OSEM重建的設(shè)置對(duì)于99mTcO4-SPECT/CT定量準(zhǔn)確性的影響

西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院 核醫(yī)學(xué)科，陜西 西安 710061

引言

定量SPECT/CT在核醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用和研究領(lǐng)域逐漸發(fā)揮重要的作用并有著很廣闊的發(fā)展前景。許多研究表明定量SPECT的價(jià)值和意義，比如111In、123I和177Lu用于靶向診療和輻射劑量的規(guī)劃[1-3]，利用99mTc和201Tl評(píng)價(jià)局部心肌血流和冠狀動(dòng)脈血流儲(chǔ)備[4-7]，以及放射性藥物在體內(nèi)的生物分布和輻射劑量評(píng)估等[1,8]。與此同時(shí)，SPECT成像的定量準(zhǔn)確性也隨著硬件和軟件的發(fā)展而得到了進(jìn)一步的提升，其中包括融合SPECT/CT系統(tǒng)[9]、圖像重建算法[10-11]，光子的衰減校正和散射校正技術(shù)[10-13]。

針對(duì)SPECT圖像重建方面，迭代算法相比于非迭代算法（比如濾波反投影算法）很大程度提升了定量的準(zhǔn)確性[14-15]。有序子集最大期望值（Ordered-Subset Expectation Maximum，OSEM）重建作為一種標(biāo)準(zhǔn)的迭代重建算法，已經(jīng)被廣泛用于SPECT和PET的圖像重建。這種算法的原理是將圖像數(shù)據(jù)分成不同的子集然后利用最大期望值算法處理這些子集[16]。子集的使用可以使收斂率在早期的迭代過(guò)程中得到很大的提升[17]。在OSEM重建算法的迭代次數(shù)方面，定量的準(zhǔn)確性隨著迭代次數(shù)的遞增而得到提升；另一方面，圖像的噪聲也放大了，這就不利于圖像的顯示。目前的臨床應(yīng)用一般使用較少的迭代次數(shù)來(lái)提升圖像的質(zhì)量，這就犧牲了定量的準(zhǔn)確性。而針對(duì)臨床條件下SPECT圖像定量準(zhǔn)確性和OSEM重建參數(shù)設(shè)置（包括子集數(shù)和迭代次數(shù)）的關(guān)系，目前相關(guān)研究較少。而對(duì)于SPECT/CT的臨床應(yīng)用來(lái)說(shuō)，能夠評(píng)價(jià)定量的準(zhǔn)確性并對(duì)定量結(jié)果進(jìn)行校正是至關(guān)重要的，特別是對(duì)于那些小于三倍空間分辨率的病灶或靶器官（即部分容積效應(yīng)）[18]。SPECT定量準(zhǔn)確性有助于制定治療計(jì)劃、療效評(píng)估和預(yù)后隨訪的準(zhǔn)確度，增加臨床醫(yī)生診斷的信心。

本研究通過(guò)模型數(shù)據(jù)測(cè)定的恢復(fù)系數(shù)（Recovery Coefficient，RC）評(píng)價(jià)99mTcSPECT/CT模型不同OSEM重建參數(shù)（包括子集數(shù)和迭代次數(shù)）的定量準(zhǔn)確性，進(jìn)而制定臨床上最佳的OSEM圖像重建參數(shù)設(shè)置，明確RC與病灶大小之間的關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)不同大小的病灶進(jìn)行定量參數(shù)的校正。

1 資料與方法

1.1 模型圖像采集

采用NEMA/IEC圖像質(zhì)量模型，其中6個(gè)球（37、28、22、17、13、10 mm）和本底內(nèi)分別灌注153.67 Kq/mL和7.03 KBq/mL99mTcO4-，熱球-本底活度比為18:1。利用Discovery 670 pro NM/CT （GE Healthcare，美國(guó)）進(jìn)行斷層圖像采用，配備低能高分辨準(zhǔn)直器，能峰140 keV，能窗±10%，SPECT斷層采集6°一幀，采集時(shí)間為30 s/幀，矩陣128×128。CT采集，電壓120 kV，電流80 mA，旋轉(zhuǎn)時(shí)間0.6 s，螺距1.375:1，矩陣512×512，層厚2.5 mm。

1.2 圖像重建及分析

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用IBM SPSS 22.0軟件分析數(shù)據(jù)。應(yīng)用回歸分析RCmean值與熱球體積之間的關(guān)系及曲線擬合。P＜0.05認(rèn)為差異有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

NEMA/IEC模型的斷層圖像（圖1）顯示，當(dāng)?shù)螖?shù)為2時(shí)圖像質(zhì)量最高，熱球顯示最清晰，邊緣輪廓清晰，形狀最規(guī)整；但隨著迭代次數(shù)增加，圖像質(zhì)量逐漸降低，熱球顯示越來(lái)越模糊，形態(tài)越來(lái)越不規(guī)整，同時(shí)背景噪聲越來(lái)越明顯。

圖1 NEMA/IEC模型SPECT橫斷層圖像（熱球中心水平層面，子集數(shù)為10）

所有熱球的RCmean值均隨著迭代次數(shù)增加而增加，直到迭代50次，當(dāng)?shù)?0或70次時(shí)，RCmean值增加逐漸變得不明顯或出現(xiàn)輕度下降，見圖2。當(dāng)?shù)?增加到10時(shí)，RCmean值增加的幅度最大（10 mm除外）。隨著迭代次數(shù)增加，熱球RCmean值的增加小于迭代線性增加的幅度，當(dāng)?shù)?到10、20到30、40到50、60到70時(shí)，17 mm球RCmean值相對(duì)增加的幅度分別為10.2%、10.2%、2.9%和1.3%。其中13、17、22 mm球的RCmean隨迭代增加而增加的趨勢(shì)最明顯，28 mm和37 mm球不同迭代的平均RCmean值分別為86%和92.8%。但是，隨著子集數(shù)由5、10、15、20到25，所有熱球的RCmean無(wú)明顯差異（圖3）。

圖2 不同迭代次數(shù)對(duì)NEMA/IEC模型熱球RCmean值的影響（子集數(shù)10）

圖3 不同子集數(shù)對(duì)NEMA/IEC模型熱球RCmean值的影響（迭代次數(shù)=50）

當(dāng)?shù)?0次子集數(shù)為10時(shí)，回歸分析結(jié)果顯示SPECT圖像測(cè)定的熱球RCmean與熱球直徑（CT橫斷層圖像熱球中心水平層面測(cè)定）之間呈非線性變化，函數(shù)關(guān)系為對(duì)數(shù)函數(shù)形式，預(yù)估曲線模型為y=0.167ln(x)＋0.486，R2=0.93（圖 4）。

圖4 SPECT圖像測(cè)定的RCmean與熱球體積之間的回歸分析結(jié)果（OSEM重建參數(shù)為迭代50次、子集數(shù)為10）

3 討論

本研究分析了99mTcSPECT/CT圖像不同OSEM重建參數(shù)對(duì)定量準(zhǔn)確性的影響。結(jié)果表明，當(dāng)OSEM重建過(guò)程中隨著迭代次數(shù)的增加13、17、22 mm熱球RCmean也逐漸增加，當(dāng)?shù)螖?shù)=50次時(shí)，99mTcSPECT/CT定量準(zhǔn)確性最高。然而，對(duì)于不同的放射性示蹤劑、準(zhǔn)直器和臨床掃描方案（例如掃描時(shí)間、成像參數(shù)等）也需要改變最佳OSEM重建的迭代次數(shù)。Gnesin等[19]關(guān)于99mTcO4-SPECT定量準(zhǔn)確性研究中采用NEMA模型OSEM迭代次數(shù)為4～48次（4、8、12、16、20、24及48次），結(jié)果顯示直徑10、13、17、22 mm熱球的RC隨迭代次數(shù)的增加而增加，迭代次數(shù)為48時(shí)RC最高，對(duì)于28和37 mm熱球，其定量準(zhǔn)確性的誤差＜5%，與本研究的結(jié)果相似。但是，Ryu等[20]研究結(jié)果顯示NEMA IQ模型10、13、17、22、28、37 mm熱球的RC略低于本研究的結(jié)果，其原因可能是不同設(shè)備的探頭晶體探測(cè)能力不同，另外，其采用不同的熱球-本底放射性濃度比值（7.2:1）和不同的OSEM重建參數(shù)（迭代4次、子集數(shù)為6）。Zeintl等[21]研究提出RC高度依賴于OSEM的迭代次數(shù)，尤其對(duì)于小于系統(tǒng)分部率3倍的病灶或器官，另外，提出當(dāng)32次迭代時(shí)99mTc模型的定量準(zhǔn)確性誤差為3.6%，其95%可信區(qū)間為-19.4%至+12.2%。但針對(duì)177Lu的模型研究提出OSEM重建參數(shù)為5或6次迭代，且子集數(shù)10時(shí)小體積熱球達(dá)到收斂效最佳，同時(shí)圖像噪音最小[22-23]。也有研究提出111In SPECT/CT劑量學(xué)分析及治療計(jì)劃定量分析中推薦使用30次迭代（20個(gè)子集或5個(gè)子集）進(jìn)行OSEM重建[24-25]。而Shcherbinin等[26]188Re SPECT內(nèi)照射劑量分析定量研究中采用4次迭代和8個(gè)子集數(shù)的OSEM重建參數(shù)。同時(shí)本研究還提出不同子集數(shù)（5、10、15、20和25）對(duì)NEMA/IEC模型熱球RCmean無(wú)明顯影響，在SPECT定量臨床實(shí)踐中，可直接采用設(shè)備默認(rèn)子集數(shù)10。因此，根據(jù)本研究的結(jié)果，推薦使用迭代50次子集數(shù)10為最佳OSEM重建參數(shù)，可適應(yīng)于99mTcSPECT定量分析、病例分層及療效評(píng)估等臨床應(yīng)用。然而，這種迭代次數(shù)的增加僅適用于99mTcSPECT/CT定量，而不適合圖像細(xì)節(jié)觀察，NEMA/IEC模型斷層圖像隨著迭代次數(shù)增加其噪聲明顯增加，臨床上可通過(guò)降低迭代次數(shù)以用于提高圖像質(zhì)量，因此，需要在定量準(zhǔn)確度和圖像質(zhì)量之間進(jìn)行權(quán)衡。

另外，本研究應(yīng)用50次迭代和子集數(shù)為10的OSEM重建時(shí)，回歸分析結(jié)果顯示RCmean與病灶的體積之間呈非線性變化，函數(shù)關(guān)系為對(duì)數(shù)函數(shù)形式，具有高擬合度（R2=0.93）。在此分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，模型的建立為不同大小病灶的99mTc-高攝取SPECT/CT定量準(zhǔn)確度提供技術(shù)依據(jù)，對(duì)于小病灶的部分容積校正非常有幫助[27]，可提高小病灶SPECT/CT定量的準(zhǔn)確度[28-32]。

綜上所述，在OSEM迭代次數(shù)方面，99mTcO4-SPECT/CT圖像的定量準(zhǔn)確性隨著迭代次數(shù)的遞增而得到明顯提升，尤其對(duì)于小病灶，當(dāng)?shù)?0次時(shí)，可達(dá)到最大收斂。而子集數(shù)對(duì)定量準(zhǔn)確性無(wú)明顯影響。當(dāng)?shù)?0次、子集數(shù)為10時(shí)， RC與熱球體積之間存在確定對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，為不同大小病灶的99mTcO4-SPECT/CT定量參數(shù)的校正提供可靠的理論依據(jù)。但針對(duì)不同99mTc攝取程度的病變需要進(jìn)一步通過(guò)不同熱球-本底比值的NEMA/IEC模型RC結(jié)果以進(jìn)行更準(zhǔn)確的校正。