MRI磁場對小動物PET空間分辨率影響的仿真研究*

徐 桓　胡紅波　魯家豪　孟 奧　趙慶軍

PET-MRI是正電子發(fā)射斷層成像(positron emission tomography，PET)和磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)的雙模態(tài)融合，在過去的20年中一直是醫(yī)學(xué)影像的研究熱點[1]。相對于PETX射線計算機斷層成像(computed tomography，CT)，PET-MRI能提供更好的組織對比度，MRI本身無電離輻射，可以顯著降低檢查所需的輻射劑量，同時由于其多樣化的掃描序列，成像也比CT更加靈活。但PET-MRI的集成比PET-CT困難的多[2-3]。由于MRI的磁場的存在，對PET的性能會產(chǎn)生影響。本研究討論MRI的靜磁場對小動物PET空間分辨率的影響。在磁場下，帶電粒子受洛倫茲力的影響而改變運動軌跡。PET中的核素衰變產(chǎn)生正電子，正電子自由程受磁場的影響變短，進而影響空間分辨率，因此，一般認為PET的空間分辨率在強磁場中會有提高[4-6]。本研究利用蒙特卡羅仿真工具GATE(Geant 4-based Application for Emission Tomography)[7]軟件對正電子衰變和湮滅的物理過程進行仿真，測量不同核素在不同磁場下的正點子自由程，建立基于硅基光電倍增管(silicon photomultipliers，SiPM)和硅酸釔镥(LYSO)晶體的小動物PET仿真模型，由于其優(yōu)越的磁兼容性，已經(jīng)被應(yīng)用于PET-MRI設(shè)備中[8]。在PET長軸方向依次加入不同強度的均勻磁場，實現(xiàn)對磁共振環(huán)境的仿真，然后依據(jù)美國電氣制造商協(xié)會(National Electrical Manufacturers Association，NEMA)NU4-2008的要求進行空間分辨率的測試，并對測試結(jié)果進行分析。

1　資料與方法

1.1　正電子自由程對PET的影響

PET的成像基于對正電子(positron)湮滅產(chǎn)生511 keV的伽馬光子的符合探測。正電子產(chǎn)生和湮滅的過程中有兩種物理效應(yīng)會對空間分辨率造成影響，一種是正電子自由程(positron range)和非共線性(noncolinearity)[9]。非共線性與核素種類無關(guān)而與PET探測器環(huán)的直徑有關(guān)，孔徑越大，其影響越大。小動物PET由于孔徑小，受非共線性的影響相對較小，本研究僅研究自由程的影響。

正電子從放射性核素發(fā)射出來以后，通常要在介質(zhì)中飛行一段有限的距離，當能量降到足夠低時才與負電子結(jié)合，發(fā)生湮滅輻射。因此，正電子發(fā)生位置和湮滅位置一般不重合(如圖1所示)。

圖1　正電子自由程對空間分辨率的影響示圖

正電子從發(fā)生到湮滅所經(jīng)過的路程稱為正電子自由程，對于PET系統(tǒng)來說，自由程會導(dǎo)致事件定位偏差，其偏差由正電子生成的位置與湮滅符合線(line of response，LOR)的垂直距離決定，稱為有效自由程。正電子自由程主要由正電子的初始動能決定。MRI的強磁場會影響正電子的軌跡，影響自由程，進而影響PET系統(tǒng)的空間分辨率，有研究利用強磁場提高空間分辨率的文獻報道[10-11]。

磁場對粒子的影響其計算為公式1：

式中q為粒子所帶的電荷；B為磁場強度；V為帶電粒子的速度。

1.2　正電子自由程在不同磁場下的GATE軟件仿真實驗

GATE軟件基于Geant 4內(nèi)核開發(fā)，是核醫(yī)學(xué)成像中應(yīng)用最廣的仿真工具之一[12]。利用GATE軟件在不同磁場下分別對PET中常用的放射性核素18F、11C、13N、15O和22Na在不同物質(zhì)中的正電子自由程進行了仿真。選取的不同物質(zhì)為人體中常見的水、肺和骨。選取從0～9.4 T之間的不同磁場，涵蓋了目前臨床和小動物MRI中常用到的磁場強度。GATE軟件中可分別定義X、Y、Z的3個方向的磁場，本次試驗設(shè)置磁場方向為PET的長軸方向，即Z方向，與PETMRI中的磁場方向一致。在GATE軟件中設(shè)置了邊長為40 mm的立方體均勻區(qū)域，分別填充不同物質(zhì)(水、肺及骨)。區(qū)域中心設(shè)置一個直徑為0.05 mm的點源。GATE軟件中放射源包括離子源(ion source)、粒子源(particle source)和光子源(back-to-back photons)，其中前兩種可用于正電子自由程的測量。為了模擬更加真實的情況，設(shè)置點源為離子源，并通過設(shè)置原子序數(shù)、原子質(zhì)量、電荷數(shù)和激發(fā)能量來選擇不同的放射源。模擬的物理過程包括放射性衰變(radioactive decay)、原子去激發(fā)(atomic de-excitation)、湮滅(positron annihilation)3個不同的物理過程。每次仿真至少采集20×106次正電子湮滅計數(shù)，使用ROOT對結(jié)果進行分析，得到點源在不同物質(zhì)的湮滅位置圖及其剖面曲線。正電子的初始運動方向是隨機分布的，通過多次散射，正電子在介質(zhì)中的運動軌跡并非直線而是曲折的，這樣，點源在PET圖像上就形成1個光斑，其分布范圍與核素及周圍介質(zhì)相關(guān)。

1.3　建立小動物PET的GATE仿真模型

利用GATE軟件平臺搭建小動物PET系統(tǒng)模型，采用圓柱狀PET掃描儀結(jié)構(gòu)—Cylindrical PET，使用LYSO晶體。PET系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

LYSO晶體幾何尺寸為1.8 mm×1.8 mm×15 mm，64個晶體以8×8矩陣式構(gòu)成一個Module；由22個Module圍繞成一個PET環(huán)，中心孔徑的直徑為88 mm。整個PET系統(tǒng)由3個上述PET環(huán)沿軸向并列排布構(gòu)成，軸向長度為48 mm?？紤]到SiPM對不同波長光子的探測效率(photon detection efficiency，PDE)、晶體的透明度、晶體和探測器的光電耦合損耗，設(shè)定光探測效率為18%；設(shè)定光子的能量閾值為350～650 keV，舍棄掉能量過低或者過高的光子，僅選擇在光電峰之內(nèi)的光子進行符合，對于所有記錄的事件(hits)施加一個時間(σ=150 ps)和能量(σ=8%)的高斯模糊，使用多時間窗符合分類器進行分類，符合時間窗設(shè)置為402 ps。最后在PET的長軸方向分別加入0.5～9.4 T之間的均勻磁場。仿真結(jié)果被保存為root格式，利用ROOT對計數(shù)特性進行分析。利用Matlab實現(xiàn)對數(shù)據(jù)進行幾何結(jié)構(gòu)解碼、三維(three-dimensional，3D)重排并轉(zhuǎn)換為正弦圖(sinogram)，利用STIR[13]實現(xiàn)圖像的重建。

表1　常用核素在不同磁場下不同物質(zhì)中的自由程仿真結(jié)果[-X方向(mm)]

圖2　小動物PET的仿真結(jié)構(gòu)圖

1.4　空間分辨率

首先使用22Na進行了空間分辨率的測試。將22Na點源放置在軸向中心層面，并分別在不同的徑向位置(5～30 mm之間)進行測量。然后在偏移1/4的軸向視野(field of view，F(xiàn)OV)的位置重復(fù)軸向中心層面的采集。在每個位置，至少采集100 000個計數(shù)。在STIR中進行3D濾波反投影(filter back projection，F(xiàn)BP)重建。使用Matlab計算重建圖像中點源的半高寬(full width at half maximum，F(xiàn)WHM)，分別記錄徑向、切向和軸向3個方向的結(jié)果。為了分析磁場的影響，分別對22Na和15O在不同場強下進行試驗。由于MRI中為均勻磁場，考察其對分辨率的影響時不考慮位置因素，僅在徑向10 mm的位置進行了測量。

2　結(jié)果

2.1　正電子自由程在不同磁場下的結(jié)果

22Na在9.4 T磁場下的點源湮滅位置分布可以直觀的看出，即使對于能量較低的22Na核素，強磁場對其正電子自由程也有影響。由于磁場設(shè)置在Z方向，因此洛倫茲力限值了正電子在X-Y方向平面的運動，在3D的位置分布圖中可顯示點源由球形分布變成了橢球形分布，X-Y方向平面形成的光斑明顯變小。對于高能量的15O影響尤為明顯(如圖3所示)。

圖322Na點源湮滅位置分布圖

點源的湮滅位置分布剖面線表明其并不符合高斯分布，而是用指數(shù)函數(shù)來描述更為合適。由于指數(shù)函數(shù)有很長的拖尾，因此并不適合用FWHM或者十分之一高寬(full width at tenth maximum，F(xiàn)WTM)來描述點源的直徑。通常用自由程的均方根值(rootmean-square，RMS)作為其衡量指標。不同核素在GATE軟件中的仿真結(jié)果見表1和表2。

2.2　不同磁場下空間分辨率仿真的結(jié)果

22Na點源重建矩陣為315×315，重建體素尺寸為0.36 mm×0.36 mm×0.9 mm。分別在軸向、橫斷層面的徑向和切向描繪點擴展函數(shù)，并進行一次高斯擬合得出FWHM，如圖4所示。

由FWHM乘以重建像素的實際空間尺寸(pixel size)得到小動物PET的空間分辨率，結(jié)果見表3。22Na和15O在不同場強下的測量空間分辨率結(jié)果見表4，如圖5所示。

3　結(jié)論

通過不同磁場下對不同核素的正電子自由程的仿真實驗，測得的自由程在無磁場情況下與文獻報道的理論值基本一致，仿真結(jié)果可靠[14]。仿真結(jié)果表明，對于能量高的核素，正電子自由程較大，磁場對其影響也較大。對同一種核素在不同物質(zhì)中，自由程也差異很大，密度大的物質(zhì)中(如骨)自由程相對較小，而對于密度小的肺中，則自由程明顯變大。磁場施加于Z方向，減小了X、Y方向的正電子自由程，而Z方向自由程無明顯變小，其剖面線甚至?xí)幸欢ǔ潭鹊恼箤挕τ谕环N核素，不同強度的磁場影響也存在明顯差異，磁場越強，對自由程的影響越明顯。對于18F和22Na等能量低的核素，3.0 T以下磁場對其影響有限，基本可以忽略，但在9.4 T場強下，自由程則分別減少24.5%和20.9%。對于15O和11C等能量高的核素，在9.4 T下自由程分別減少61.5%和42.2%。

表2　常用核素在不同磁場下不同物質(zhì)中的自由程仿真結(jié)果[-Z方向(mm)]

表3　小動物PET分辨率測試結(jié)果(mm)

表4　不同磁場下的PET分辨率測試結(jié)果(mm)

圖4　點源高斯擬合結(jié)果曲線圖

圖5　小動物PET分辨率測試結(jié)果曲線圖

由空間分辨率的結(jié)果可知，在軸向中心，徑向和切向的FWHM與晶體尺寸相當，當點源的徑向偏移逐漸增大時(點源從橫斷面FOV中心向邊沿移動)，徑向的分辨率逐漸變差，這是由于在徑向方向上，圖像分辨率受到射線作用深度效應(yīng)(depth of interaction，DOI)的影響。

對不同磁場下的空間分辨率結(jié)果分析表明，對于22Na，由于其能量較低，自由程短，不同磁場下的空間分辨率并無明顯差別，偏差＜1%。由此可以推斷對于18F等低能核素，空間分辨率幾乎不受磁場影響，探測器尺寸仍是影響空間分辨率的主要因素。15O在橫斷面上的空間分辨率受磁場影響明顯，在3.0 T情況下，F(xiàn)WHM減小約6%，也驗證了對于高能量的正電子核素，自由程是制約空間分辨率的重要因素。此外，還發(fā)現(xiàn)對于磁場為7 T和9.4 T情況下，空間分辨率則差別不大，表明隨著磁場的進一步提高，自由程帶來的空間分辨率提高的優(yōu)勢趨于飽和，而無法進一步提升。

雖然磁場對22Na和18F等的空間分辨率影響不大，但高能核素(如15O等)受磁場影響明顯。近年來，高能核素在臨床上使用日趨廣泛，如15O可用于血流和灌注成像；68Ga標記的多肽(68Ga-DOTA-OC)作為生長抑素類似物在神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤方面有廣泛應(yīng)用；124I已被用于標記多種抗體[15-16]。因此，對不同核素的空間分辨率的仿真實驗對于小動物PET-MRI的研制有重要意義。雖然在高磁場下，空間分辨率可以得到一定提升，但具有方向性，在PET重建中引入不同方向的重建模型很有必要，此外，在不同物質(zhì)中的自由程差異會導(dǎo)致在不同組織中，磁場的影響并不相同，因此在不同組織的邊界，應(yīng)考慮在圖像重建中引入相應(yīng)的校正算法對空間分辨率進行校正。