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基于MR模板的PET/MRI衰減校正方法

2018-10-18 08:40胡海勇
關(guān)鍵詞:活度個(gè)體化放射性

胡 彬,胡海勇

(1.浙江醫(yī)藥高等??茖W(xué)校醫(yī)療器械學(xué)院,浙江 寧波 315100;2.寧波市第二醫(yī)院設(shè)備科,浙江 寧波 315010)

PET/MR是繼PET/CT之后的又一種功能分子影像成像設(shè)備,進(jìn)一步增強(qiáng)了多模態(tài)成像的優(yōu)勢,在醫(yī)學(xué)分子成像領(lǐng)域頗受關(guān)注[1]。相比CT,MRI可為PET提供細(xì)節(jié)對(duì)比度更佳的軟組織影像,在功能顯像方面形成優(yōu)勢互補(bǔ);而影響PET顯像定量分析精度的諸多因素,如噪聲、部分容積效應(yīng)(partial volume effect, PVE)和運(yùn)動(dòng)偽影等均可通過MRI提供的解剖學(xué)和運(yùn)動(dòng)跟蹤信息加以改善[2],且MRI無輻射。因人體各部分組織密度存在差異,其中骨骼致PET光子衰減效果尤為顯著[3],故需對(duì)組織衰減進(jìn)行補(bǔ)償;實(shí)現(xiàn)PET/MRI準(zhǔn)確定量分析的關(guān)鍵在于解決衰減校正的問題[4]。PET/MRI一體機(jī)無法使用68Ge/68Ga或CT透射掃描獲取衰減數(shù)據(jù),只能從MRI中導(dǎo)出組織衰減信息,故需要應(yīng)用基于MRI的衰減校正(MR based attenuation correction, MRAC)技術(shù)[5],其目標(biāo)是將與組織質(zhì)子密度和弛豫時(shí)間相關(guān)的MR信號(hào)轉(zhuǎn)換為與PET能級(jí)電子密度相關(guān)的線性衰減系數(shù)(linear attenuation coefficient, LAC)[4]。目前PET/MRI衰減校正方法主要有3類。第1類是圖譜配準(zhǔn)法[5],根據(jù)圖像模板來源不同,又可分為模板法和地圖集法。模板法對(duì)采集到的組織圖像進(jìn)行整合處理,以取平均值得到的圖像作為衰減校正模板;地圖集法需要建立一個(gè)數(shù)據(jù)圖庫,其中包含大量的患者CT和MRI信息,通過查地圖集,將患者的MRI轉(zhuǎn)化為偽CT圖像,以匹配各種組織的衰減系數(shù)而用于衰減校正[5-7]。第2類是分割法,使用不同的MR脈沖序列,如Dixon序列[8]或超短回波時(shí)間(ultrashort echo time, UTE)序列[7],將組織成分(例如空氣、腦組織和骨)進(jìn)行分割,并賦予相應(yīng)的LAC。第3類方法是基于PET發(fā)射數(shù)據(jù)重建法,使用PET發(fā)射數(shù)據(jù)中同時(shí)包含的組織衰減信息進(jìn)行衰減校正,再利用MRI提供的高分辨力組織結(jié)構(gòu)解剖圖和TOF技術(shù)的精確定位功能,可以準(zhǔn)確獲取衰減圖[9]。最新的PET/MRI設(shè)計(jì)允許同時(shí)發(fā)射和采集,但需額外增加輻射劑量和飛行時(shí)間檢測器功能[10]。

本研究將每名受試者的T1WI與SPM 12(Statistic Parametric Mapping, version 12)T1WI MR模板進(jìn)行空間歸一化,再與PET透射模板配準(zhǔn),形成個(gè)體化衰減圖,并將最終衰減校正結(jié)果與直接行PET透射掃描獲得的衰減校正結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和分析。

1 資料與方法

1.1 一般資料 2017年1月—12月于寧波市第二醫(yī)院招募30名志愿者,男、女各15名,年齡32~55歲,平均(42.6±6.0)歲。

1.2儀器與方法 在注射示蹤劑之前,使用68Ge棒源進(jìn)行10 min透射掃描。隨后對(duì)受試者經(jīng)靜脈注射18F-FDG(200 MBq),采用Siemens ECAT HR+PET掃描儀以三維采集模式獲取PET放射數(shù)據(jù)。將所得數(shù)據(jù)匯合成單幀圖像后,采用傅里葉濾波反投影法重建圖像,每幀圖像采集時(shí)間為30~60 min。采用Siemens Sonata 1.5T MR儀進(jìn)行MR掃描,以磁化準(zhǔn)備快速梯度回波(magnetization prepared rapid gradient echo, MP-RAGE)序列采集T1WI,TR 163 ms,TE 2.4 ms,矩陣256×256,層厚7.5 mm,層間距2.5 mm。

將受試者的PET透射模板與SPM 12提供的T1WI MR模板進(jìn)行空間歸一化,并將歸一化后的圖像與PET透射模板配準(zhǔn),即獲得每名受試者的個(gè)體化衰減圖。為驗(yàn)證不同模板之間衰減校正效果的差異,以所有受試者為基礎(chǔ)組(general mean group, gmg;n=30),并根據(jù)性別、頭部尺寸不同分為女性組(female mean group, fmg;n=15)、男性組(male mean group, mmg;n=15)和小尺寸頭部組(small mean group, smg,最大頭寬<159 mm,高度<207 mm,n=16)、大尺寸頭部組(big mean group, bmg,最小頭寬≥159 mm,高度≥207 mm,n=14),對(duì)應(yīng)生成各自的模板。

1.3 創(chuàng)建個(gè)體化衰減模板 ①制作SPM 12 T1WI MR衰減模板,采用SPM 12軟件中提供的衰減圖像模板,將30名受試者的PET衰減圖像分別與該模板進(jìn)行非線性配準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)空間歸一化;隨后將30個(gè)衰減圖像平均,獲得SPM 12 T1WI MR衰減模板(圖1A);②將SPM 12 T1WI MR衰減模板與每名受試者的T1WI(圖1B)進(jìn)行非線性配準(zhǔn),使其空間歸一化;③將上一步取得的空間模型形變參數(shù)導(dǎo)入PET透射模板(圖1C),生成個(gè)體化的受試者衰減圖(圖1D),用于FDG PET圖像正向投影衰減校正(圖1E)。

圖1 受試者個(gè)體化衰減圖制作流程 A.以SPM 12軟件獲得T1WI MR模板; B.受試者T1WI; C.PET透射模板; D.個(gè)體化衰減圖; E.通過個(gè)體化衰減圖正向投影重建的FDG PET圖像

圖2 FDG PET圖像ROI設(shè)置示意圖

1.4 數(shù)據(jù)分析 對(duì)每名受試者分別采用5個(gè)模板進(jìn)行衰減校正,獲得校正后的FDG PET圖像。采用MPItool軟件,于經(jīng)過校正和原始FDG PET圖像上勾畫ROI,位置包括雙側(cè)前額葉、顳葉、枕葉、尾狀核、豆?fàn)詈?、殼核、丘腦和小腦半球(圖2)。計(jì)算ROI內(nèi)平均放射性活度值(公式1)、標(biāo)準(zhǔn)偏差(公式2),并計(jì)算經(jīng)不同模板校正后PET圖像與原始FDG PET數(shù)據(jù)之間的相對(duì)偏差(公式3)。

(公式1)

(公式2)

相對(duì)偏差=(校正后圖像放射性活度值-原始圖像放射性活度值)/原始圖像放射性活度值×100%

(公式3)

2 結(jié)果

以1名女性受試者為例,使用預(yù)設(shè)模板(bmg、fmg、mmg、smg和gmg)重建圖像數(shù)據(jù),獲得ROI內(nèi)放射性活度平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差值及與原始FDG數(shù)據(jù)相對(duì)偏差值(圖3),其中使用PET透射掃描衰減校正重建圖像所獲得的數(shù)據(jù)在圖例中標(biāo)注為FDG。

2.1 單一模板間的對(duì)比 對(duì)單一受試者分別使用bmg、fmg、mmg、smg和gmg模板,并比較其衰減校正結(jié)果,結(jié)果顯示相對(duì)偏差值非常近似。女性受試者使用不同模板校正后得到的放射性活度最大差值源于smg與mmg模板間,為908 Bq/ml;最小差值源于fmg與gmg模板,為4 Bq/ml。對(duì)于男性受試者,使用不同模板校正后得到的放射性活度最大差值源于mmg與gmg模板間,為715 Bq/ml,最小差值源于mmg與fmg模板間,為1 Bq/ml。fmg模板與mmg模板在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)上無明顯差異。

2.2原始圖像與經(jīng)5個(gè)不同模板校正后圖像的對(duì)比 5個(gè)特異性分組模板與原始FDG PET衰減值之間的相對(duì)偏差值變化范圍為-6.31%~6.32%(圖3C)。與其他組相比,smg組的相對(duì)偏差數(shù)值波動(dòng)相對(duì)較小(-2.36%~4.26%)。5個(gè)特異性分組模板相對(duì)偏差值總體差異均較大,其變化范圍從mmg組的-6.31%到gmg組的6.31%,相對(duì)偏差絕對(duì)值在mmg組中最小,為-9.13%,在fmg組中最大,為9.97%,因此難以判斷哪個(gè)模板最好。

2.3gmg模板與其他4個(gè)分組模板對(duì)比 gmg模板與其他4個(gè)模板的相對(duì)偏差值的差異范圍為-3.44%~5.34%,相比于fmg和bmg模板,mmg和smg模板的相對(duì)偏差值與gmg模板更為接近(-3.44%~2.37%)。

3 討論

圖3 對(duì)1名女性受試者采用不同重建方法獲得的PET圖像參數(shù) A.放射性活度; B.放射性活度標(biāo)準(zhǔn)偏差值; C.相對(duì)偏差值

衰減校正是PET/MRI中不可或缺的部分,對(duì)PET顯像定量分析的精確性影響巨大[11]。PET/MRI一體機(jī)的衰減校正包括硬件和人體組織兩部分,其中硬件是指位置固定和形態(tài)不變的設(shè)備部件以及體線圈和體表線圈。在PET/MRI中如不使用系統(tǒng)配套的硬件,所采集的PET圖像可能無法獲得徹底的衰減校正圖[11]。在人體組織的衰減校正方面,有多種衰減校正方法。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[12]、基于UTE序列[13]和零回波(zero echo time, ZTE)序列[14]的MRAC法等。最近出現(xiàn)的一體化同步掃描TOF-PET/MR設(shè)備具有超高的PET空間分辨力和更快的掃描速度[15],但成本顯著增加,限制了其應(yīng)用[16]。

近年來,MRAC方法也越來越多地被應(yīng)用于PET/MR圖像處理。有學(xué)者[17]采用MRAC方法在PET/MR一體機(jī)頭部掃描成像中進(jìn)行衰減校正,取得了良好效果。MRAC準(zhǔn)確性的提高依賴于MR模板的創(chuàng)建和方法改進(jìn);通過應(yīng)用患者骨數(shù)據(jù)代替圖集骨進(jìn)行衰減校正,可獲得近似于CT衰減校正的準(zhǔn)確性[18],但所使用圖集中個(gè)體性解剖結(jié)構(gòu)差異所導(dǎo)致的骨衰減差異和竇腔識(shí)別誤差均有可能影響MRAC的準(zhǔn)確性。

本研究使用MRAC方法,通過T1WI MR模板和PET透射模板與受試者個(gè)體化參數(shù)進(jìn)行配準(zhǔn),并形成最終的衰減圖,用于PET衰減校正;結(jié)果表明,性別差異性模板對(duì)衰減校正效果無明顯影響;在5個(gè)不同的分組模板中,gmg模板包含了所有患者數(shù)據(jù)的一般信息,其衰減校正的結(jié)果與其他4個(gè)特定模板的差異為-3.44%~5.34%,差異并不明顯。在所有以MR為基礎(chǔ)的衰減校正模板中,gmg模板通用性最佳,與其他特異性模板之間的差異可以接受。相比于PET透射衰減校正法,此法的適用性和精確性有待進(jìn)一步提高。

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