不同重建條件對(duì)一體化PET-MR圖像空間分辨率影響的研究*

莊靜文 謝 峰 吳天棋 白 玫*

不同重建條件對(duì)一體化PET-MR圖像空間分辨率影響的研究*

莊靜文①謝 峰①吳天棋①白 玫①*

目的：通過模型實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比不同重建條件對(duì)一體化PET-MR圖像空間分辨率的影響。方法：參考美國(guó)電器制造商協(xié)會(huì)(NEMA)標(biāo)準(zhǔn)制備點(diǎn)源，使用美國(guó)GE公司的Signa PETMR設(shè)備進(jìn)行掃描，選擇不同PET圖像重建條件重建圖像，讀取圖像中點(diǎn)源的半高寬(FWHM)，對(duì)比飛行時(shí)間技術(shù)(TOF)、點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)、迭代次數(shù)以及衰減校正(AC)對(duì)于圖像空間分辨率的影響。結(jié)果：使用PSF技術(shù)重建圖像，電源FWHM在3.40 mm與4.31 mm之間，而未使用PSF技術(shù)重建的圖像點(diǎn)源FWHM在4.56 mm與5.83 mm之間，故使用PSF可減小重建圖像中點(diǎn)源的FWHM，而TOF和AC對(duì)點(diǎn)源FWHM影響不大。結(jié)論：PSF和迭代次數(shù)可以有效提高圖像空間分辨率，TOF和AC對(duì)于圖像空間分辨率影響不大。在臨床使用PET-MR對(duì)病灶掃描時(shí)應(yīng)將患者置于孔徑中心，在對(duì)小病灶的診斷中，PSF技術(shù)的使用必不可少，且可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)增加迭代次數(shù)。

一體化PET-MR；重建方法；空間分辨率

近年來，多模式成像技術(shù)進(jìn)展飛速，正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層攝影術(shù)(positron emission tomography，PET)具有高靈敏度和精準(zhǔn)定量的特點(diǎn)，但PET圖像卻不能清晰顯示臟器的解剖結(jié)構(gòu)，因此無法準(zhǔn)確對(duì)病灶進(jìn)行定位[1]。核磁共振(magnetic resonance，MR)技術(shù)可提供清晰的軟組織解剖結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)確的病灶位置，彌補(bǔ)了PET圖像的不足。一體化PET-MR是將PET和MR兩種技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來的最先進(jìn)的分子成像設(shè)備，由于其具有同時(shí)進(jìn)行PET和MR成像的功能，并且降低了兩者硬件之間的相互影響，已經(jīng)被應(yīng)用于臨床前期研究和臨床診斷中[2-3]。作為當(dāng)今多模式分子顯像技術(shù)[4]的前沿，PET-MR圖像性能和質(zhì)量已成為行業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)，因此很多重建技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并被應(yīng)用于一體化PET-MR圖像的重建以提高設(shè)備性能和圖像質(zhì)量。

衰減校正(attenuation correction，AC)使重建后的圖像具有精準(zhǔn)定量化功能，目前一體化PET-MR系統(tǒng)中應(yīng)用于PET圖像的AC方法是采用MR圖像信息(即MRAC)，并使用圖像分割技術(shù)獲得臟器不同組織的成分，然后對(duì)PET圖像進(jìn)行AC[4]。飛行時(shí)間技術(shù)(time-of-flight，TOF)產(chǎn)生于20世紀(jì)80年代初期，是PET圖像重建中應(yīng)用十分廣泛的一種技術(shù)，通過測(cè)量湮滅光子到達(dá)探測(cè)器的飛行時(shí)間，從而確定放射性核素分布的一種方法，TOF在提高圖像信噪比、降低掃描時(shí)間的同時(shí)降低患者注射劑量[5-7]。點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(point spread function，PSF)是PET圖像重建中另外一種技術(shù)，隨著重建技術(shù)的發(fā)展，PSF已逐漸替代傳統(tǒng)的線源擴(kuò)散函數(shù)(linear spread function，LSF)，基于PSF的圖像重建方法可以顯著提高PET的圖像邊緣視野空間分辨率[8]。

PET圖像空間分辨率是評(píng)價(jià)一體化PET-MR圖像質(zhì)量的重要參數(shù)之一，其定義是在重建圖像中分辨相鄰兩個(gè)點(diǎn)的能力[9]?？臻g分辨率在一定程度上能夠決定診斷的準(zhǔn)確性，因此對(duì)于圖像空間分辨率影響因素的研究十分必要。在傳統(tǒng)影像學(xué)科中，調(diào)制傳遞函數(shù)(modulation transfer function，MTF)可以反映圖像空間分辨率，通常可以利用PSF、LSF、系統(tǒng)邊緣響應(yīng)函數(shù)、線對(duì)卡等方法計(jì)算系統(tǒng)的MTF[10]。除此之外圖像中點(diǎn)源的半高寬(full width at half maximum，F(xiàn)WHM)也能明確反映圖像空間分辨率，點(diǎn)源的FWHM越小，圖像的空間分辨率越高。本研究將使用計(jì)算重建圖像中點(diǎn)源FWHM的方法來反映空間分辨率，并對(duì)比不同重建條件(AC、TOF、PSF及迭代次數(shù))對(duì)空間分辨率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 點(diǎn)源制備

使用18F-氟代脫氧葡萄糖(18F-flurodeoxyglucose，18F-FDG)溶液制作點(diǎn)源。使用三根內(nèi)徑為1.0 mm的毛細(xì)管，用固體膠封住其中一端，另一端蘸取比活度≥925 MBq/ml的18F-FDG溶液，使毛細(xì)管內(nèi)18F-FDG溶液的長(zhǎng)度＜1.0 mm。參照美國(guó)電器制造商協(xié)會(huì)(NEMA)NEMA NU2-2007標(biāo)準(zhǔn)將3根毛細(xì)管平行于Z軸放置，3個(gè)點(diǎn)源中心位于同一平面，且分別位于此平面上點(diǎn)源1(0 cm，10 cm)，點(diǎn)源2(0 cm，1 cm)和點(diǎn)源3(10 cm，0 cm)處。

1.2 PET-MR設(shè)備和掃描方法

使用PET-MR(美國(guó)GE的Signa)進(jìn)行掃描，Z軸掃描中心位于點(diǎn)源中心(如圖1所示)。選擇表面線圈(UAA)，先進(jìn)行模型定位，然后進(jìn)行MRAC和PET掃描，PET圖像采集時(shí)間為11 min。

1.3 PET圖像重建

圖1 掃描示意圖

在不同重建條件下使用有序子集最大期望值算法(ordered subset expectation maximization，OSEM)重建PET圖像，重建選取矩陣大小為192×192，不同重建條件包括：是否使用AC、TOF及PSF；迭代次數(shù)分別設(shè)定為1和4；選取重建圖像中3個(gè)點(diǎn)最清晰的所在層；使用Matlab編程分別求3個(gè)點(diǎn)源在X軸和Y軸方向上的FWHM與十分之一高寬(full width at tenthmaximum， FWTM)，參考NEMA NU2-2007標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算中心點(diǎn)的(距離中心1 cm處)橫向FWHM(FWHMTransverse)和軸向FWHM(FWHMAxial)，即分別為公式1和公式2[11]：

式中FWHMxx=0，y=1、FWHMyx=0，y=1、FWHMzx=0，y=1分別代表中心點(diǎn)(點(diǎn)源2)沿X軸、Y軸及Z軸方向上的FWHM。

參考NEMA NU2-2007標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算邊緣點(diǎn)(距離中心10 cm處)沿橫向徑向FWHM(FWHMTransverseradial)、橫向切線FWHM(FWHMTransversetangential)和軸向FWHM(FWHMAxialresolution)，即分別為公式3、公式4和公式5：FWHMTransverseradial=(FWHMxx=10，y=1+FWHMyx=0，y=10)÷2(3)FWHMTransversetangential=(FWHMxx=0，y=10+FWHMyx=10，y=0)÷2(4)FWHMAxialresolution=(FWHMxx=10，y=0+FWHMyx=0，y=10)÷2(5)式中FWHMxx=0，y=10、FWHMyx=0，y=10、FWHMzx=0，y=10分別代表點(diǎn)源1沿X軸、Y軸及Z軸方向上的FWHM，F(xiàn)WHMxx=10，y=0、FWHMyx=10，y=0、FWHMzx=10，y=0分別代表點(diǎn)源3沿X軸、Y軸及Z軸方向上的FWHM。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 PSF、TOF及迭代次數(shù)對(duì)空間分辨率的影響

不使用AC時(shí)重建圖像中點(diǎn)源的FWHM計(jì)算結(jié)果見表1、表2。其中使用TOF，迭代次數(shù)為4，使用與不使用PSF兩張圖像中點(diǎn)源1在Y軸方向上的FWHM對(duì)比如圖2所示。

由表1及圖2可知，使用PSF重建圖像中點(diǎn)源的FWHM明顯小于不使用PSF重建圖像中點(diǎn)源的FWHM，即使用PSF可提高空間分辨率；而TOF對(duì)PET圖像空間分辨率有改善，但是沒有PSF明顯。在使用PSF重建時(shí)，迭代次數(shù)越大，點(diǎn)源FWHM越小，圖像空間分辨率越高，不使用PSF重建時(shí)，點(diǎn)源FWHM大小無明顯規(guī)律，迭代次數(shù)對(duì)空間分辨率無顯著影響。

表1 PSF及TOF對(duì)PET空間分辨率影響

表2 AC對(duì)PET空間分辨率影響

圖2 FWHM計(jì)算示意圖

2.2 AC對(duì)空間分辨率的影響

迭代次數(shù)為4時(shí)，重建圖像中點(diǎn)源的FWHM計(jì)算結(jié)果見表2。無論在重建過程中是否使用TOF和PSF技術(shù)，AC對(duì)點(diǎn)源FWHM無明顯影響，即AC對(duì)圖像空間分辨率影響不明顯。

3 討論

國(guó)外有研究使用線源為掃描對(duì)象探求空間分辨率，但實(shí)驗(yàn)未達(dá)到預(yù)期效果[5]。因此，本研究實(shí)驗(yàn)采用點(diǎn)源為實(shí)驗(yàn)掃描對(duì)象，對(duì)比不同重建算法對(duì)圖像空間分辨率的影響。實(shí)驗(yàn)同時(shí)測(cè)量了重建圖像點(diǎn)源的FWTM，其結(jié)果中顯示的規(guī)律與所測(cè)FWHM結(jié)果中顯示的規(guī)律相近。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，使用PSF可明顯提高空間分辨率，而在使用PSF的情況下，增加迭代次數(shù)可明顯提高空間分辨率。目前有研究表明，PSF技術(shù)可以顯著提高PET重建圖像的空間分辨率，尤其是與迭代重建技術(shù)相結(jié)合時(shí)效果更為顯著[12-14]。

本研究在圖像重建時(shí)所使用的有序子集最大期望值重建算法就是一種迭代算法，因此在使用PSF時(shí)重建圖像中點(diǎn)源的FWHM明顯小于未使用PSF時(shí)，這與現(xiàn)有研究的結(jié)果一致。本研究結(jié)果還顯示，AC及TOF對(duì)空間分辨率的影響并不明顯，現(xiàn)有研究多指出AC可以降低噪聲、縮短掃描時(shí)間，而TOF可以提高圖像的對(duì)比度和信噪比[15-16]。然而，這些研究并未提及AC和TOF對(duì)PET圖像空間分辨率的影響。除上述規(guī)律外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示中心處的空間分辨率明顯高于10 cm處，因此掃描時(shí)將患者置于孔徑中心可以獲得空間分辨率較高的圖像。

4 結(jié)論

本研究對(duì)比了不同重建條件對(duì)圖像空間分辨率的影響，其結(jié)果表明，PSF能夠明顯提高點(diǎn)源PET圖像空間分辨率，與迭代次數(shù)和TOF技術(shù)結(jié)合后更加明顯。因此，在臨床使用PET-MR對(duì)病灶的診斷中，掃描時(shí)應(yīng)將患者置于孔徑中心，重建時(shí)PSF技術(shù)和TOF技術(shù)的使用必不可少，且可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)增加迭代次數(shù)，以提高圖像的空間分辨率，增加診斷的準(zhǔn)確度。而對(duì)于其他評(píng)價(jià)PET圖像質(zhì)量的影響因素有待進(jìn)一步研究。

[1]吳泳儀，孫夕林，申寶忠.PET/MR聯(lián)合成像的應(yīng)用[J].放射學(xué)實(shí)踐，2015，30(6)：617-621.

[2]趙瓏，辛軍，張少敏，等.PET/MR的圖像融合精度測(cè)試研究[J].中國(guó)臨床醫(yī)學(xué)影像雜志，2014，25(12)：882-886.

[3]Delso G，F(xiàn)ürst S，Jakoby B，et al.Performance measurements of the Siemens mMR integrated whole-body PET/MR scanner[J].Journal of nuclear medicine，2011，52(12)：1914-1922.

[4]高艷，趙晉華.PET/MR衰減校正技術(shù)的研究進(jìn)展[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備，2015，30(7)：75-77.

[5]Suljic A，Tomse P，Jensterle L，et al.The impact of reconstruction algorithms and time of flight information on PET/CT image quality[J].Radioland Oncol，2015，49(3)：227-233.

[6]Budinger TF.Time-of-flight positron emission tomography：status relative to conventional PET[J].J Nucl Med，1983，24(1)：73-78.

[7]Boellaard R，Krak NC，Hoekstra OS，et al.Effects of noise，image resolution，and ROI definition on the accuracy of standard uptake values：a simulation study[J].J Nucl Med，2004，45(9)：1519-1527.

[8]辛軍，趙周社，陸喆，等.比較TOF-PET和PSF-PET圖像重建技術(shù)在臨床中的應(yīng)用價(jià)值[J].中國(guó)臨床醫(yī)學(xué)影像雜志，2012，23(8)：568-571.

[9]王風(fēng)，趙偉，張巖，等.擁有“飛行時(shí)間”技術(shù)的PET/CT性能分析[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備，2012，9(7)：1-5.

[10]白玫，彭明辰.X線CT成像質(zhì)量評(píng)估中的調(diào)制傳遞函數(shù)的測(cè)試與分析[J].醫(yī)療設(shè)備信息，2006，21(5)：11-13.

[11]National Electrical Manufacturers Association.Performance measurements of positron emission tomographs[S].NEMA Standards Publication NU 2-2007；Rosslyn，USA：National Electrical Manufacturers Association，2007.

[12]Alessio AM，Stearns CW，Tong S，et al.Application and evaluationof a measured spatially variant system model for PET imagereconstruction[J].IEEE Trans Med Imaging，2010，29(3)：938-949.

[13]Tong S，AlessioAM，KinahanPE.Noise and signal properties in PSF-based fully 3D PET image reconstruction：an experimentalevaluation[J].Phys Med Biol，2010，55(5)：1453-1473.

[14]Rogasch JM，Hofheinz F，Lougovski A，et al.The influence of different signal-to-background ratios on spatialresolution and F18-FDG-PET quantification using point spread function and time-of-flight reconstruction[J].EJNMMI Phys，2014，1(1)：12.

[15]柴培，聶彬彬，葉婷，等.CT用于PET衰減校正技術(shù)的研究進(jìn)展[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，2010，26(8)：1576-1578.

[16]Karp JS，Surti S，Daube-Witherspoon ME，et al.Benefit of time-of-flight in PET：experimental and clinical results[J].J Nucl Med，2008，49(3)：462-470.

Research on influence of different reconstruction condition for the spatial resolution of integrative PET-MR image

ZHUANG Jing-wen, XIE Feng, WU Tian-qi, et al

Objective:To compare the influence of different reconstruction condition for the spatial resolution of integrative PET-MR image through experiment research of model.Methods:The standard of NEMA was referred to produce point source, and the signa PETMR of GE was used to implement scan. Different image reconstruction condition of PET were used to reconstruct image, and then the FWHM of point source were obtained. The influences of TOF, PSF,iterations and AC for spatial resolution of image were compared.Results:The point source FWHM was between 3.40～4.31mm when PSF technique was used to reconstruct image, while it was 4.56～5.83mm without PSF technique. Therefore, PSF could reduce FWHM in reconstructed image. Besides, there were few influences of TOF and AC for FWHM.Conclusion:PSF and iterations could effectively enhance spatial resolution of image, while there were few the influences of TOF and AC for FWHM. In the scan for lesions by using PET-MR, patients should be placed on centre of aperture. And in the diagnosis for small lesion, the using of PSF technique is necessary, and the iteration should properly be increased as the actual situation.

Integrative PET-MR; Reconstruction method; Spatial resolution

Department of Medical Engineering, Xuanwu Hospital of Capital Medical University,Beijing 100053, China.

1672-8270(2017)11-0012-04

R812

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.11.004

莊靜文,女,(1990- ),碩士，助理工程師。首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程處，研究方向：醫(yī)學(xué)影像設(shè)備圖像質(zhì)量。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃數(shù)字診療裝備研發(fā)專項(xiàng)課題(2016YFC0103909)“PET/MR在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的高級(jí)臨床應(yīng)用”

①首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程處 北京 100053

*通訊作者：jswei65@163.com

China Medical Equipment,2017,14(11):12-15.

2017-08-18