數(shù)字化PET/CT正則化重建與有序子集迭代重建的圖像質(zhì)量比較

陶端，彭偉皚，陳江林

1. 飛利浦(中國)投資有限公司 高級(jí)分子影像業(yè)務(wù)部，北京 100026；2. 平安好醫(yī)重慶醫(yī)學(xué)影像中心 核醫(yī)學(xué)科，重慶 400042

引言

正電子發(fā)射斷層成像儀（Positron Emission Tomography，PET）自20世紀(jì)80年代發(fā)明以來，重大的技術(shù)進(jìn)步包括三維采集、PET與CT融合、快速晶體和飛行時(shí)間探測[1]。近兩年P(guān)ET硬件技術(shù)的進(jìn)步是數(shù)字化探測器，采用新型的硅光電放大器件取代傳統(tǒng)的光電倍增管，硅光電放大器件和閃爍晶體結(jié)構(gòu)上一一對(duì)應(yīng)，PET探測器通道數(shù)成千倍地增加，空間分辨率、能量分辨率、時(shí)間分辨率、靈敏度等性能全面躍升[2]。PET重建是將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行放射性分布的還原，得到高質(zhì)量影像的過程。有序子集最大期望值迭代重建（Ordered Subset Expectation Maximization，OSEM）將投影數(shù)據(jù)分成N個(gè)子集進(jìn)行運(yùn)算，提高重建速度，又具備良好的圖像質(zhì)量，成為使用最廣泛的PET重建算法[3]。飛行時(shí)間正則化（Time-of-Flight Regularized Expectation Maximization，TOF-REM）是一種新的算法，將飛行時(shí)間信息加入系統(tǒng)響應(yīng)矩陣，運(yùn)用懲罰函數(shù)進(jìn)行正則化運(yùn)算，是PET重建技術(shù)的一大進(jìn)步[4-6]。目前尚未見將數(shù)字化PET和TOF-REM兩種新技術(shù)結(jié)合在一起，評(píng)估圖像質(zhì)量的研究。本研究旨在數(shù)字化PET/CT平臺(tái)上，比較TOF-REM和OSEM兩種重建算法對(duì)圖像質(zhì)量的影響。

1 材料和方法

1.1 IEC球體模型

選擇美國電氣制造協(xié)會(huì)的IEC球體模型，該模型遵循NEMA標(biāo)準(zhǔn)，用以評(píng)價(jià)PET圖像質(zhì)量[7-8]。模型為有機(jī)玻璃的圓柱體，高30 cm，6個(gè)內(nèi)空的球體在模型中間環(huán)形排列，球體內(nèi)徑依次為10、13、17、22、28、37 mm。球體內(nèi)灌入的18F-FDG比活度為21.2 kBq/mL，球體外18F-FDG的比活度為5.3 kBq/mL，靶本比值為4:1。模型置于視野中心，通過激光定位燈調(diào)整水平后開始采集。

1.2 18F-FDG攝取增高灶的選取

回顧性收集在平安好醫(yī)重慶醫(yī)學(xué)影像中心2019年12月進(jìn)行PET/CT檢查的26例受檢者，進(jìn)行兩種OSEM和TOF-REM重建，融合顯示后，尋找直徑小于18 mm的18F-FDG攝取增高灶。FDG攝取增高灶入選標(biāo)準(zhǔn)：18F-FDG攝取增高，病灶直徑小于18 mm，病灶部位在胸腹部。為避免單一來源，每個(gè)患者最多選取3個(gè)攝取增高灶。

1.3 數(shù)字化PET/CT采集和重建方法

使用飛利浦公司Vereos PET/CT儀，PET采用LYSO晶體和DPC數(shù)字化硅光電放大器件，時(shí)間分辨率為310 ps，能量分辨率為11%，CT為64排探測器。PET/CT采集包含定位片、螺旋CT和PET三個(gè)序列。CT采集參數(shù)為管電壓120 kV，管電流100 mAs，球管旋轉(zhuǎn)時(shí)間0.5 s，螺距0.873。PET是三維列表采集，每床位采集時(shí)間2 min，PET重建采用OSEM和TOF-REM兩種算法，重建矩陣為338×338，層厚2 mm，OSEM重建參數(shù)為3次迭代，18個(gè)子集，點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（Point Spread Function，PSF）打開。TOF-REM采用二次先驗(yàn)演變法（Evolution-Scaled Quadratic Prior，ESQP），TOF-REM重建參數(shù)R值選擇200的默認(rèn)值。衰減校正采用CT圖像生成的透射圖，散射校正采用蒙特卡洛單散射模擬，隨機(jī)校正采用延遲窗相減法。

1.4 模型圖像質(zhì)量的評(píng)估方法和步驟

在IEC球體模型上，對(duì)比度恢復(fù)系數(shù)（Contrast Recovery Coefficient，CRC)是評(píng)價(jià)PET圖像質(zhì)量的定量指標(biāo)[7]。最大對(duì)比度恢復(fù)系數(shù)的計(jì)算方法如公式(1)所示。

其中，Mmax是球體ROI中的測量得到的最大比活度，Tmax是真實(shí)的最大比活度。

平均對(duì)比度恢復(fù)系數(shù)的計(jì)算方法如公式(2)所示。

其中，Mmean是球體ROI中的測量得到的平均比活度，Tmean是真實(shí)的平均比活度。

對(duì)比度恢復(fù)系數(shù)計(jì)算的詳細(xì)步驟如下：IEC球體模型進(jìn)行PET采集，然后重建得到PET橫斷面影像數(shù)據(jù)，融合顯示后找到球體的最大層面，在6個(gè)球體的內(nèi)部勾畫出相應(yīng)的感興趣區(qū)（Region of Interest，ROI），記錄球體ROI的最大比活度和平均比活度。球外區(qū)域代表本底，在本底區(qū)域勾畫尺寸相同的ROI，記錄本底R(shí)OI的最大比活度和平均比活度，依據(jù)公式，計(jì)算得到CRC。

1.5 FDG攝取增高灶的圖像質(zhì)量評(píng)估方法和步驟

受檢者體內(nèi)的FDG攝取增高灶，采用相對(duì)信噪比作為圖像質(zhì)量評(píng)估的定量指標(biāo)。相對(duì)信噪比是信噪比的相對(duì)比值，其過程包括選取放射性攝取增高灶、測量信噪比和計(jì)算相對(duì)信噪比三個(gè)步驟。詳細(xì)步驟如下：26例受檢者，在星云后處理工作站顯示OSEM和TOF-REM重建得到的圖像，在OSEM迭代重建的PET圖像中，打開三維ROI勾畫工具欄，選擇最大計(jì)數(shù)百分比的勾畫方式，對(duì)于肉眼可見FDG攝取高的小病灶進(jìn)行三維ROI的自動(dòng)圈畫，勾畫完成后，查看此三維ROI的體積，找到＜3 mL的小病灶，測量直徑，直徑＜18 mm的FDG攝取增高灶算進(jìn)納入范圍，在同一層面查看TOF-REM重建圖像。測量信噪比第一步是測量并記錄攝取增高灶的SUVmax，選定自身的縱隔血池作為本底區(qū)域，勾畫18 mm直徑的球形ROI，測量并記錄縱隔血池的SUVmax，兩者比值是信噪比。同一攝取增高灶，TOF-REM重建的信噪比與OSEM重建的信噪比兩者相除，就得到了相對(duì)信噪比。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用IBM SPSS 26.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。模型CRC的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析采用Wilcoxon符號(hào)秩和檢驗(yàn)，比較TOF-REM重建和OSEM重建的CRC。FDG攝取增高灶相對(duì)信噪比的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，采用卡方檢驗(yàn)。攝取增高灶的直徑和相對(duì)信噪比的關(guān)系采用Pearson分析。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 IEC球體模型的圖像質(zhì)量

6個(gè)模擬熱區(qū)的球體在模型中間呈環(huán)形排列，內(nèi)徑依次為10、13、17、22、28、37 mm，圖1為IEC球體模型在PET重建后得到的橫斷層影像，對(duì)應(yīng)的是球體最大直徑的層面，圖1a為TOF-REM重建，圖1b為OSEM重建，圖1a和圖1b對(duì)比可見，TOF-REM重建對(duì)直徑為17、13、10 mm的小球，對(duì)比度高，顯示更清晰，圖像質(zhì)量更好。

圖1 IEC球體模型的圖像質(zhì)量

CRC是評(píng)估IEC球體模型圖像質(zhì)量的定量指標(biāo)，表1列出了在TOF-REM和OSEM兩種重建方式，6個(gè)球體的CRCmax、CRCmean以及提升百分比。由表1可知，對(duì)于直徑22、28、37 mm的小球，兩種重建方法CRC接近。對(duì)于直徑17、13、10 mm的球體，TOF-REM重建的CRCmax和CRCmean提高明顯。與OSEM相較，TOF-REM重建對(duì)于10 mm直徑的球體，提升百分比高達(dá)68%。

表1 IEC模型不同球體直徑（mm）TOF-REM和OSEM重建的CRC

2.2 FDG攝取增高灶的圖像質(zhì)量

2019年12月的26例患者，PET圖像尋找直徑＜18 mm的FDG放射性攝取增高灶，其中男性15例，女性11例，年齡中位數(shù)為56歲（45～72歲）。總共納入65個(gè)FDG攝取增高灶，其中肺部32個(gè)，縱隔11個(gè)，腹部22個(gè)。圖2是某一受檢者的PET冠狀位影像，分別為TOF-REM重建和OSEM重建，肺門處可見FDG攝取增高灶，TOF-REM重建的信噪比為3.8，OSEM重建的信噪比為2.6，相對(duì)信噪比為145%，提高接近50%。

圖2 FDG攝取增高灶的圖像質(zhì)量

繪制65個(gè)FDG攝取增高灶的散點(diǎn)圖，橫坐標(biāo)為增高灶的直徑，縱坐標(biāo)為相對(duì)信噪比（圖3）。所有FDG攝取增高灶的相對(duì)信噪比都高于100%，區(qū)間在107%～182%，說明在數(shù)字化PET/CT平臺(tái)上，TOF-REM重建對(duì)于體內(nèi)的FDG攝取增高灶，提高了信噪比，普遍提高了圖像質(zhì)量。對(duì)直徑≥15 mm的攝取增高灶，相對(duì)信噪比為125%的水平；對(duì)直徑＜5 mm的攝取增高灶，相對(duì)信噪比可達(dá)170%以上。FDG攝取增高灶的直徑與和相對(duì)信噪比的相關(guān)性分析，Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.35（P=0.08），TOF-REM重建對(duì)小的攝取增高灶，相對(duì)信噪比更高，圖像質(zhì)量提高更多。

圖3 FDG攝取增高灶直徑與相對(duì)信噪比的散點(diǎn)圖

3 討論與總結(jié)

提升圖像質(zhì)量是PET/CT技術(shù)進(jìn)步的原動(dòng)力，近年P(guān)ET/CT的硬件技術(shù)飛躍有數(shù)字化探測器，軟件算法的進(jìn)步有正則化重建[6]，為了解數(shù)字化PET/CT正則化重建對(duì)圖像質(zhì)量的影響，本研究通過IEC模型和FDG攝取增高灶，評(píng)估圖像質(zhì)量的變化。

本研究方法學(xué)的創(chuàng)新點(diǎn)之一是數(shù)字化PET/CT和正則化重建兩種新技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用。數(shù)字化PET/CT的自問世以來備受關(guān)注，Danielle等[9]對(duì)乳腺癌患者在傳統(tǒng)PET/CT和數(shù)字化PET/CT顯像下的圖像質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比，證明數(shù)字化PET的圖像質(zhì)量優(yōu)于傳統(tǒng)PET，腫瘤的TNM分期更加精準(zhǔn)，從而帶來更精準(zhǔn)的治療方案。正則化使用相鄰體素間差異的函數(shù)，充當(dāng)噪聲抑制項(xiàng)，從而抑制噪聲，增加迭代更新，是新興的重建算法。用于PET重建的正則化有兩種，塊序正則化和飛行時(shí)間正則化。塊序正則化重建對(duì)肺結(jié)節(jié)，肉眼觀察可改善圖像質(zhì)量，對(duì)于直徑＜10 mm 的肺結(jié)節(jié)，能明顯提高SUVmax，但不能鑒別結(jié)節(jié)的良惡性。塊序正則化最重要的重建參數(shù)是懲罰強(qiáng)度因子β值，需要根據(jù)不同情況進(jìn)行設(shè)定和優(yōu)化，神經(jīng)系統(tǒng)的最佳β值是200，F(xiàn)DG腫瘤學(xué)的最佳β值是350，如果β值＞400，肝臟會(huì)出現(xiàn)假陽性[10-11]。飛行時(shí)間正則化的核心在于引入特征提取和飛行時(shí)間的計(jì)算，初步研究表明，能夠降低噪聲，提高信噪比，病灶的邊界更加清晰[6-12]。以上關(guān)于圖像質(zhì)量的研究，或就數(shù)字化PET/CT展開，或就正則化重建進(jìn)行相關(guān)研究，尚未見數(shù)字化PET/CT正則化重建算法聯(lián)合評(píng)估圖像質(zhì)量的研究。

采用相對(duì)信噪比評(píng)估FDG攝取增高灶的圖像質(zhì)量，是本研究方法學(xué)上的創(chuàng)新點(diǎn)之二。體內(nèi)的FDG攝取增高灶，評(píng)估圖像質(zhì)量常用方法為SUVmax比值法[13-14]。SUVmax是PET/CT常用的半定量指標(biāo)，局部組織攝取示蹤劑的放射性活度與全身平均的注射活度的比值，SUVmax很好地反映了PET圖像質(zhì)量，但SUVmax比值法沒考慮PET影像存在本底差異。在評(píng)估不同采集和重建條件的圖像質(zhì)量，相對(duì)信噪比是更好的評(píng)價(jià)指標(biāo)，優(yōu)于SUVmax比值法。相對(duì)信噪比具體步驟為：記錄FDG攝取增高灶的SUVmax和縱隔血池本底區(qū)域的SUVmax，兩者相除得到信噪比；然后對(duì)同一FDG攝取增高灶，兩種重建方式的信噪比進(jìn)行相除，得到相對(duì)信噪比。因?yàn)槿梭w在FDG攝取達(dá)到平衡后，縱隔血池比較穩(wěn)定，可以作為本底區(qū)域。去除了本底差異的影響，相對(duì)信噪比成為了評(píng)估FDG攝取增高灶更好的定量指標(biāo)[15]。

本研究結(jié)果顯示，在數(shù)字化PET/CT上，TOF-REM重建比OSEM重建提高了圖像質(zhì)量。對(duì)于直徑較小的球體模型和FDG攝取增高灶，圖像質(zhì)量有更大的提高，有利于檢出病灶。數(shù)字化PET/CT自問世以來備受關(guān)注，圖像質(zhì)量的相關(guān)研究百花齊放，Nghi等[16]報(bào)道了數(shù)字化PET/CT圖像質(zhì)量遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)PET/CT。Katherine等[17]在數(shù)字化PET/CT上就圖像質(zhì)量和18F-FDG顯像劑的關(guān)系進(jìn)行研究，傳統(tǒng)PET/CT常規(guī)注射10毫居18F-FDG，數(shù)字化PET/CT能減少70%，最低可少至2.6毫居，確保好的圖像質(zhì)量，又減少了受檢者的輻射劑量。Jun等[18-19]就圖像質(zhì)量和掃描速度的關(guān)系展開研究，數(shù)字化PET/CT在保證良好圖像質(zhì)量的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)每床位30 s的快速掃描。Francisco等[20]從SUVmax入手，量化分析數(shù)字化PET/CT圖像質(zhì)量的提高程度，提高可達(dá)36%。釔-90因?yàn)檎娮拥谋壤龢O低，對(duì)釔-90標(biāo)記的玻璃微球傳統(tǒng)PET/CT難以顯影，但數(shù)字化PET/CT能夠清晰顯像，圖像質(zhì)量很好，開啟治療劑量學(xué)的研究[21]。以上圖像質(zhì)量的研究都是基于OSEM重建。正則化重建算法對(duì)圖像質(zhì)量的提高，趙斌等[10]已有報(bào)道，本研究結(jié)果顯示，對(duì)直徑＜10 mm 的高攝取灶，TOF-REM重建得到更好的圖像質(zhì)量。

本研究結(jié)果的先進(jìn)性，進(jìn)一步揭示FDG攝取增高灶的直徑與圖像質(zhì)量提高程度這兩者的關(guān)系。傳統(tǒng)PET/CT因?yàn)榭臻g分辨率及硬件瓶頸，直徑較小的FDG攝取增高灶，難以清晰顯示，也就沒有研究報(bào)道直徑＜10 mm這種相關(guān)性，本研究通過繪制FDG攝取增高灶的直徑與相對(duì)信噪比的散點(diǎn)圖，并進(jìn)行相關(guān)性分析，明確了攝取增高灶直徑越小，TOF-REM重建的圖像質(zhì)量提高越明顯，兩者存在相關(guān)性。另外本研究的表1顯示，IEC模型隨著球體直徑變小，CRC的提升百分比增高，也印證這種相關(guān)性。

本研究存在一定的局限性，即重建參數(shù)，我們使用設(shè)備制造商提供的默認(rèn)設(shè)置，進(jìn)行OSEM和TOF-REM。雖然這些設(shè)置適用于臨床，但這些設(shè)置有可能不是最佳設(shè)置。針對(duì)迭代更新次數(shù)、正則化R 值和PSF等重建參數(shù)的優(yōu)化，有可能提高圖像質(zhì)量，這可以成為將來進(jìn)一步的研究內(nèi)容。