龔成鵬， 胡 佳， 李 坤， 胡 帆， 胡蒙蒙， 高再榮

華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科，分子影像湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430022

核醫(yī)學(xué)顯像定量分析是利用核醫(yī)學(xué)平面顯像或斷層顯像，采用半定量或定量的方法對(duì)示蹤劑在生物體內(nèi)的分布情況進(jìn)行相對(duì)或絕對(duì)的數(shù)值評(píng)估。目前定量分析已經(jīng)在正電子發(fā)射型斷層掃描儀(PET)上廣泛使用，但是由于一些技術(shù)原因的限制，在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描(SPECT)被認(rèn)為僅能進(jìn)行半定量相對(duì)分析。隨著SPECT/CT融合技術(shù)、圖像重建算法、光子補(bǔ)償技術(shù)的不斷完善和應(yīng)用，這些技術(shù)瓶頸被不斷打破，在SPECT/CT中開(kāi)展類似于PET的定量分析已經(jīng)成為可能。其中4個(gè)主要技術(shù)分別是衰減校正(attenuation correction，AC)、散射校正(scatter correction，SC)、分辨率恢復(fù)校正(resolution recovery，RR)及有序子集最大期望值迭代(ordered-subsets expectation maximization，OSEM)重建算法。尤其是OSEM重建算法，其可以將AC、SC、RR等多種校正方法整合到迭代過(guò)程中。因此，OSEM參數(shù)(迭代次數(shù)與子集數(shù))的選擇便成了影響定量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素之一。本文利用NEMA IEC體模實(shí)驗(yàn)探討OSEM不同的迭代次數(shù)與子集數(shù)對(duì)SPECT/CT定量結(jié)果的影響。

1 材料與方法

1.1 儀器和設(shè)備

使用美國(guó)GE公司Discover NM/CT 670 Pro型SPECT/CT顯像儀，配備16排螺旋CT，低能高分辨準(zhǔn)直器，斷層空間分辨率10.59 mm，系統(tǒng)靈敏度為73.4 cps/MBq。定量分析軟件為GE Xeleirs Version 4.0 Q-Metrix。99mTc(99Mo-99mTc發(fā)生器，中國(guó)原子高科股份有限公司)。碘克沙醇注射液(碘濃度為270 mg/mL)購(gòu)自江蘇恒瑞醫(yī)藥股份有限公司。CRC-25R型放射性活度計(jì)為美國(guó)CAPINTEC公司產(chǎn)品。NEMA IEC體模購(gòu)自美國(guó)Data Spectrum公司，標(biāo)準(zhǔn)模體內(nèi)部長(zhǎng)度180 mm，可填充的6個(gè)小球直徑分別為37、28、22、17、13、10 mm，容積分別為26.52、11.49、5.57、2.57、1.15、0.52 mL，插入肺插件后罐體容積為9700 mL。

1.2 顯像模型制備

由于模體出廠時(shí)可能存在誤差，且本實(shí)驗(yàn)不需肺插件，因此實(shí)驗(yàn)前需使用純水實(shí)測(cè)模體體積。本次實(shí)驗(yàn)NEMA IEC模體6個(gè)小球體積實(shí)測(cè)為：26.50、11.50、5.60、2.50、1.20、0.52 mL，小球加連接桿體積為：27.00、11.90、6.20、3.10、1.80、1.20 mL，不帶肺插件時(shí)罐體實(shí)測(cè)容積為10122 mL。晾干模體內(nèi)液體后，將新鮮淋洗的0.5 mL 199.8 MBq99mTc溶液加入到366.5 mL純水中混勻后取出50.7 mL，在取出的50.7 mL溶液中加入0.5 mL碘濃度為270 mg/mL的碘克沙醇混勻后剛好充滿NEMA IEC模型的6個(gè)小球(小球加連接桿總體積51.2 mL)，則球內(nèi)為0.54 MBq/mL的99mTc與碘克沙醇混合液(混合液中含碘量135 mg，約占0.3%)。將剩余的316.3 mL99mTc溶液全部倒入罐體中并將罐體充滿純水，罐體放射性濃度約為0.017 MBq/mL。以小球?yàn)榘袇^(qū)，罐體為背景本底，則形成靶本比約為32∶1模型。掃描后加倍本底即可形成16∶1模型，以此類推制作并掃描8∶1、4∶1模型。

1.3 數(shù)據(jù)采集參數(shù)及圖像后處理

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

2 結(jié)果

2.1 小球RC與迭代次數(shù)、子集數(shù)的相關(guān)性

各小球定量RC與迭代次數(shù)、子集數(shù)呈正相關(guān)，均隨迭代次數(shù)增加而增加(小球由大到小r=0.723、0.723、0.725、0.729、0.800、0.864，均P<0.05)，隨子集數(shù)增加而增加(小球由大到小r=0.800、0.709、0.744、0.742、0.832、0.865，均P<0.05)。越小的球RC越低，直徑≤17 mm的小球，在不同重建參數(shù)下RC均不到0.6。不同迭代次數(shù)各小球RC見(jiàn)表1，不同子集數(shù)各小球RC見(jiàn)表2。

表1 不同迭代次數(shù)各小球的Table 1 RC of each sphere with different iteration

表2 不同子集數(shù)各小球的Table 2 RC of each sphere with different

2.2 小球RC隨迭代次數(shù)、子集數(shù)的變化趨勢(shì)

隨著迭代次數(shù)、子集數(shù)不斷增加，RC變化越來(lái)越緩慢。直徑≥ 22 mm的3個(gè)小球8次迭代10個(gè)子集后RC增加趨于平穩(wěn)，較小的球需要更多的迭代次數(shù)與子集數(shù)，RC才能達(dá)到穩(wěn)定，直徑≤ 17 mm的3個(gè)小球16次迭代20個(gè)子集后RC趨于平穩(wěn)。不同迭代次數(shù)橫斷位同一層面比較見(jiàn)圖1，不同子集數(shù)橫斷位同一層面比較見(jiàn)圖2，RC隨迭代次數(shù)、子集數(shù)的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3。

A：CT圖像；B～I(xiàn)：迭代次數(shù)分別為1、2、4、8、12、16、24、32圖1 NEMA IEC體模不同迭代次數(shù)橫斷位同一層面圖像比較Fig.1 Transaxial images of NEMA IEC model with different iteration frequencies

A：CT圖像；B～I(xiàn)：子集數(shù)分別為2、6、10、14、18、22、26、32圖2 NEMA IEC體模不同子集數(shù)橫斷位同一層面圖像比較Fig.2 Transaxial images of NEMA IEC model with different subsets

A：迭代次數(shù)與恢復(fù)系數(shù)的關(guān)系；B：子集數(shù)與恢復(fù)系數(shù)的關(guān)系圖3 RC隨迭代次數(shù)與子集數(shù)變化趨勢(shì)Fig.3 The trends of RC changing with different iteration frequencies and number of subsets

3 討論

定量核醫(yī)學(xué)的目的是對(duì)放射性示蹤劑的局部濃度進(jìn)行相對(duì)或絕對(duì)的定量評(píng)估，定量測(cè)量克服了純粹視覺(jué)分析的缺點(diǎn)[1-2]，增強(qiáng)了核醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)解釋的客觀性，從而提高了診斷的準(zhǔn)確性[3]。然而直到最近，SPECT/CT才被認(rèn)為是真正的定量顯像方式，已有多項(xiàng)研究證明SPECT定量在臨床顯像中的有效性[4-6]。

SPECT/CT定量準(zhǔn)確性在很大程度上依賴于校正方式及重建算法的選擇，既往我們已探討了校正方式對(duì)SPECT/CT定量結(jié)果的影響[7]。本研究主要探討重建算法對(duì)SPECT/CT定量結(jié)果的影響。常用的重建算法有濾波反投影(filtered back projection，F(xiàn)BP)和OSEM。FBP是在頻率空間對(duì)投影數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，再將濾波后的投影數(shù)據(jù)反投影得到重建圖像。其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便，速度快，可用于臨床實(shí)時(shí)斷層重建，但是抗噪能力差，在欠采樣和熱源較小情況下，圖像質(zhì)量差。OSEM是將各個(gè)方向投影數(shù)據(jù)每隔一定角度劃分為多個(gè)子集，每個(gè)子集都單獨(dú)對(duì)投影數(shù)據(jù)校正一次，即完成一次迭代，在迭代過(guò)程中還可以融入多種校正技術(shù)來(lái)不斷提高圖像的質(zhì)量。大量研究表明OSEM在很多方面都要優(yōu)于FBP[8-10]，OSEM中的2個(gè)重要的可變參數(shù)會(huì)影響重建圖像的質(zhì)量，即子集數(shù)與迭代次數(shù)。本研究選用OSEM重建算法，在迭代過(guò)程中集成了AC、SC、RR校正技術(shù)并對(duì)不同靶本比模型選用不同迭代次數(shù)與子集數(shù)進(jìn)行后處理定量分析?？梢钥吹降螖?shù)和子集數(shù)對(duì)定量結(jié)果影響顯著，迭代次數(shù)越高、子集數(shù)越大，小球RC越高。這與OSEM原理密不可分，OSEM本身是一種逐步逼近的數(shù)學(xué)計(jì)算方法，迭代次數(shù)和子集數(shù)越多，圖像會(huì)越接近真實(shí)，但OSEM重建圖像所需時(shí)間等于迭代次數(shù)與每次迭代時(shí)間乘積，過(guò)多的迭代次數(shù)會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的大量冗余，處理圖像所需的時(shí)間會(huì)大大延長(zhǎng)[11]，且原始數(shù)據(jù)的噪聲在每一次迭代過(guò)程中都會(huì)被放大，導(dǎo)致圖像信噪比下降。子集數(shù)的增加雖不會(huì)增加處理時(shí)間，但隨著子集數(shù)增加，單個(gè)子集包含信息量就更少，導(dǎo)致重建信噪比進(jìn)一步下降，到重建收斂的時(shí)候，甚至?xí)黠@影響到圖像觀察和病灶VOI勾畫(huà)。因此采用無(wú)限的增加迭代次數(shù)及子集數(shù)的方式來(lái)增加圖像精度是不可取的，選擇的OSEM重建方案應(yīng)在保證定量準(zhǔn)確性的同時(shí)兼顧處理時(shí)間、圖像噪聲。即應(yīng)選擇使RC趨于平穩(wěn)的最小迭代次數(shù)與子集數(shù)。本研究引入少量低濃度碘造影劑，利用CT閾值自動(dòng)勾畫(huà)VOI，具有較好的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，同時(shí)也不會(huì)對(duì)圖像AC產(chǎn)生較大影響[7，12]，較好地解決了本模型高迭代次數(shù)下VOI難以準(zhǔn)確勾畫(huà)的問(wèn)題。研究結(jié)果顯示，在較低的迭代與子集數(shù)時(shí)RC隨迭代及子集數(shù)的增加而明顯增加，隨著迭代次數(shù)、子集數(shù)不斷增加RC變化越來(lái)越緩慢逐漸趨于平穩(wěn)。熱區(qū)直徑≥22 mm時(shí)，增加到8次迭代10個(gè)子集后RC趨于平穩(wěn)；熱區(qū)直徑≤ 17 mm時(shí)，16次迭代20個(gè)子集后RC趨于平穩(wěn)。

OSEM算法中子集劃分方法有多種形式，本研究中選擇14個(gè)子集與18個(gè)子集，20個(gè)子集與22個(gè)子集小球RC相同，可能是因?yàn)檫@兩組子集數(shù)設(shè)置得過(guò)于密集，小球RC變化很小，精確到小數(shù)點(diǎn)后3位仍無(wú)法看出差別。部分容積效應(yīng)使SPECT對(duì)小于3倍系統(tǒng)空間分辨率的病灶定量準(zhǔn)確性顯著下降[13-14]，本研究中體積小的熱區(qū)，需要更高的迭代與子集數(shù)才能使RC趨于平穩(wěn)。但即使選擇合適的迭代參數(shù)，直徑≤17 mm的3個(gè)小球RC也不到0.6，因此，對(duì)于此類小病灶除了選擇合適的迭代參數(shù)外還需充分考慮部分容積效應(yīng)給予適當(dāng)?shù)男Ｕ?/p>

綜上所述，OSEM參數(shù)選擇對(duì)99mTc SPECT定量分析影響顯著。臨床工作中建議當(dāng)熱區(qū)直徑≥ 22 mm時(shí)選擇8次迭代，10個(gè)子集；直徑≤ 17 mm的小病灶選擇16次迭代，20個(gè)子集。本研究未能對(duì)小病灶提出更有效的校正方法，進(jìn)一步的研究中將對(duì)較小病灶細(xì)化分組進(jìn)行研究，以期擬合出病灶大小與RC的校正公式，提高較小病灶定量的準(zhǔn)確性。