一體化PET/MR不同衰減校正方式定量準(zhǔn)確性分析及圖像質(zhì)量評(píng)估*

田德峰 楊宏偉 莊靜文 崔碧霄 馬 杰 嚴(yán)漢民 盧 潔*

在醫(yī)學(xué)成像中，成像系統(tǒng)的性能需要定期測(cè)試和評(píng)估，以確保正常的功能和最佳的圖像質(zhì)量。對(duì)于正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像(positron emission tomography，PET)掃描儀，美國(guó)國(guó)家電氣制造商協(xié)會(huì)(National Electrical Manufactures Association，NEMA)制定了評(píng)估PET系統(tǒng)性能的標(biāo)準(zhǔn)[1]。當(dāng)引入新系統(tǒng)時(shí)，這種圖像質(zhì)量控制測(cè)量還用于PET/MR成像中PET性能的測(cè)量，且在評(píng)估PET/MR成像性能的臨床研究中比較依賴(lài)于NEMA IQ體模測(cè)量[2-4]。Drzezga A等[5]提到PET/MR圖像的劑量?jī)?yōu)化研究也依賴(lài)于NEMA IQ體模測(cè)量，所有這些研究均建立在體模精確的衰減校正(attenuation correction，AC)基礎(chǔ)上。

為了獲得定量準(zhǔn)確的PET圖像，用質(zhì)量控制體模來(lái)確定掃描儀的性能參數(shù)，需要對(duì)所采集的PET數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，以減弱由掃描對(duì)象以及系統(tǒng)的硬件造成的光子衰減[4，6]。在PET/CT成像中，關(guān)于被掃描物體衰減特性的信息是從CT掃描本身獲得；在PET/MR成像中，應(yīng)用基于MR的衰減校正方法來(lái)校正由人體組織引起的衰減[7-8]。但是，體模成像的準(zhǔn)確性和適用性還需要系統(tǒng)全面的量化。目前，基于MR的AC(MRAC)只考慮液體模中的溶液，其提供了足夠的MR信號(hào)，但在PET中其不適用于體模外殼中常用的塑料或玻璃材料，因?yàn)檫@些材料在MR成像中無(wú)信號(hào)。因此，本研究將預(yù)先獲得的基于CT模板的μ-map與NEMA IQ體模結(jié)合使用，并將μ-map安裝在PET/MR系統(tǒng)上進(jìn)行NEMA IQ體模質(zhì)量控制實(shí)驗(yàn)并與之對(duì)比，評(píng)估基于MR-AC的定量效果及圖像質(zhì)量的影響。

1 材料和方法

1.1 設(shè)備及體模

(1)GE SIGNA TOF PET/MR。主磁場(chǎng)B0為3.0T，系統(tǒng)配備了專(zhuān)用的MR成像協(xié)議，用于采集和生成μ-map(MR-AC)以及NEMA IQ體模專(zhuān)用的體模方案(CT-AC)。

(2)NEMA IQ體模。外殼為丙烯酸玻璃材料，衰減系數(shù)μ～0.118 cm-1，由6個(gè)小球和中心肺部插件組成，小球內(nèi)徑分別為10 mm、13 mm、17 mm、22 mm、33 mm和37 mm，厚度約為1 mm；位于體模中心的肺部插件的平均密度為(0.3±0.1)g/ml[1，9]。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

(1)體模制備。NEMA IQ體模的背景和10 mm、13 mm、17 mm及22 mm的球體填充有18F-氟代脫氧葡萄糖(18F-flurodeoxyglucose，18F-FDG)與純水混合，使用NEMA指定的4∶1球體-背景活性濃度比[1，3，8-9]。測(cè)量開(kāi)始時(shí)的示蹤劑活性濃度：體模背景為(5.3±0.053)kBq/ml；10 mm、13 mm、17 mm及22 mm小球?yàn)?21.2±0.05)kBq/ml。33 mm、37 mm的球體裝滿水。

(2)MR-AC。GE SIGNA PET/MR系統(tǒng)的MR-AC采集執(zhí)行3D射頻擾相梯度回波(spoiled gradient recalled，SPGR)序列(LAVA-FLEX)軸向定位，從同相和反相圖像中導(dǎo)出水和脂肪圖像，然后將MR數(shù)據(jù)集分成4個(gè)組織類(lèi)別，即空氣、肺、脂肪和軟組織，脂肪和軟組織的衰減系數(shù)為0.086/cm-1的0.095/cm-1[7-10](見(jiàn)表1)。

表1 四類(lèi)組織類(lèi)別的衰減系數(shù)

(3)CT-AC。GE SIGNA PET/MR系統(tǒng)為NEMA IQ體模應(yīng)用基于CT的模板—從經(jīng)過(guò)AC的PET圖像中提取NEMA IQ體模的定位信息，利用預(yù)定義的方法將體模基于CT的衰減圖導(dǎo)入并與測(cè)量所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)[8-9]。

(4)PET圖像重建。在有序子集最大期望值算法(ordered subsets expectation maximization，OSEM)條件下進(jìn)行不同的方法重建PET圖像，包括重建矩陣192×192，256×256；迭代次數(shù)為2，3，4次迭代，重建濾波器均選用高斯4 mm半高寬(full width at half maximum，F(xiàn)HWM)。是否使用飛行時(shí)間(time off light，TOF)技術(shù)。

2 結(jié)果

2.1 圖像數(shù)據(jù)分析

使用MATLAB編程讀取了13×13的μ-map圖像矩陣，并顯示其像素值，PET圖像反映的是γ射線透射組織的投影信息，像素值與線性衰減系數(shù)是一一對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系。

(1)使用MR-AC方案時(shí)，MR-AC μ-map中并未顯示體模外殼以及各小球外殼的信號(hào)，而是把這些玻璃材料分配給了背景溶液(見(jiàn)圖1)。

圖1 基于MR的衰減校正圖

(2)GE SIGNA PET/MR系統(tǒng)將肺插入物的衰減系數(shù)按照人體解剖結(jié)構(gòu)定義為肺的衰減系數(shù)(0.018 cm-1)。將NEMA IQ體模中的水和18F-FDG的混合物視為脂肪及其他組織，其中體模邊緣定義的脂肪為0.085 cm-1和0.086 cm-1，因此分別指定了不正確的衰減系數(shù)[9](見(jiàn)表2)。

(3)使用CT-AC方案時(shí)，CT-AC μ-map中清晰的顯示出體模外殼以及各小球外殼的信號(hào)，而不是把這些玻璃材料分配給背景溶液(見(jiàn)圖2)。

圖2 基于CT的衰減校正圖

(4)使用體模專(zhuān)用的CT-AC方案時(shí)，肺部插件及水和18F-FDG的溶液被分配了正確的衰減系數(shù)：0.032 cm-1和0.095 cm-1(見(jiàn)表3)。

表2 MATLAB軟件讀取的MR-AC衰減圖像素值

表3 MATLAB軟件讀取的CT-AC衰減圖像素值

2.2 圖像質(zhì)量對(duì)比

在兩種AC方法條件下分別對(duì)比了重建矩陣(192×192，256×256)、迭代次數(shù)(2，3，4次迭代)以及是否使用TOF(TOF和NOTOF)的圖像質(zhì)量。

(1)在使用重建矩陣為192×192時(shí)，CT-AC條件下的NEMA IQ放射性球體的SNR比使用MR-AC時(shí)分別高出5.9%、12.4%、23.6%和33.6%；重建矩陣為256×256時(shí)，CT-AC條件下的NEMA IQ放射性球體的SNR比使用MR-AC時(shí)分別高出3.1%、9.2%、17.0%和26.5%(見(jiàn)圖3)。

圖3 MR-AC和CT-AC圖像在不同重建矩陣下的SNR曲線圖

(2)迭代次數(shù)為2次時(shí)，CT-AC條件下的NEMA IQ放射性球體的SNR比使用MR-AC時(shí)分別高出6.9%、13.1%、22.9%和27.4%；迭代次數(shù)為3次時(shí)，放射性球體SNR分別高出5.9%、12.4%、23.6%和33.6%；迭代次數(shù)為4次時(shí)，放射性球體SNR分別高出0.6%、12%、22.8%和33.4%(見(jiàn)圖4)。

圖4 MR-AC和CT-AC圖像在不同迭代次數(shù)下的SNR曲線圖

(3)使用TOF技術(shù)重建時(shí)，CT-AC條件下的NEMA IQ放射性球體的SNR比使用MR-AC時(shí)分別高出12.6%、27.0%、44.2%和83.7%(見(jiàn)圖5)。

圖5 MR-AC和CT-AC圖像使用TOF技術(shù)時(shí)的SNR曲線圖

3 討論

在一體化PET/MR數(shù)據(jù)采集期間，處于在PET視野中的人體組織和硬件組件，如體?；蛏漕l線圈會(huì)衰減PET光子，為了獲得定量PET圖像，需要執(zhí)行AC[9]。CT數(shù)據(jù)反映的是物質(zhì)的電子密度分布信息，CT圖像中的CT值可以直接計(jì)算出物質(zhì)的衰減系數(shù)，其光子能量可以通過(guò)雙線性插值的方法調(diào)整到511 keV的光子能量，獲得511 keV的線性衰減系數(shù)可以直接對(duì)PET發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行AC，因此CT-AC具有更加準(zhǔn)確的定量性能。MR數(shù)據(jù)反映的是物質(zhì)的弛豫時(shí)間和質(zhì)子密度分布信息，PET衰減的組織信號(hào)需要從MR數(shù)據(jù)中導(dǎo)出，執(zhí)行專(zhuān)用的MR序列對(duì)物質(zhì)進(jìn)行組織分割，然后分配給每類(lèi)組織固定的衰減系數(shù)，因此MR-AC在定量準(zhǔn)確性上還存在諸多挑戰(zhàn)，且MR-AC是基于臨床的人體解剖標(biāo)準(zhǔn)，不能直接進(jìn)行體模成像[2，8]及相關(guān)質(zhì)量控制實(shí)驗(yàn)。

質(zhì)量控制實(shí)驗(yàn)只有在各種系統(tǒng)準(zhǔn)確和可再現(xiàn)的情況下才有效[11]。本研究的主要目的是為了使用具有MR-AC和CT-AC方案的NEMA IQ體模，評(píng)估PET/MR中的質(zhì)量控制實(shí)驗(yàn)，其研究結(jié)果表明，MR-AC的方案用在PET/MR進(jìn)行PET質(zhì)量控制實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于無(wú)法獲取體模外殼以及各插件材料的MR信號(hào)，不能對(duì)這些材料進(jìn)行AC，而系統(tǒng)會(huì)按照預(yù)定義解剖結(jié)構(gòu)的衰減信息分配給體模衰減圖，生成錯(cuò)誤的μ-map，導(dǎo)致重建的PET數(shù)據(jù)存在顯著偏差[9，12-13]。因此，這樣的QC實(shí)驗(yàn)不能作為PET的定量標(biāo)準(zhǔn)。SIGNA PET/MR系統(tǒng)上，專(zhuān)門(mén)為NEMA IQ體模提供的AC方案是基于CT的AC方法，獲得實(shí)質(zhì)上更準(zhǔn)確的μ-map。

對(duì)于GE SIGNA PET/MR系統(tǒng)，臨床MR-AC已經(jīng)將肺部插件分類(lèi)為肺組織，在這種情況下，穿過(guò)插入物的響應(yīng)線(line of response，LOR)的AC準(zhǔn)確度將會(huì)更低，這會(huì)在PET的重建數(shù)據(jù)中導(dǎo)致更大的偏差。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)一體化PET/MR系統(tǒng)應(yīng)用基于CT的AC來(lái)評(píng)估PET圖像質(zhì)量，并與使用基于MR的AC結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證用于進(jìn)行PET質(zhì)量控制實(shí)驗(yàn)的臨床MR-AC方案導(dǎo)致不準(zhǔn)確的結(jié)果，以及基于CT-AC的必要性和優(yōu)越性。使用基于CT的方法評(píng)估圖像質(zhì)量參數(shù)其結(jié)果表明，與基于CT的AC相比，基于MR的AC導(dǎo)致定量不足及圖像質(zhì)量下降。