中各球體的放射性濃度相同，理論上其定量值應(yīng)保持一致，但受PVE的影響，不同大小球體的定量誤差差異明顯。0.52ml球體的平均定量誤差為—78.82％，而26.25ml球體的平均定量誤差為—15.39％。不同大小球體的放射性活度與真實(shí)活度之間的差異隨球體的增大而明顯縮小，與以往的研究結(jié)果相符[9-10]。

PVE對(duì)較大物體的邊緣也會(huì)因計(jì)數(shù)溢出而產(chǎn)生邊緣效應(yīng)，從而使其圖像邊緣出現(xiàn)明顯的放射性計(jì)數(shù)減低。在PET顯像中，其定量指標(biāo)SUV值隨ROI大小、形狀、位置的改變而出現(xiàn)明顯變化。陳英茂等[11]采用不同等高線的方法勾畫(huà)PET圖像的ROI，其SUV在不同等高值ROI中出現(xiàn)明顯差異，其最佳ROI為70％等高線勾畫(huà)的ROI。尹大一等[12]的研究中，SUV值隨著ROI的增大而降低，其最佳ROI為略小于實(shí)際病變3～4個(gè)像素。本研究中，0.52ml球體的定量誤差與VOI大小無(wú)明顯相關(guān)，可能與球體和本底的放射性強(qiáng)度差異較小，其放射性計(jì)數(shù)溢出效應(yīng)并不明顯有關(guān)。1.15～11.49ml球體的定量誤差均隨VOI的減小而減小，VOI位置越接近球體中心，其絕對(duì)放射性活度與真實(shí)活度間的差異越小，但各球體的最佳VOI大小并不相同。11.49ml球體在VOI40％時(shí)其定量值與真實(shí)值間的差異最小，而26.25ml球體在VOI70％時(shí)最接近真實(shí)活度值。另外，當(dāng)26.25ml球體VOI小于VOI60％時(shí)，其定量值將大于真實(shí)活度值，其原因還需進(jìn)一步探討。

PVE主要受儀器系統(tǒng)分辨率的影響，系統(tǒng)分辨率越低則PVE越嚴(yán)重，其程度取決于病灶均對(duì)分辨率的大小，任何成像系統(tǒng)對(duì)直徑在系統(tǒng)分辨率3倍以內(nèi)的病灶均會(huì)產(chǎn)生明顯的部分容積效應(yīng)。而病灶相對(duì)分辨率又受病灶本身及其周?chē)镜追派湫詮?qiáng)度的影響，若病灶與本底的對(duì)比度較低或圖像計(jì)數(shù)不足，病灶就可能被噪聲所掩蓋，其相對(duì)分辨率則隨之降低。本研究中，高TBR顯像各球體的平均定量誤差低于低TBR顯像，20s/幀采集圖像低于10s/幀采集圖像，表明病灶、本底的放射性強(qiáng)度以及圖像的采集計(jì)數(shù)均會(huì)影響SPECT/CT定量精確性。

本研究表明，PVE能顯著影響SPECT/CT定量精確性，各球體的定量誤差與球體大小呈顯著負(fù)相關(guān)。因此，對(duì)于較小體積病灶的定量計(jì)算，應(yīng)對(duì)其PVE的影響進(jìn)行相應(yīng)的校正。對(duì)于較大球體，其中心部位的定量誤差明顯小于邊緣部分，不同大小球體最佳VOI的大小隨著球體容積的變化而改變，因此其VOI的范圍應(yīng)盡量避開(kāi)圖像的邊緣部分，其VOI的大小應(yīng)根據(jù)病灶的大小進(jìn)行合理調(diào)整。同時(shí)，用于SPECT定量的原始數(shù)據(jù)，應(yīng)采集足夠的放射性計(jì)數(shù)，以免過(guò)高的圖像噪聲增加PVE對(duì)定量精確性的影響。

本研究?jī)H探討了PVE對(duì)特定采集及重建條件下特定大小球體定量計(jì)算結(jié)果的影響，測(cè)量誤差、儀器性能、病灶形態(tài)及位置、采集及重建參數(shù)等其他因素均會(huì)影響SPECT/CT定量精確性，在臨床應(yīng)用中應(yīng)予以關(guān)注。由于不同儀器間性能參數(shù)的差異，本研究結(jié)果只適用于本機(jī)型。

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Impact of Partial Volume Effect on Quantitative Results in SPECT/CT

HUANG Kemin
FENG Yanlin
LIANG Weitang
LI Lin
FENG Yexia
DENG Dalang
HE Weiping

PurposeThe partial volume effect is a main factor to impact the image quality and the accuracy of the quantitative analysis of nuclear medicine image.The aim of this study is to evaluate the effects of partial volume effect on quantitative result in SPECT/CT.Materials and MethodsA Jaszczak cylindrical phantom and IEC body phantom were performed with routine SPECT/CT imaging using CT attenuation correction,scatter correction and three-dimensional ordered subset expectation maximization (3D-OSEM)reconstruct image.The system volume sensitivity (cpm/kBq) were acquired from the reconstructed image of Jaszczak phantom study.The absolute activity concentration (kBq /ml) of the hot sphere was calculated according to the IEC phantom study that the intensity of radioactivity had been measured in the dose calibrator,then checking computations the quantitative accuracy of all.The difference of quantitative accuracies from the different volume hot sphere was compared tusing a given acquisition and reconstruction parameter.The effects of volume of interest (VOI),target-to-background ratio (TBR) and acquisition time on quantitative accuracy were evaluated.ResultsCT attenuation correction and scatter correction,the difference of absolute activity and true activity value was obviously correlation with the sphere size by using 3D-OSEM.The quantitative errors were decreased along with the increased of sphere size (r=- 0.844,P＜0.05).The quantitative accuracy were signi fi cantly affected by the VOIsize in the 1.15-11.49ml sphere.It was obviously lower in the limbic of sphere than that in the center of sphere.And the quantitative errors were decreased along with the decreased of VOIsize (r=0.999,0.992,0.994 and 0.767,P＜0.05).However,the quantitative error was no obviously correlation with the VOIsize(r=0.348,0.478,P＞0.05) in the 26.52ml and 0.52ml sphere.The average quantitative error was lower in high TBR imaging (- 44.19％) than that in low TBR imaging (-46.18％),and it was lower in 20s/frame imaging (- 44.33％) than that in 10s/frame imaging (- 46.04％).ConclusionThe quantitative accurate could be obviously affected by the partial volume effect in SPECT/CT imaging,exceptionally in the small lesions and the limbic of lesions.

Tomography,emission-computed,single-photon; Tomography,X-ray computed;Image processing,computer-assisted; Partial volume effect

廣東省佛山市第一人民醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科 廣東佛山 528000

10.3969/j.issn.1005-5185.2017.11.019

馮彥林

Department of Nuclear Medicine,the First People's Hospital of Foshan,Foshan 528000,China

Address Correspondence to:FENG Yanlin

E-mail:hkmin25@163.com

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014A020212518)

R445.3

2017-07-08

2017-10-18

中國(guó)醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志2017年 第25卷 第11期：867-871

Chinese Journal of Medical Imaging 2017 Volume 25 (11):867-871

(本文編輯 聞 浩)