重建矩陣對一體化PET/MR圖像質量的影響*

吳 萍 吳天棋 白 玫*

電子發(fā)射型計算機斷層顯像(positron emission computed tomography，PET)是通過對放射性核素在體內的聚集成像，反映生命代謝活動情況的設備，是核醫(yī)學領域常用的影像檢查技術；磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)是利用磁共振現(xiàn)象從人體中獲得電磁信號，通過圖像重建獲得人體結構成像的設備，是放射影像領域常用的檢查技術之一[1]。一體化PET/MR設備[2-3]是同時進行PET和MR掃描，并將PET分子圖像與MR結構圖像結合在一起的全新醫(yī)學影像設備，其內置飛行時間(time of flight，TOF)圖像采集重建技術是基于镥素晶體和高性能的光電轉化器的新技術[4-5]。

在圖像后處理時，一般采用不同重建條件以獲取高質量掃描圖像，其中矩陣大小是一個重要的變量參數(shù)[6-7]。重建矩陣(reconstruction matrix)記作Mx(x為矩陣大小)，是反映重建圖像大小的參數(shù)，一般認為和圖像的空間分辨率等性能有關[8]。以灰度圖像為例，其像素數(shù)據(jù)就是一個矩陣，矩陣的行對應圖像的高(單位為像素)，矩陣的列對應圖像的寬(單位為像素)，矩陣的元素對應圖像的像素，矩陣元素的值就是像素的灰度值。本研究以圖像矩陣大小為變量，探討一體化PET/MR設備中PET圖像質量的變化。

1 材料與方法

1.1 一體化PET/MR設備

本研究所用掃描設備為美國通用電氣公司的一體化PET/MR設備，型號為SIGNA，圖像處理為設備配套AW4.6工作站。該設備以3.0T靜音磁共振設備作為平臺，采用LBS镥閃爍晶體與全數(shù)字化固態(tài)陣列式光電轉化器(SiPM)融合技術，PET探測器具有TOF技術；以零回波成像技術(zero echo time，ZTE)實現(xiàn)PET衰減矯正；時間分辨率＜400 ps，靈敏度＞21 cps/kBq，軸向視野25 cm，能夠實現(xiàn)PET與MR一體化同步掃描獲取數(shù)據(jù)(如圖1所示)。

圖1 SIGNA PET/MR示圖

1.2 體模系統(tǒng)

本研究依據(jù)美國電器制造商協(xié)會(National Electrical Manufacturers Association，NEMA)NU2-2007標準，使用國際電工委員會(International Electro technical Commission，IEC)61675-1標準規(guī)定的人體體部體模[9-11]。模型內嵌6個小球分為4個熱區(qū)和2個冷區(qū)，熱區(qū)表示該區(qū)域內具有高活度濃度的放射性藥物，用以模仿病灶區(qū)域，其直徑分別為10 mm、13 mm、17 mm和22 mm；冷區(qū)表示實驗時不注入藥物，其直徑分別為28 mm和37 mm。熱區(qū)與背景區(qū)域的放射性藥物濃度比例為4∶1；中間是直徑為35 mm的空氣柱，即氣體冷區(qū)[12-13](如圖2所示)。

圖2 IEC 61675-1標準PET圖像質量體模示圖

放射性藥物區(qū)域以總活度為1.53×108Bq(4.14 mCi)的18F-代脫氧葡萄糖(18F-Fluoro dexyglucose，18F-FDG)填充，充分搖勻并靜置260 min后開始掃描。依據(jù)藥物衰減計算，掃描開始時，熱區(qū)放射性藥物活度濃度為1.18×104Bq/ml(0.32 μCi/cc)。

1.3 掃描與圖像重建

將體模置于PET/MR掃描野中，掃描模式設置為全身掃描模式，使用MRAC的胸肺模板進行衰減校正，采集時間為11 min。

圖像重建采用聯(lián)合TOF和點擴展函數(shù)(point spread function，PSF)技術，迭代算法為核醫(yī)學設備中常用的有序子集最大期望值方法(ordered subsets expectation maximization，OSEM)，迭代次數(shù)為3次，子集28個，掃描時間4 min，以胸部模板進行基于磁共振的衰減矯正(magnetic resonance based attenuation correction，MRAC)。

為了探討不同矩陣大小對一體化PET/MR設備PET圖像質量的影響，將矩陣大小設置為變量，討論重建后PET圖像質量。其中，掃描像素矩陣分別設置為128×128、192×192和256×256的3個條件。

1.4 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)NEMA NU 2-2007標準，在重建圖像中人工選取冷區(qū)、熱區(qū)球心共面的層及Z軸上距其±1 cm和±2 cm的層，分別讀取冷區(qū)、熱區(qū)平均計數(shù)、本底感興趣區(qū)(region of interest，ROI)平均計數(shù)、肺區(qū)插件ROI平均計數(shù)。其中本底ROI選取記作Rs，i，j，其中s為層號，包括0層、-1層、-2層、1層及2層，共計5層；i為一層中ROI序號，共計12個，j為本底ROI直徑；肺區(qū)ROI選取其中心30 mm直徑的圓形區(qū)域(如圖3所示)。

圖3 圖像質量分析的本底ROI定位示意圖

本底平均計數(shù)(CB,j)為所選5層切面中每層12個ROI的計數(shù)平均值，其CB,j的計算為公式1：

熱區(qū)對比度(QH,j)的計算為公式2：式中CH,j是熱區(qū)j計數(shù)平均值，αH為熱區(qū)放射性濃度，αB為本底放射性濃度，本實驗中αH/αB=4。

冷區(qū)對比度(QC,j)的計算為公式3：

式中CC,j為冷區(qū)計數(shù)平均值。

本底變化率(Nj)的計算為公式4、公式5：式中SDj是Rs,i,j的標準差。

熱區(qū)信噪比(signal noise ratio，SNR)的計算為公式6：

判斷衰減和散射矯正精度，其平均殘余誤差(△Clung,s)的計算為公式7：

式中Clung,s為肺區(qū)ROI計數(shù)平均值。

2 結果

2.1 冷區(qū)和熱區(qū)對比度

依據(jù)公式(2)分別計算熱區(qū)4種不同直徑尺寸和冷區(qū)2種不同尺寸在不同矩陣大小條件下的對比度值。TOF條件下冷區(qū)對比度均值高于同矩陣大小條件下非TOF條件的熱區(qū)對比度均值；以128×128矩陣的重建圖像為參照，使用TOF技術和非TOF技術，其對比度平均值均有增長趨勢，TOF條件下對比度均值隨矩陣增加的增長值分別為11.45%和10.1%，非TOF條件下對比度均值隨矩陣增加的增長值分別為7.14%和7.92%，見表1、如圖4所示。

圖4 冷區(qū)熱區(qū)對比度平均值趨勢圖

2.2 背景變化率

以128×128矩陣條件下的重建圖像為參照，使用TOF技術和非TOF技術，矩陣為192×192、256×256時其背景變化率均有降低趨勢，TOF條件下背景變化率平均值隨矩陣變大分別降低了0.04%和0.22%，非TOF條件下背景變化率平均值隨矩陣變大分別降低了0.27%和0.20%；N值隨ROI尺寸增加而降低，見表2。

2.3 信噪比

以128×128矩陣大小的重建圖像為參照，使用TOF技術和非TOF技術，矩陣為192×192、256×256時信噪比均值有增長趨勢，其平均值分別提高了3.71、3.69和2.71、3.06；在使用TOF條件下，SNR隨ROI尺寸增加而增加，見表3。

表1 矩陣大小對對比度影響變化(%)

表2 不同矩陣大小下不同直徑背景變化率(%)

表3 不同矩陣大小下熱區(qū)信噪比統(tǒng)計

表4 不同矩陣大小對衰減和散射矯正精度ΔClung,s影響(%)

2.4 衰減和散射矯正精度

本研究分別討論在使用TOF技術和不使用TOF技術條件下，不同矩陣大小對衰減和散射矯正精度ΔClung,s的影響。使用TOF技術時，ΔClung,s均值增加值分別為0.28%、0.28%；使用非TOF技術時，ΔClung,s均值增加值分別為1.04%、0.33%，見表4。

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)，隨著重建矩陣的增加，對比度平均值較128×128矩陣結果均有增長趨勢，但后兩者矩陣間Q值無明顯差異，在ROI尺寸較小時，出現(xiàn)Q值下降現(xiàn)象，表明增大矩陣對于小尺寸ROI無明顯優(yōu)化作用；背景變化率均值在矩陣增大時均有不同程度下降，但由于ROI大小會影響其計數(shù)的標準差，因此大尺寸ROI的背景變化率通常低于小尺寸ROI；矩陣的增大具有提高熱區(qū)SNR的趨勢，但在后兩種矩陣中并不明顯；使用TOF技術時，重建矩陣128×128的圖像都具有較小的衰減和散射矯正精度ΔClung,s，隨矩陣增大，ΔClung,s無明顯變化。

4 結論

本研究采用國際通用的IEC 61675-1標準PET圖像質量體模，遵循NEMA NU2-2007標準的檢測和數(shù)據(jù)處理方法，在一體化PET/MR設備上利用不同矩陣大小重建PET圖像，通過比較PET圖像對比度、背景變化率、信噪比，發(fā)現(xiàn)大矩陣圖像較小矩陣圖像質量均有提高，而兩種較大矩陣之間的圖像質量差異并不明顯；矩陣增加對衰減和散射校正精度的提升無明顯作用。臨床使用中可根據(jù)實際需求及其他參數(shù)特征確定選取不同矩陣的圖像優(yōu)化方案，從而進一步輔助臨床診斷。

本研究將在后續(xù)試驗中進一步研究其他可能影響一體化PET/MR設備圖像質量的參數(shù)，及其他醫(yī)學工程相關問題。