田德峰 白 玫 吳 航 莊靜文 嚴(yán)漢民*

在正電子發(fā)射斷層攝影術(shù)(positron-emission tomography，PET)檢查中，受檢者體內(nèi)的放射性示蹤劑釋放的正電子與鄰近的電子發(fā)生湮滅反應(yīng)時，產(chǎn)生一對方向相反、能量為511 keV的γ光子，環(huán)繞PET探測器通過采集符合時間內(nèi)的γ光子，確定湮滅事件發(fā)生的響應(yīng)線(line of response，LOR)，該湮滅事件又稱符合事件[1]。

在符合時間窗內(nèi)進(jìn)入探測器的光子被認(rèn)為來源于同一次湮滅，稱為真符合。由于γ光子與介質(zhì)相互作用發(fā)生動能和運動方向的改變會產(chǎn)生康普頓散射，如發(fā)生康普頓散射的光子與正常飛行的光子同時進(jìn)入兩個對稱位置的探測器，這種符合稱為散射符合。如同一湮滅事件的兩個光子，一個被吸收，而另一個到達(dá)探測器，則稱為組織衰減。散射符合和組織衰減都不是真符合，無法探測到真正湮滅作用的正電子核素，如果校正的結(jié)果與探測器發(fā)射數(shù)據(jù)的結(jié)果不一致則會產(chǎn)生偽影[2-3]。

本研究通過飛行時間(time of flight，TOF)信息對PET發(fā)射數(shù)據(jù)引起偽影的改善，確定TOF對衰減和散射校正精度的作用。TOF-PET與傳統(tǒng)PET最大的區(qū)別是其能根據(jù)兩個γ光子飛行到兩端晶體條的時間差，來確定湮滅反應(yīng)發(fā)生在LOR上的大致位置。由于傳統(tǒng)PET無法預(yù)知湮滅反應(yīng)發(fā)生的位置，因而只能將每條LOR對應(yīng)的事例等權(quán)重分配到該LOR經(jīng)過的所有路徑，而TOF-PET能夠按照不同的權(quán)重(一般為高斯)，對LOR上的計數(shù)進(jìn)行分配。本研究通過評估TOF信息對PET圖像偽影的改善情況，確定TOF對衰減和散射校正精度的作用。

1 材料與方法

1.1 掃描儀與體模

(1)使用GESIGNA TOF PET-MR掃描儀(美國GE公司)，AW4.7 workstation工作站(美國GE公司)對圖像進(jìn)行處理。GE SIGNA TOF PET-MR的MR部分由3.0T的主磁場(B0)，射頻(radio frequency，RF)發(fā)射體線圈和梯度線圈系統(tǒng)組成。PET主體結(jié)構(gòu)由镥元素的混合(LBS)晶體、硅光電倍增管(SiPM)及電子學(xué)線路組成。

(2)采用美國電器制造商協(xié)會(National Electrical Manufacturers Association，NEMA)標(biāo)準(zhǔn)制定的圖像質(zhì)量(imagequality，IQ)發(fā)射體模，獲得PET掃描儀的圖像質(zhì)量參數(shù)，評估全身PET重建影像[4-5]。模體內(nèi)長為180 mm，容積為9.8 L；可填充球體6個，內(nèi)徑分別為10 mm、13 mm、17 mm、22 mm、28 mm和37 mm，其中內(nèi)徑為10 mm、13 mm、17 mm及22 mm的小球注入PET示蹤劑，稱為熱區(qū)；內(nèi)徑為28 mm和37 mm的小球注入非放射性液體稱為冷區(qū)[5-6]。冷熱區(qū)分別代表不同大小的病灶。

1.2 體模制備與掃描定位

體模放置在PET視野(field of view，F(xiàn)OV)中的預(yù)定義位置，在體模每個軸端增加泡沫定位支架，定位垂直居中，以獲得精確的定位圖像。在一個軸向FOV中，小球成像的中央層圖像為第45層[7]。

NEMA IQ體模的背景體積和4個最小的球體填充18F-氟代脫氧葡萄糖(18F-flurodeoxyglucose，18F-FDG)與純水混合，按照NEMA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定熱區(qū)球體-背景活性濃度比為4∶1[5-6]。開始掃描時背景活度為(5.3±1%)kBq/ml，4個最小球體為(21.2±5%)kBq/ml，內(nèi)徑為28 mm和37 mm的球體裝滿水。

1.3 數(shù)據(jù)采集

成像時間(T)設(shè)置為模擬在30 min的發(fā)射成像中全身掃描，100 cm總軸向成像距離，其計算為公式1：

GESIGNA TOF PET-MR每床位軸向距離為25 cm，則T=15 min。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用基于3D LAVA Flex序列掃描的MR數(shù)據(jù)進(jìn)行衰減校正，全身研究的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，成像序列參數(shù)：重復(fù)時間(repetition time，TR)為4.0 m，回波時間(echo time，TE)為1.7 ms，翻轉(zhuǎn)角為10°，層厚為5.2 mm，視野(field of view，F(xiàn)OV)為50×37.5，矩陣為256×128，激勵次數(shù)為0.7；圖像重建算法：TOF+點擴散函數(shù)(point spread function，PSF)+有序子集最大期望值(ordered subsets expectation maximization，OSEM)，迭代次數(shù)為3次，迭代子集選擇28，重建矩陣192×192，高斯濾波器半高寬為4 mm。

1.5 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)NEMA NU2-2007標(biāo)準(zhǔn)，衰減和散射校正精度使用肺區(qū)平均殘余誤差(ΔClung,m)的平均值評估參數(shù)，是反映PET成像的衰減和散射校正精確度的指標(biāo)(理想情況下為0%)，其計算為公式2：

式中Clung,c為肺區(qū)感興趣區(qū)域(region of interest，ROI)平均計數(shù)。

以對比度恢復(fù)(contrast recovery，CR)、背景變化率(background variability，BV)及信噪比(signalnoise ratio，SNR)評價圖像質(zhì)量的參數(shù)。

通過以下公式確定每個熱區(qū)小球j的百分比對比度恢復(fù)(即熱區(qū)對比度恢復(fù)，理想情況下為100%)，其計算為公式3和公式4：式中CH,j為熱區(qū)小球j的ROI中的平均計數(shù)，CB,j為背景平均計數(shù)，αH為熱區(qū)放射性濃度，αB為背景放射性濃度。

對于每個非放射性球體j，百分比對比度恢復(fù)QC,j(即冷區(qū)對比度恢復(fù))，其計算為公式5：

式中CC,j為冷區(qū)小球j的ROI中的平均計數(shù)，CB,j為球體j的所有背景ROI計數(shù)的平均值。

為了確定百分比背景變化Nj作為球j的圖像噪聲的量度(即背景變化率，理想情況下為0%)，其計算為公式6和公式7：

式中SDj為熱區(qū)小球j的ROI計數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，即圖像中的噪聲，CB,j為球體j的所有背景ROI計數(shù)的平均值。

針對每個活動球體和所有列出的重建參數(shù)組合計算，如文獻(xiàn)中對PET-CT成像進(jìn)行類似評估時所述，確定球j的信噪比[8]。其計算為公式8：

式中CH,J為熱區(qū)小球j的ROI中的平均計數(shù)，CB,j為球體j的所有背景ROI計數(shù)的平均值，SDj為熱區(qū)小球j的ROI計數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，即噪聲。

2 結(jié)果

2.1 TOF圖像與非TOF圖像數(shù)據(jù)的比較

(1)使用TOF技術(shù)時，每個小球的CR值比非TOF分別提高18.2%、14.9%、4.0%、2.6%、3.5%和8.3%，平均提高8.6%(如圖1所示)。

圖1 TOF與非TOF圖像CR值的比較曲線圖

(2)使用TOF技術(shù)時，每個小球的BV值比非TOF分別降低2.9%、2.7%、2.8%、2.9%、2.0%和1.8%，平均降低2.5%(如圖2所示)。

圖2 TOF與非TOF圖像BV值的比較曲線圖

(3)使用TOF技術(shù)時，每個熱區(qū)小球的SNR值比非TOF分別提升18.3%、25.7%、36.9%和66.5%，平均提升36.8%(如圖3所示)。

圖3 TOF與非TOF圖像SNR值的比較曲線圖

由圖1、圖2及圖3可知，使用TOF技術(shù)圖像質(zhì)量數(shù)據(jù)明顯優(yōu)于非TOF圖像質(zhì)量數(shù)據(jù)。

(4)將TOF和非TOF圖像的肺區(qū)殘余誤差(Clung,c)值進(jìn)行比較，肺區(qū)殘余誤差由非TOF時的66.9%到使用TOF時的3.9%，降低了63.0%(如圖4所示)。

圖4 TOF與非TOF圖像ΔClung,m值的比較柱狀圖

2.2 TOF圖像與非TOF圖像的主觀評價

(1)在不使用TOF時的NEMA IQ體模圖像，顯示體模中心肺區(qū)的偽影存在(如圖5所示)。

圖5 非TOF體模圖像

(2)當(dāng)使用TOF技術(shù)時得到的體模圖像，可以顯示出圖像中心肺區(qū)的偽影得到消除(如圖6所示)。

圖6 TOF體模圖像

由體模的TOF和NOTOF圖像可知NEMA IQ體模圖像中心肺區(qū)的偽影得到消除，且TOF圖像比NOTOF圖像對比度更高，細(xì)節(jié)更加清晰，背景噪聲更少。

3 討論

TOF信息被包含在重建算法中，且有助于估計投影數(shù)據(jù)的放射性分布過程。理論上講，由于將重建限定在了一定范圍，TOF-PET可以獲得更高的圖像信噪比和對比度，從而提高小病灶的檢出率。事實上，已知重建算法在數(shù)學(xué)上是不充分的，這意味著輸入數(shù)據(jù)中的小錯誤將最終在圖像中放大。而利用附加的TOF信息，可以減少錯誤，這是TOF重建有利特性的根源。TOF加權(quán)過程減少圖像中統(tǒng)計噪聲的傳播，可以降低噪聲。在每個空間位置，只有與這些位置一致的TOF差異的符合事件被累積。此外，對每個探測器計算的隨機符合是根據(jù)其沿著LOR的TOF信息分布的，并且不影響由該線交叉的所有體素[9]。整體效果是噪音更低，對比度更高，即更高的SNR。

TOF數(shù)據(jù)所攜帶的時間和空間信息，可以用來補償丟失或不一致的數(shù)據(jù)。沿著一條LOR源頭位置的TOF信息可以補償缺失的信息。TOF重建的另一個特征是，在存在與發(fā)射數(shù)據(jù)不一致的校正數(shù)據(jù)的情況下，是更強健的重建方法。為了獲得定量PET圖像，原始發(fā)射數(shù)據(jù)需要針對來自隨機和散射符合的污染，組織中的衰減以及個體探測器的響應(yīng)(歸一化)進(jìn)行校正。這些校正是用理論模型或模擬來估計或者是測量，但是這樣的估計是沒有錯誤的。如果校正的測量結(jié)果與測量的發(fā)射數(shù)據(jù)不一致，則圖像中出現(xiàn)偽影。有研究表明，TOF重建對錯誤歸一化的散射校正及不匹配的衰減校正不敏感[10-11]。

4 結(jié)語

TOF可以提供更好的圖像質(zhì)量以改善病變的檢測，其信息能夠校正測量結(jié)果與PET發(fā)射數(shù)據(jù)的不一致，可以補償不準(zhǔn)確的衰減信息，并相應(yīng)的重新分配湮沒事件，消除因發(fā)射數(shù)據(jù)不一致產(chǎn)生的偽影。