張碩 馮洪波 趙衍 杜雪梅

PET/CT是一種分子水平的在體顯像技術(shù)，在惡性腫瘤診斷、原發(fā)灶尋找及療效評估中發(fā)揮著越來越重要的作用［1-3］。PET/CT圖像質(zhì)量受到晶體材料、時間窗、采集方式以及重建算法等多種因素的影響。圖像質(zhì)量及定量分析指標直接影響了診斷的準確性，因此有必要遵照相關(guān)指南要求，針對設(shè)備和工作流程的特點，對重建參數(shù)進行優(yōu)化。

重建算法及參數(shù)是影響PET圖像質(zhì)量的關(guān)鍵因素。PET使用的重建算法可以分為解析算法和迭代算法兩大類。解析法在斷層重建中最早使用，其經(jīng)典算法是濾波反投影法（filtered back projection，F(xiàn)BP），在早期二維PET圖像重建中得到廣泛應用。該算法的局限性在于無法對成像過程中的各種衰減和誤差進行補償，誤差較大?；诓此赡Ｐ偷淖畲笏迫黄谕ǎ╩aximum likelihood expectation maximization，MLEM）是最基本的迭代重建算法，其劣勢在于收斂非常緩慢。有序子集期望值最大化（ordered subset expectation maximization，OSEM）以MLEM為基礎(chǔ)，將數(shù)據(jù)劃分為一系列不相交的子集，從而大大提高了收斂速度。另外，以True-X算法為代表的高清重建算法，在OSEM基礎(chǔ)上集成了點源擴散函數(shù)（point spread function，PSF）技術(shù)，可以對放射性衰變中的影響因素加以校正，進而提高圖像的空間分辨率和信噪比。迭代次數(shù)、子集數(shù)和濾波函數(shù)是迭代類算法的關(guān)鍵參數(shù)。

質(zhì)控模型是測試儀器設(shè)備性能和分析圖像質(zhì)量的基本工具，目前公認的質(zhì)控模型是遵照國際電工協(xié)會（IEC） Standard 61675-1標準制作生產(chǎn)的PET/CT性能測試體模，該模型價格昂貴，但利用率較低，一般不作為PET/CT采購的標準配件。本研究擬根據(jù)相關(guān)標準制作定制化模型，并應用其進行PET/CT圖像質(zhì)量研究的可行性，探討采用PET/CT模型測試不同重建條件下子集和迭代次數(shù)的優(yōu)化方案，為臨床應用中相關(guān)算法及參數(shù)的選擇提供理論支持。

方 法

1. 模型制作

參照GB/T 20013.3—2015 PET/CT儀器質(zhì)量控制標準［4］，采用國家標準中要求的模型制作材料聚甲基丙烯酸甲酯進行模型制作。選用內(nèi)徑為250 mm、高度為150 mm圓柱形有機玻璃作為主體進行制作，模型內(nèi)采用相互平行的長度約為20 mm，內(nèi)徑分別為25.00、18.34、11.68和9.70 mm的有機玻璃柱體模擬病灶（圖1）。4個有機玻璃柱體中心距離模型中心等距，彼此間亦等距，并處于模型中心處。

圖1 PET/CT模型圖示

在模型內(nèi)注入濃度為0.6 kBq/mL的18F-代脫氧葡萄糖（18F-Fluoro dexyglucose，18F-FDG）溶液模擬本底，其中內(nèi)徑為18.34、11.68、9.70 mm的有機玻璃柱內(nèi)注入濃度為3.5 kBq/mL18F-FDG溶液，模擬熱區(qū)病灶，內(nèi)徑為25.00 mm圓柱為冷區(qū)，冷區(qū)內(nèi)注入水，其放射性濃度為0 kBq/mL。

2. 圖像采集

圖像信息采集使用西門子Biograph Truepoint 64 HD PET/CT。PET部分晶體材料為硅酸镥（Lu2SiO5∶Ce，LSO）［5-6］，其在晶體密度、余輝時間、相對光輸出量等性能參數(shù)上優(yōu)于BGO、GSO和NaI等晶體材料。晶體尺寸為4.0 mm×4.0 mm×4.0 mm，晶體為39環(huán)共24 336個。該設(shè)備有效軸向視野為162 mm，符合窗寬度為4.5 ns。CT掃描參數(shù)：電壓120 kV，電流300 mA，掃描視野300 mm×300 mm。PET/CT掃描采用3D模式采集，采集時長為5 min。

3. 圖像重建

分別采用True-X算法和OSEM算法進行重建。重建視野為300 mm×300 mm，ZOOM為2.0，重建矩陣為256×256，高斯（Gaussian）濾波，半高寬（full width half maximum，F(xiàn)WHM）4.0 mm，采用CT數(shù)據(jù)進行衰減校正。迭代次數(shù)分別為1到8次，重建子集分別為16和21，根據(jù)迭代次數(shù)及重建子集共得到16組圖像，3次迭代16個子集記為3i16，以此類推。

4. 數(shù)據(jù)處理

采用西門子多學科工作站TrueD軟件進行圖像融合及感興趣區(qū)的勾畫、放射性計數(shù)的測量，得到每個感興趣區(qū)放射性濃度，并由此計算不同條件下的對比度百分數(shù)。內(nèi)徑為18.34、11.68、9.70 mm的圓柱分別記為ROI1、ROI2和ROI3。

4.1 對比度百分數(shù)

任一熱灶j對比度（QH，j）計算公式如下［7］：

式中CH，j為第j個熱灶ROI中的平均計數(shù)，CB，j為背景中ROI中的平均計數(shù)，αH為熱灶的放射性濃度，αB為背景的放射性濃度。熱區(qū)對比度反映區(qū)分病灶與本底的能力。

4.2 背景變化率

背景變化率（N）計算公式如下［7］：

式中j為本底ROI直徑，SDj為背景區(qū)域ROI計數(shù)的標準差。

4.3 信噪比

信噪比（SNR）計算公式如下［7］：

5. 統(tǒng)計學分析

采用SPSS25.0軟件進行統(tǒng)計學分析。兩組間采用獨立樣本t檢驗，分析比較圖像的感興趣計數(shù)、對比度、背景變化率和信噪比。統(tǒng)計結(jié)果P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

結(jié) 果

1. 重建子集數(shù)量、迭代次數(shù)對圖像質(zhì)量的影響

迭代次數(shù)選用從1到8，子集數(shù)選用16和21，分別用True-X和OSEM 2種重建算法進行重建。隨著迭代次數(shù)從1次增加到3次，不同感興趣區(qū)圖像對比度百分數(shù)顯著提升，從3次增加到8次時，圖像對比度百分數(shù)變化不明顯（圖2），感興趣區(qū)的背景變化率總體呈上升趨勢（圖3）。

圖2 不同子集和迭代次數(shù)以及不同重建算法下感興趣區(qū)對比度百分數(shù)

圖3 不同子集和迭代次數(shù)以及不同重建算法下感興趣區(qū)的背景變化率

在相同算法的條件下，當?shù)螖?shù)相同時，21子集重建圖像的熱區(qū)放射性計數(shù)比16更接近真實值。增加迭代次數(shù)或重建子集都可提高感興趣區(qū)計數(shù)，對于平均計數(shù)（Cavg）的影響更為顯著。2i21組與3i16組在三個指標上均無顯著差異（表1、2），可見一次迭代與一組子集對于感興趣區(qū)計數(shù)的影響幾乎相同。但是21子集組的圖像背景變化率高于16子集（圖4）。2i16組與其他各組的Cavg均存在顯著差異，因此在實際應用中不推薦使用該參數(shù)。綜合比較，重建算法一致的條件下，16子集3次迭代具有最為均衡的圖像質(zhì)量。

表1 True-X重建算法條件下各感興趣的放射性濃度單位：Bq/mL

圖4 不同重建算法和不同子集條件下感興趣區(qū)的背景變化率

表2 OSEM重建算法條件下各感興趣的放射性濃度單位：Bq/mL

2. 不同重建算法對圖像質(zhì)量的影響

選用OSEM和True-X 2種重建條件下的3i21組進行比較，兩種算法條件下熱區(qū)感興趣區(qū)放射性計數(shù)（表1、2）Cavg、Cmax和CSD均具有顯著線性相關(guān)性（Cavg：r2=0.999；Cmax：r2=0.999；CSD：r2=0.970），這表明兩種算法受感興趣大小的影響具有高度的一致性，隨著感興趣的增大，放射性計數(shù)增加；感興趣區(qū)直徑越大，對比度越好（ROI1＞ROI2＞ROI3，如圖2所示）。兩組間僅Cavg具有顯著差異，Cmax和CSD無顯著差異。相比于OSEM組，True-X組的背景變化率較低，并具有更高的恢復系數(shù)、對比度百分數(shù)和信噪比，差異具有統(tǒng)計學意義（均P＜0.05）。綜合比較，選用16子集和True-X算法組的信噪比最佳（圖5）。

圖5 不同重建算法和不同子集條件下感興趣區(qū)的信噪比

討 論

近年來PET設(shè)備軟硬件技術(shù)發(fā)展迅速，硅光電倍增管等數(shù)字化技術(shù)引進與更替，飛行時間分辨能力的提升，超級迭代技術(shù)的應用都促進了PET圖像質(zhì)量不斷提高［8-10］。IEC標準模型最小直徑10 mm，自制模型通過自身高度可定制化的優(yōu)勢，無需更換新的模型，只需制作更多的圓柱形插件，即可引入更多的變量，更好地模擬人體內(nèi)環(huán)境，作為新型PET性能測試和相關(guān)研究的工具。實驗中以自制PET模型進行臨床模擬掃描，向不同直徑圓柱體內(nèi)灌注18F-FDG放射性溶液模仿不同大小的病灶。為模擬臨床條件下不同重建算法及參數(shù)對圖像質(zhì)量的影響，本研究中所使用的采集條件均與臨床PET/CT檢查保持一致。相同參數(shù)條件下，采用True-X算法圖像具有更好的恢復系數(shù)、對比百分數(shù)和信噪比，特別是對小直徑病灶；重建算法一致的條件下推薦選用16子集3次迭代。對于不同重建算法和迭代次數(shù)及子集數(shù)對圖像質(zhì)量的影響與此前使用IEC Standard 61675-1標準模型及臨床研究結(jié)果基本一致［11-13］。

迭代算法的關(guān)鍵問題是建立系統(tǒng)傳輸矩陣，其反映了放射源分布到投影數(shù)據(jù)的數(shù)學關(guān)系，對重建圖像質(zhì)量有直接影響?，F(xiàn)代PET重建研究的重點問題之一是如何在傳輸矩陣對幾何與物理因素進行建模，從而在迭代問題中加以修正。OSEM重建算法是將PET投影數(shù)據(jù)分為N個子集，每一個子集都使圖像各像素值進行一次更新，所有子集運算一遍，圖像數(shù)據(jù)被更新N次，這稱為一次迭代過程。True-X重建算法在OSEM的基礎(chǔ)上增加了PSF技術(shù)，整合了數(shù)百萬個精確測量的PSF，因而全視野內(nèi)各點發(fā)出的LOR都可以得到準確的校正，使得重建后圖像邊緣部分更清晰，更有助于臨床工作中病灶的檢出。理論上隨著迭代次數(shù)的增多，圖像重建質(zhì)量更佳，但當?shù)揭欢ù螖?shù)后，噪聲的增加致使圖像質(zhì)量下降，引入最大后驗準則（MAP）在一定程度上可以降低噪聲，也可能帶來偽影，需要在臨床中做進一步的驗證。當子集數(shù)量較大，每個子集的規(guī)模及容量較小時，圖像偽影及噪聲會有不同程度的增加，實際應用中需尋找各參數(shù)的最佳平衡點。

本次研究模型制作中，受制作工藝的制約，模型內(nèi)采用圓柱體用于模擬病灶，受圓柱體數(shù)量限制，分析數(shù)據(jù)較少。在后續(xù)工作中，可以更多采用模塊化設(shè)計，增加不同尺寸的病灶模擬區(qū)，更好地模擬人體內(nèi)環(huán)境。同時引入MAP算法，尋求圖像重建參數(shù)的最優(yōu)解，確定更佳的重建條件。

綜上所述，自制PET/CT模型可以作為臨床工作中重建參數(shù)優(yōu)化以及圖像質(zhì)量控制的有效研究工具。推薦選用16子集3次迭代重建參數(shù)和True-X高清重建算法。為保障臨床應用中的可重復性，重建算法等條件應保持一致。