不同采集矩陣與函數(shù)重建對(duì)SPECT影像質(zhì)量影響

王淵愷張光明韓 芳劉從進(jìn)劉興黨

在醫(yī)學(xué)影像顯像中,靈敏度、密度分辨率、空間分辨率、能量分辨率、灰霧度、信噪比等術(shù)語(yǔ)和定義用來(lái)描述影像質(zhì)量?jī)?yōu)劣?？臻g分辨率是影像質(zhì)量中的一個(gè)重要指標(biāo),關(guān)系到臨床診斷的準(zhǔn)確性[1-3]。本實(shí)驗(yàn)研究了SPECT顯像中不同采集矩陣與函數(shù)后重建對(duì)圖像質(zhì)量影響。

方 法

使用西門(mén)子E.CAM雙探頭可變角SPECT掃描儀,放射性核素為99mTc,物理半衰期為6.02h,采集能峰140keV±10%。前臺(tái)軟件版本e.soft Version:2.1.6.5,儀器質(zhì)控符合上海市核醫(yī)學(xué)質(zhì)控中心標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)分平面顯像、斷層顯像兩部分來(lái)研究。平面顯像選用低能高分辨準(zhǔn)直器(平行孔),斷層顯像選用低能高分辨準(zhǔn)直器與扇形準(zhǔn)直器兩種不同的準(zhǔn)直器。并通過(guò)調(diào)節(jié)采集參數(shù)、重建參數(shù)來(lái)取得不同的圖像效果。

1.不同采集矩陣與函數(shù)后重建在平面顯像上的研究

1.1 通過(guò)質(zhì)控模型研究不同矩陣下的系統(tǒng)分辨率:操作中放射源制備的參數(shù)依據(jù)GBT 18988.2.2003(放射性核素成像設(shè)備性能和試驗(yàn)規(guī)則第2部分:單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層裝置)及西門(mén)子儀器說(shuō)明書(shū)中相關(guān)要求操作。使用西門(mén)子所提供的點(diǎn)源容器制作3個(gè)點(diǎn)源,電源直徑為不大于2mm的球體,活度約為40MBq。3個(gè)點(diǎn)源所在平面平行于探頭,1個(gè)點(diǎn)源置于探頭中點(diǎn)正上方,另外兩個(gè)點(diǎn)源置于探頭X軸與Y 軸上,距離中點(diǎn)45mm 處。固定選用zoom3.2,以1號(hào)探頭為基準(zhǔn),在距離準(zhǔn)直器100mm處,并設(shè)置128×128、256×256、512×512三種矩陣,采集50k計(jì)數(shù)。在采集的點(diǎn)源圖像上畫(huà)3條直線(xiàn),計(jì)算其徑向半高寬(FWHM)(按光電倍增管六邊型形狀,對(duì)角線(xiàn)畫(huà)3條直線(xiàn)),以反映在不同矩陣下空氣介質(zhì)中的系統(tǒng)分辨率。

1.2.通過(guò)臨床實(shí)例來(lái)研究不同矩陣與函數(shù)重建下的平面顯像圖像質(zhì)量:隨機(jī)取5位做甲狀腺顯像受檢者,在常規(guī)采集的基礎(chǔ)上加做矩陣256×256,(常規(guī)采集選用zoom 3.2,以1號(hào)探頭為基準(zhǔn),矩陣128×128)。隨機(jī)取3位做骨掃描受檢者,使用矩陣256×256、512×512對(duì)其胸腰段做平面顯像,觀察肋骨與脊柱的顯像情況(選用zoom 1.0,雙探頭)。以上均采集單幀500k計(jì)數(shù),探頭盡可能貼近檢查者。甲狀腺顯像中矩陣256×256數(shù)據(jù)使用e.soft內(nèi)置的重建方法進(jìn)行后重建,并與常規(guī)采集的矩陣128×128圖像做比較,由2名醫(yī)師來(lái)判斷影像質(zhì)量。評(píng)分A:定義圖像邊緣最平滑的圖像為5分,圖像邊緣最銳化的圖像為-5分,不經(jīng)過(guò)算法重建圖像為0分,分為空域?yàn)V波 (spatial filter)與頻域?yàn)V波(frequency filter)兩組,對(duì)所有e.soft內(nèi)置的重建方法系統(tǒng)的進(jìn)行比較。評(píng)分B:重建后圖像與矩陣128×128作比較,比矩陣128×128差的為0分,相似的為1分,圖像有所改進(jìn)的為2分,明顯改善的為3分。重建參數(shù)的選取參考既往文獻(xiàn)或取與相似的參數(shù)值[3-9]。

2.不同采集矩陣與函數(shù)后重建在斷層顯像上的研究

2.1 通過(guò)Jaszezak模型研究不同矩陣與函數(shù)重建下的圖像質(zhì)量:Jaszezak模型的提供與采集參數(shù)選取按照上海市核醫(yī)學(xué)質(zhì)控中心要求。采集參數(shù)低能高分辨準(zhǔn)直器,zoom 1.0,雙探頭自動(dòng)貼近共采集64幀,使用矩陣128×128,單幀900k計(jì)數(shù)、600k計(jì)數(shù),矩陣256×256,單幀900k計(jì)數(shù)、600k計(jì)數(shù)。數(shù)據(jù)使用Metz、Butter worth 、Generalized Hanning 、OSEM 函數(shù)重建,再加做Chang′s AC與不加做Chang′s AC[6,10-12],盡可能調(diào)整參數(shù)使圖像質(zhì)量更優(yōu)。900k計(jì)數(shù)組研究圖像熱區(qū)、均勻度、線(xiàn)性變化,600k計(jì)數(shù)組研究圖像冷區(qū)變化、評(píng)價(jià)影像質(zhì)量。

2.2 通過(guò)臨床實(shí)例來(lái)研究不同函數(shù)重建下的斷層顯像圖像質(zhì)量:隨機(jī)取4位做腦斷層顯像受檢者,采集使用扇型準(zhǔn)直器與低能高分辨準(zhǔn)直器。用Metz(0.75,15)、Butter worth(0.7,5)、Generalized Hanning(0.75,0.65)、OSEM(4個(gè)子集,5次迭代)函數(shù)重建,重建使用相同的放大系數(shù),并使靶器官的影像占據(jù)視野的80%,再加做Chang′s AC(0.11)與不加做Chang′s AC[1,6,9-12],扇形準(zhǔn)直器采集未作OSEM 函數(shù)重建,重建時(shí)聽(tīng)眥線(xiàn)平行與水平線(xiàn)。綜合兩種準(zhǔn)直器數(shù)據(jù),以經(jīng)前連合的橫斷面為基準(zhǔn),觀察該斷面圖像對(duì)比度[12],并分析總體圖像的質(zhì)量情況。

結(jié) 果

3種不同采集矩陣空氣介質(zhì)中的系統(tǒng)分辨率。在距離準(zhǔn)直器100mm處,分辨率128×128像素尺寸為3mm,FWHM為8.36mm±0.75mm;分辨率256×256像素尺寸為1.5mm,FWHM 為7.25mm±0.53mm;分辨率 512×512像素尺寸為 0.7mm,FWHM為5.95mm±1.07mm。

通過(guò)8組數(shù)據(jù)顯示,隨著矩陣增加臟器外表輪廓更為清晰,空間分辨率明顯提高,但靈敏度下降,實(shí)測(cè)計(jì)數(shù)/每像素隨矩陣的變大而減少,采集時(shí)間不隨矩陣的增加而增加,最大振幅3s。結(jié)合2位醫(yī)師的經(jīng)驗(yàn),高矩陣采集臟器外表輪廓清晰,病灶定位方便、準(zhǔn)確,但甲狀腺結(jié)節(jié)的分辨稍微變得困難,他們均愿意看高分辨率的圖像。矩陣256×256的甲狀腺圖像進(jìn)行后重建的結(jié)果見(jiàn)表1。

2名醫(yī)師均認(rèn)為Hamming(0.7,0.8)重建的圖像質(zhì)量最優(yōu),更利于影像診斷 (圖1),Band Limiting(0.7)重建的圖像最接近與矩陣128×128圖像效果。矩陣128×128圖像無(wú)法通過(guò)重建得到與矩陣256×256相似的效果,圖像經(jīng)過(guò)函數(shù)銳化以后,影像信息量下降。選用不同的函數(shù)參數(shù),圖像結(jié)果差異較大。

表1 多種濾波后重建結(jié)果

圖1 甲狀腺平面顯像。從左往右依次為矩陣128×128、矩陣 256×256、矩陣256×256[Hamming(0.7,0.8)重建]圖像。

3種頻域?yàn)V波函數(shù)使用不同參數(shù),能達(dá)到相似的圖像效果,高矩陣的圖像需使用較小的截止頻率。不同函數(shù)重建對(duì)圖像觀察效果分析,熱區(qū)、冷區(qū):Butter worth＞Metz=Generalized Hanning＞OSEM;均勻度、線(xiàn)性:OSEM＞Metz=Butter worth=Generalized Hanning。如果在函數(shù)重建中加做Chang′s AC,均勻度、冷區(qū)觀察時(shí)圖像中央會(huì)出現(xiàn)過(guò)載,但有助于提高熱區(qū)、線(xiàn)性觀察。兩組不同計(jì)數(shù)采集中高矩陣比低矩陣圖像采集均多96s,考慮放射性核素衰變,采集時(shí)間差異可以不計(jì)。高矩陣采集圖像信息量大,通過(guò)函數(shù)重建可以得到多種圖像效果,而受函數(shù)重建參數(shù)選擇范圍影響,低矩陣采集圖像無(wú)法獲得高矩陣圖像在高空間分辨率的效果。

但使用Chang′s AC處理的圖像,比原有圖像的腦室增大、皮質(zhì)變薄、基底節(jié)區(qū)斷層對(duì)比度升高。低能高分辨準(zhǔn)直器下經(jīng)前連合的橫斷面圖像不同函數(shù)重建后對(duì)比度結(jié)果見(jiàn)表2,可以看出經(jīng)Chang′s AC重建后方差計(jì)數(shù)加大,圖像對(duì)比度加強(qiáng)。2名醫(yī)師均認(rèn)為使用Metz或 Butter worth濾波重建后,經(jīng)過(guò)Chang′sAC處理得出的圖像更趨向于真實(shí)。

表2 經(jīng)前連合的橫斷面不同函數(shù)重建對(duì)比度

討 論

由于用戶(hù)屏幕分辨率有限,過(guò)高的分辨率采集不能帶來(lái)更好的顯示效果,SPECT圖像的空間分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如X線(xiàn)圖像的效果,所以過(guò)高的矩陣 (如矩陣1024×1024)沒(méi)有進(jìn)行測(cè)試。在顯像中提高采集矩陣,以此所獲得分辨率更好的圖像,且不額外增加采集時(shí)間。高矩陣采集圖像可以通過(guò)后重建轉(zhuǎn)換為與低矩陣圖像相同的效果,而低矩陣圖像卻不能通過(guò)后重建轉(zhuǎn)換為于高矩陣圖像相同的效果。高矩陣采集影像所獲信息量大。

Metz濾波法可分為Metz、Mezt[s]、Metz[F]后兩組濾波方法沒(méi)有Cu t Off參數(shù),只有FWHM參數(shù),在臨床使用中極易混淆。有些文獻(xiàn)中指出單獨(dú)使用Metz做腦斷層圖像重建[10],所以我們嘗試使用多組Metz的重建參數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行重建,并與單獨(dú)使用Butter worth進(jìn)行圖像重建的結(jié)果比較,Metz算法與Butter worth算法相比差異不明顯,與既往文獻(xiàn)相仿[11]。在斷層顯像中Chang′s AC有助于提高感興趣區(qū)影像質(zhì)量值得推廣。筆者嘗試在圖像經(jīng)Mezt[s]預(yù)重建后,再加做OSEM 重建,圖像效果比單做OSEM 有所提高,但多步驟重建常引發(fā)電腦死機(jī),并不值得推廣。腦斷層采集圖像只需使用Metz或Butter worth重建后,經(jīng)過(guò)Chang′s AC處理得到符合臨床要求的影像。

許多文獻(xiàn)提到函數(shù)重建最佳的圖像是在150～170k計(jì)數(shù)的圖像[7,10],因?yàn)閮x器在空氣介質(zhì)中空間分辨率有限,且臨床操作要求不同,我們應(yīng)該選取符合自己要求的重建函數(shù)及參數(shù),可以參考國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)上的重建函數(shù)及參數(shù)。筆者嘗試在空域?yàn)V波中自己編寫(xiě)條件較為極端的函數(shù),對(duì)一些圖像細(xì)微結(jié)構(gòu)的變化與辨識(shí)很有幫助。

本研究使用的儀器與前臺(tái)工作站均為西門(mén)子公司產(chǎn)品,多種近幾年流行的新濾波函數(shù)無(wú)法在本次實(shí)驗(yàn)中使用略有遺憾。研究認(rèn)為在采集中綜合考慮各種物理知識(shí),選用合適的探頭、準(zhǔn)直器、晶體、zoom、采集能窗、采集計(jì)數(shù)等條件,建議使用高矩陣采集獲得高空間分辨率圖像,并依據(jù)對(duì)圖像平滑或銳化要求,選用合適的后重建函數(shù),獲得更多的圖像效果,更好的影像質(zhì)量,有助于提高臨床診斷。

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