高艷，趙晉華

上海交通大學(xué)附屬第一人民醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科，上海 201620

PET/MR衰減校正技術(shù)的研究進(jìn)展

高艷，趙晉華

上海交通大學(xué)附屬第一人民醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科，上海 201620

PET/MR采用MR圖像信息對(duì)γ射線衰減進(jìn)行校正。本文介紹了PET衰減校正的基本原理，及PET/MR的4種衰減校正方法，包括組織分類(lèi)法、圖譜配準(zhǔn)法、透射掃描法和發(fā)射數(shù)據(jù)重建法，并簡(jiǎn)單敘述了以上4種衰減校正方法在腦部或全身的應(yīng)用。

PET/MR；衰減校正；正電子核素；衰減系數(shù)

目前，以PET/CT為代表的臨床多模式顯像技術(shù)已獲得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其在功能與解剖結(jié)構(gòu)結(jié)合顯像方面的重要作用日益突顯[1]。PET/CT的優(yōu)勢(shì)之一在于能夠直接利用CT圖像信息對(duì)PET發(fā)射數(shù)據(jù)圖像中的γ射線衰減進(jìn)行校正。這主要得益于CT的2個(gè)特性：① CT掃描速度快，避免了單純PET設(shè)備中長(zhǎng)時(shí)間（大約占到全部采集時(shí)間的50 ％）的放射性棒源透射顯像；② CT值代表了全視野中組織對(duì)X線的衰減性質(zhì)，通過(guò)特定轉(zhuǎn)換方法對(duì)CT圖像中CT值調(diào)整后能夠獲得PET的衰減圖像[2]。盡管這種方法僅僅是一種近似法，但是有報(bào)道顯示，與放射性棒源透射顯像相比，基于CT的衰減校正（CT Attenuation Correction，CT-AC）所得的衰減圖像在PET重建圖像中擁有同樣的定量精度和更好的對(duì)比度[3]。

在過(guò)去的數(shù)年里，臨床PET/MR裝置成為現(xiàn)實(shí)，但其在定量精度上仍存有亟待解決的難題，尤其是關(guān)于PET衰減校正方面。目前，臨床PET/MR系統(tǒng)中應(yīng)用于PET圖像的大部分衰減校正方法（MR Attenuation Correction，MRAC）是以圖像分割技術(shù)與特定MR序列的結(jié)合為基礎(chǔ)探索所得。本文將對(duì)PET/MR設(shè)備中4種MRAC方法簡(jiǎn)單敘述。

1 衰減校正的原理

PET顯像的正電子核素在組織中發(fā)生正電子衰變，產(chǎn)生的正電子與周?chē)呢?fù)電子湮滅生成一對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反、各帶有511 keV能量的γ光子。γ光子在穿過(guò)物體到達(dá)探測(cè)器的過(guò)程中會(huì)以一定概率與物體中的電子發(fā)生光電效應(yīng)和康普頓散射，因此無(wú)法被全部探測(cè)到，此即射線衰減的根源。為了準(zhǔn)確定量分析放射性藥物在體內(nèi)分布的情況，針對(duì)衰減信息進(jìn)行校正成為PET成像的一個(gè)必要環(huán)節(jié)，這主要是通過(guò)特殊方法了解組織對(duì)射線的衰減性質(zhì)（衰減系數(shù)），即組織密度對(duì)射線的影響，然后運(yùn)用至圖像處理中，最終獲得組織實(shí)際放射性分布的圖像。

2 校正方法

衰減校正可以通過(guò)直接測(cè)量法和間接計(jì)算法進(jìn)行：直接測(cè)量法，即通過(guò)體外放射源的透射掃描直接重建出物體的衰減圖進(jìn)行校正；間接計(jì)算法，不需要進(jìn)行放射源透射掃描，而是利用已知的圖像信息估計(jì)出衰減圖進(jìn)行校正。單純PET設(shè)備利用棒源（68Ge）及PET/CT中采用CT替代棒源進(jìn)行衰減校正，均屬于直接測(cè)量法。

與CT顯像相比，MR主要利用磁自旋成像，而非組織密度分布成像，不能直接提供關(guān)于組織衰減性質(zhì)的信息，因此在PET/MR系統(tǒng)中，需通過(guò)間接計(jì)算法進(jìn)行衰減校正。目前主要研究的方法有：① 組織分類(lèi)法，即采用不同的MR序列獲得組織中氣體、脂肪、水和骨組織的信息；② 圖譜配準(zhǔn)法，即利用預(yù)先獲得的圖像模板與實(shí)際采集的患者圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，進(jìn)而得到相應(yīng)的組織成分差異，然后進(jìn)行衰減圖像的估計(jì)；③ 透射掃描法和發(fā)射數(shù)據(jù)重建法，即采用透射掃描獲得衰減系數(shù)（Attenuation Coefficient，ACe），或通過(guò)特殊算法直接處理PET圖像進(jìn)行衰減校正[4]。

2.1 組織分類(lèi)法

為了改善早期PET衰減校正，1981年Huang等提出了組織分類(lèi)法，即將所得的透射圖像利用區(qū)域界定公式劃分出不同組織成分，并計(jì)算出各自衰減校正因子用于PET圖像的衰減校正[5]。

此后，逐步有研究開(kāi)始嘗試對(duì)MR圖像分類(lèi)，然后進(jìn)行PET數(shù)據(jù)的校正，這也為PET/MR系統(tǒng)圖像的衰減校正提供了依據(jù)。該方法中一般采用對(duì)解剖結(jié)構(gòu)顯像較好、利于觀察的T1WI MR圖像，在依據(jù)衰減特性的不同劃分出各類(lèi)組織后，分別賦予511 keV下相應(yīng)的衰減系數(shù)，然后進(jìn)行圖像校正。

在腦部MRAC處理中，Zaidi等將腦部組織分為空氣、顱骨、腦組織、鼻竇，并通過(guò)形態(tài)學(xué)處理方法改善圖像質(zhì)量，進(jìn)一步得出衰減系數(shù)[6]。Rota采用了一種可以自動(dòng)識(shí)別組織界限的工具，然后利用特定的后期處理得出4種類(lèi)別的組織——腦組織、顱外軟組織、骨、鼻竇，并與單純PET系統(tǒng)中的放射性棒源衰減校正進(jìn)行了對(duì)比。其后，他們又結(jié)合了區(qū)域之間位置關(guān)系和形狀差異等解剖知識(shí)，通過(guò)一種自動(dòng)、多級(jí)的方式進(jìn)行組織分類(lèi)，將腦部劃分為白質(zhì)和灰質(zhì)、腦脊液、脂肪組織以及背景。在后期處理中，進(jìn)一步將腦外區(qū)域進(jìn)行組織分類(lèi)，最終分為腦組織、顱外軟組織、顱骨、鼻竇和副鼻竇、顳骨乳突,其中乳突由骨薄片和充氣實(shí)體組成，因此被單獨(dú)劃出以賦予相應(yīng)的ACe[7-10]。Malone等更細(xì)致地劃分出6種組織——空氣、脂肪、軟組織、腦脊液、鼻竇和骨[11]。

直接的組織分類(lèi)方法也可用于全身PET/MR中，但其主要問(wèn)題在于全身骨及肺的劃分。由于骨在MR中顯像不清，因此，通常情況下骨組織都是以軟組織形式進(jìn)行處理。同樣，肺MR信號(hào)也較低，不利于肺組織的識(shí)別。Matinez等采用了2點(diǎn)Dixon序列將T1WI MR圖像分割為肺、脂肪、軟組織和背景，開(kāi)采用了連通區(qū)域分析法劃分出肺[12]。Steinberg提出了一種3D自旋回波序列，輔以采用固定的信號(hào)或區(qū)域尺寸的閾值，將組織分為空氣、軟組織和肺3種，但僅僅在動(dòng)物中進(jìn)行了評(píng)估，這種方法用于人體尚待更多研究[13]。與之類(lèi)似的是Schulz等人的方案，但他們?cè)诜蔚姆直嬷胁捎玫氖菂^(qū)域增長(zhǎng)方法，結(jié)果顯示與CT-AC相比，15名患者病灶的PET圖像中平均放射性濃度差值＜7％[14]。Hu等人通過(guò)直方圖分析法和軟組織信號(hào)強(qiáng)度閾值來(lái)估計(jì)患者組織的大小和位置。在肺的分割中，其利用基于綜合強(qiáng)度屬性的區(qū)域生長(zhǎng)和基于可變形模型的分割方法確定肺的部位及邊界，減少被誤分入胃或腸的影響，這其中運(yùn)用了肺在人體中典型位置和大小的解剖知識(shí)和形態(tài)特征（如密實(shí)度）。此外，區(qū)域增長(zhǎng)的后處理包括距離限制和形態(tài)學(xué)運(yùn)算法，也進(jìn)一步提高了肺組織的分割效率[15-16]。AKbarzadeh借助ITK軟件庫(kù)分割出4種組織——軟組織、肺、骨松質(zhì)、骨密質(zhì)[17]。

盡管結(jié)合解剖知識(shí)后，提高了分割法的準(zhǔn)確性和全面性，但仍無(wú)法滿足圖像定量精度的要求，在骨組織方面，這也是腦部PET/MR顯像的關(guān)鍵步驟。雖然在T1WI上，骨與空氣的信號(hào)均為低信號(hào)，但在透射掃描圖像中二者的密度值及ACe有很大差距，單純地將骨以軟組織或空氣的方式進(jìn)行處理，無(wú)疑會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的定量錯(cuò)誤。因此，有必要尋找一種提高骨顯像清晰度以利于組織準(zhǔn)確分割的方法。與CT相比，MR除了具有軟組織對(duì)比度明顯、無(wú)輻射等優(yōu)點(diǎn)外，還具有可利用特殊MR序列進(jìn)行顯像的優(yōu)勢(shì)。在臨床PET/MR的衰減校正法中，逐漸引入了一種新的技術(shù)——超短回波時(shí)間（Ultrashort Echo Time，UTE）序列[18]。UTE序列可用于MR中對(duì)骨組織的顯像，它是利用骨具有非常短的橫向弛豫時(shí)間（T2）。UTE包括對(duì)2種回波時(shí)間的圖像采集，一種用于顯示骨組織，另一種用于顯示在2種采集圖像上信號(hào)相同的其他類(lèi)型組織。UTE序列已用于腦顯像的評(píng)估，研究表明相比于CT-AC，最大的差異可達(dá)到20％～40％，而全腦平均放射性濃度差異大約為5％[18-20]。但是，目前利用UTE進(jìn)行衰減校正這一方法，無(wú)論是在全部采集時(shí)間的問(wèn)題上還是個(gè)體化參數(shù)選擇上，都缺少相應(yīng)的可靠標(biāo)準(zhǔn)。此外，關(guān)于UTE用于全身MR顯像的報(bào)道僅有少數(shù)，而且需要較長(zhǎng)的采集時(shí)間，從而限制了其在臨床中的推廣應(yīng)用。

此外，目前還提出在MR中利用零回波時(shí)間（Zero Echo Time，ZTE）技術(shù)，進(jìn)一步顯示骨組織中小梁結(jié)構(gòu)，有利于觀察骨組織在生理上或病理上的變化，其原理是ZTE具有采集并編碼極短T2的MR信號(hào)的能力。這種方法擁有良好的空間分辨率和穩(wěn)定性[21]。

在第一代臨床PET/MR系統(tǒng)衰減校正中，是以2點(diǎn)Dixon梯度回波序列為基礎(chǔ)，利用脂肪與水化學(xué)移位的對(duì)比效應(yīng)，僅需數(shù)秒的采集，能夠分別單獨(dú)顯示水和脂肪圖像，因此非常適于全身MR圖像的分割。利用此方法，可將組織分為5類(lèi)——空氣、肺、脂肪組織、非脂肪組織、脂肪與非脂肪混合組織[22]。在2點(diǎn)Dixon梯度回波序列基礎(chǔ)上，選擇3點(diǎn)Dixon方法能更加精確地將水和脂肪分開(kāi)，提高M(jìn)RAC的精確度。最近，Berker將MR中分辨骨的UTE序列和分辨水、脂肪的3點(diǎn)Dixon序列結(jié)合，形成了1種新的三回波序列（UTE Triple-Echo，UTILE），通過(guò)后期處理分割出4種組織（骨、空氣、軟組織和脂肪）[23]。

組織分類(lèi)法可用于腦和全身PET/MR的衰減校正，通過(guò)附加的解剖信息如位置和形狀等，以及借助特殊MR序列，有助于區(qū)分信號(hào)相近而ACe有明顯差異的組織，而且，更適于解剖變異的病例，在分割精度和運(yùn)行時(shí)間上優(yōu)于非線性轉(zhuǎn)換（如地圖集法、模板法）[24]。但需要強(qiáng)調(diào)的是，完成組織分割后，各種類(lèi)別的組織便被賦予固定的511 keV下的ACe，這事實(shí)上也忽略了組織的個(gè)體差異性。

2.2 圖譜配準(zhǔn)法

根據(jù)圖像模板來(lái)源不同，圖譜配準(zhǔn)法分為模板法和地圖集法。模板法是通過(guò)收集多個(gè)患者的組織圖像，然后進(jìn)行處理，并將代表平均情況的圖像作為模板；地圖集主要是建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，包括了患者的CT圖像和MR圖像，并在PET/MR衰減校正中作為模板使用。

模板法最初用于無(wú)法在PET中顯像的組織的定位。在PET和MR的模板法中包含衰減圖像模板和一個(gè)用于配準(zhǔn)的MR模板，衰減圖像模板取自眾多透射圖像的平均情況。將MR模板通過(guò)非線性方式與患者M(jìn)R圖像配準(zhǔn)，然后將同樣的非線性轉(zhuǎn)換運(yùn)用于衰減圖像模板以最終獲得患者實(shí)際的PET圖像。Rota通過(guò)對(duì)10名性別不限的健康志愿者進(jìn)行68Ge的透射掃描（HR PET），整理后獲得平均衰減圖像模板，利用配準(zhǔn)的T1WI MR模板與患者實(shí)際MR圖像進(jìn)行非線性轉(zhuǎn)換，其中所用轉(zhuǎn)換矩陣應(yīng)用于衰減圖像模板來(lái)形成患者獨(dú)特的衰減圖像[25]。在另外一種版本中，研究者通過(guò)至少4名男性或至少4名女性的圖像數(shù)據(jù)集分別獲得2種衰減圖像模板[26]。最新的研究結(jié)合8名性別不限的志愿者的圖像信息，獲得了混合性別的平均衰減圖像模板[24]。

PET/MR圖像衰減校正方法仍需改進(jìn)，尤其在全身顯像中。目前已經(jīng)提出結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的地圖集法，這些途徑最根本的目的是建立一個(gè)患者CT與MR圖像配對(duì)的數(shù)據(jù)庫(kù)[1]。對(duì)于某個(gè)特定患者，將這些配對(duì)圖像模板與其獲得的MR圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，然后將同樣的轉(zhuǎn)換矩陣運(yùn)用于CT衰減圖像模板，最終獲得個(gè)體化的“偽CT圖像”。這種方法另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于獲得的衰減圖像能夠反映連續(xù)的ACe，避免了使用單一數(shù)值時(shí)無(wú)法表明組織的異質(zhì)性。有研究利用地圖集數(shù)據(jù)庫(kù)和模式識(shí)別來(lái)獲得患者專(zhuān)有的偽CT圖像[27]，在腦顯像中對(duì)這種方法評(píng)估顯示，不同的腦區(qū)域所得的平均放射性活度與CT-AC的差異＜ 4％。

關(guān)于地圖集法在腦和全身顯像中的應(yīng)用，仍需考慮如何準(zhǔn)確處理各種病變組織、不同患者肺密度的差異和金屬植入物這些問(wèn)題。最近一個(gè)經(jīng)過(guò)修改的新版本添加了人工制品探測(cè)技術(shù)，應(yīng)用至全身顯像后，結(jié)果顯示平均放射性活度低估程度＜ 6％[28]。修改后的版本還考慮到不同的MR序列可以用于MR-CT配對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)，以提高感興區(qū)域組織結(jié)構(gòu)的辨認(rèn)精度，改善地圖集配準(zhǔn)過(guò)程和預(yù)測(cè)的偽CT圖像[29]。

圖譜配準(zhǔn)法具有良好的魯棒性（即控制系統(tǒng)在各種不定狀況中對(duì)其它性能維持的特性）且可獲得具有連續(xù)ACe的衰減圖像。但模板法在變異的解剖結(jié)構(gòu)、病變組織以及運(yùn)動(dòng)中的器官等方面仍有待改進(jìn)，其僅僅適用于頭部PET/MR；地圖集法可應(yīng)用于腦部和全身，在結(jié)合組織局部信息后可改善結(jié)果（包括腫瘤方面問(wèn)題），并且地圖集法還能克服截?cái)鄠斡皢?wèn)題[24]。但有報(bào)道提示，與相應(yīng)的模板法相比，地圖集法得出的結(jié)果稍差，原因之一可能在于模板法中的模板代表的是整體的平均情況，而地圖集法則利用的是一個(gè)復(fù)雜的圖像數(shù)據(jù)庫(kù)[11]。

2.3 透射掃描法

最近提出的一類(lèi)可行途徑是利用非MR圖像信息來(lái)進(jìn)行PET/MR中PET數(shù)據(jù)衰減校正[1]。以透射掃描為基礎(chǔ)[30]，即在PET/MR裝置中置入放射性核素源，在圖像采集時(shí)獲得發(fā)射圖像和透射圖像，為了同時(shí)完成采集，PET設(shè)備需要具有飛行時(shí)間（Time of Flight，TOF）技術(shù)能力。Pieter Mollet等利用了環(huán)狀放射源覆蓋于探測(cè)器的全視野，利用TOF技術(shù)獲得5位患者發(fā)射和透射掃描數(shù)據(jù)，結(jié)果表明與基于MR的衰減校正相比，透射方法在肺、軟組織和骨組織的感興區(qū)域中的PET定量分別平均提高了6.4％、2.4％和18.7％[31]。但插入型PET/MR的空間限制仍是一個(gè)挑戰(zhàn)，因此，某種程度上而言，它更適于串聯(lián)型PET/MR系統(tǒng)。

2.4 發(fā)射數(shù)據(jù)重建法

直接利用所獲得的PET發(fā)射數(shù)據(jù)重建組織的衰減圖像。這是因?yàn)樵赑ET發(fā)射數(shù)據(jù)中，同時(shí)包含有組織衰減信息。而且，MR提供的清晰的組織結(jié)構(gòu)和TOF技術(shù)更精確的定位均有利于準(zhǔn)確獲取衰減圖。該方法還能夠利用完整的發(fā)射數(shù)據(jù)，對(duì)掃描中出現(xiàn)的截?cái)鄠斡斑M(jìn)行有效校正[4]。Nuyts等利用組織衰減系數(shù)的先驗(yàn)知識(shí)，采用了最大似然方法進(jìn)行交替迭代重建，但由于僅用到發(fā)射數(shù)據(jù)，重建時(shí)放射性分布的特征可影響ACe的估計(jì)，導(dǎo)致重建結(jié)果偏差[32]。Salomon等在TOF PET/MR中利用MR定義連通區(qū)域，并采用梯度法估計(jì)區(qū)域的ACe，不但可以減少衰減分布未知數(shù)的個(gè)數(shù)，而且不需要組織ACe的先驗(yàn)信息，不受結(jié)構(gòu)個(gè)體差異的影響。但與CT-AC相比，由于在MR中肺部及周?chē)趋绖澐譃橥贿B通區(qū)域，導(dǎo)致其在肺部和骨骼的相對(duì)偏差較大[33]。

3 系統(tǒng)衰減校正

PET/MR系統(tǒng)硬件也可導(dǎo)致探測(cè)器對(duì)光子的探測(cè)失誤，從而影響圖像放射性分布情況的定量。這主要體現(xiàn)在兩方面[34]：① 位置和形態(tài)固定的硬件，如檢查床、頭頸聯(lián)合線圈等；② 體線圈和體表線圈。為了校正這些影響，可先經(jīng)CT掃描獲得相關(guān)硬件衰減系數(shù)圖，然后在PET/MR掃描時(shí)由系統(tǒng)決定是否用于PET圖像校正，或者選擇使用低衰減材料制成的體表線圈[35]。

4 總結(jié)

PET/MR組合裝置的發(fā)展及運(yùn)用已成為當(dāng)今多模式分子顯像的研究前沿。針對(duì)其在衰減校正方面的難題，充分結(jié)合MR軟組織顯像良好和檢查序列多的優(yōu)勢(shì)，已提出了多種可行途徑。其中，組織分類(lèi)法應(yīng)用最為廣泛。現(xiàn)有的兩種商業(yè)化PET/MR：Siemens公司的全身型一體機(jī)——Biograph mMR系統(tǒng)和Philips公司的串聯(lián)型Ingenuity TF PET/MR系統(tǒng)，均是利用了組織分類(lèi)法進(jìn)行衰減校正，其中前者運(yùn)用2點(diǎn)Dixon序列采集MR圖像，并結(jié)合固定閾值和連通區(qū)域分析將MR圖像分為空氣、肺、脂肪和軟組織進(jìn)行衰減校正[11]，后者則借助直方圖分析法和區(qū)域增長(zhǎng)方法區(qū)分出空氣、肺和軟組織[14]。

目前臨床衰減校正中逐漸開(kāi)始包括對(duì)骨組織的處理，這對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的PET顯像也是最基本的要求。但目前，仍需大規(guī)模人群研究，制定MR序列參數(shù)使用的標(biāo)準(zhǔn)，以進(jìn)一步評(píng)估其在腦定量成像的作用。地圖集法為腦和全身PET/MR應(yīng)用衰減校正提供了可能，但是這些方法的實(shí)際應(yīng)用仍需深入評(píng)估，以探究其在不同患者獨(dú)特的病變類(lèi)型中顯像的穩(wěn)定性。最后，直接依據(jù)發(fā)射圖像推算衰減圖像將是未來(lái)TOF PET/MR中最有前景的解決方法。

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Advances in Development of PET/MR Attenuation Correction Technology

GAO Yan, ZHAO Jin-hua
Department of Nuclear Medicine, The First People’s HospitalAffiliated to Shanghai Jiaotong University, Shanghai 201620, China

The γ-ray AC（Attenuation Correction）was adopted for MR（Magnetic Resonance）images in PET/MR（Positron Emission Tomography/Magnetic Resonance）.In this paper, basic principles of PET AC were expounded.Moreover, four PET/MR AC approaches and their application in brain or the whole body were also introduced, including tissue classification, map registration, transmission scanning and emission data reconstruction.

positron emission tomography/magnetic resonance；attenuation correction；positron radionuclides；attenuation coefficient

R445.2；R814.42

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.07.024

1674-1633（2015）07-0075-04

2014-09-24

2014-11-09

趙晉華，主任醫(yī)師，教授，博士生導(dǎo)師。

通訊作者郵箱：zhaojinhua1963@126.com