數字化PET/CT正則化重建與有序子集迭代重建的圖像質量比較

陶端，彭偉皚，陳江林

1. 飛利浦(中國)投資有限公司 高級分子影像業務部，北京 100026；2. 平安好醫重慶醫學影像中心 核醫學科，重慶 400042

引言

正電子發射斷層成像儀（Positron Emission Tomography，PET）自20世紀80年代發明以來，重大的技術進步包括三維采集、PET與CT融合、快速晶體和飛行時間探測[1]。近兩年PET硬件技術的進步是數字化探測器，采用新型的硅光電放大器件取代傳統的光電倍增管，硅光電放大器件和閃爍晶體結構上一一對應，PET探測器通道數成千倍地增加，空間分辨率、能量分辨率、時間分辨率、靈敏度等性能全面躍升[2]。PET重建是將原始數據進行放射性分布的還原，得到高質量影像的過程。有序子集最大期望值迭代重建（Ordered Subset Expectation Maximization，OSEM）將投影數據分成N個子集進行運算，提高重建速度，又具備良好的圖像質量，成為使用最廣泛的PET重建算法[3]。飛行時間正則化（Time-of-Flight Regularized Expectation Maximization，TOF-REM）是一種新的算法，將飛行時間信息加入系統響應矩陣，運用懲罰函數進行正則化運算，是PET重建技術的一大進步[4-6]。目前尚未見將數字化PET和TOF-REM兩種新技術結合在一起，評估圖像質量的研究。本研究旨在數字化PET/CT平臺上，比較TOF-REM和OSEM兩種重建算法對圖像質量的影響。

1 材料和方法

1.1 IEC球體模型

選擇美國電氣制造協會的IEC球體模型，該模型遵循NEMA標準，用以評價PET圖像質量[7-8]。模型為有機玻璃的圓柱體，高30 cm，6個內空的球體在模型中間環形排列，球體內徑依次為10、13、17、22、28、37 mm。球體內灌入的18F-FDG比活度為21.2 kBq/mL，球體外18F-FDG的比活度為5.3 kBq/mL，靶本比值為4:1。模型置于視野中心，通過激光定位燈調整水平后開始采集。

1.2 18F-FDG攝取增高灶的選取

回顧性收集在平安好醫重慶醫學影像中心2019年12月進行PET/CT檢查的26例受檢者，進行兩種OSEM和TOF-REM重建，融合顯示后，尋找直徑小于18 mm的18F-FDG攝取增高灶。FDG攝取增高灶入選標準：18F-FDG攝取增高，病灶直徑小于18 mm，病灶部位在胸腹部。為避免單一來源，每個患者最多選取3個攝取增高灶。

1.3 數字化PET/CT采集和重建方法

使用飛利浦公司Vereos PET/CT儀，PET采用LYSO晶體和DPC數字化硅光電放大器件，時間分辨率為310 ps，能量分辨率為11%，CT為64排探測器。PET/CT采集包含定位片、螺旋CT和PET三個序列。CT采集參數為管電壓120 kV，管電流100 mAs，球管旋轉時間0.5 s，螺距0.873。PET是三維列表采集，每床位采集時間2 min，PET重建采用OSEM和TOF-REM兩種算法，重建矩陣為338×338，層厚2 mm，OSEM重建參數為3次迭代，18個子集，點擴散函數（Point Spread Function，PSF）打開。TOF-REM采用二次先驗演變法（Evolution-Scaled Quadratic Prior，ESQP），TOF-REM重建參數R值選擇200的默認值。衰減校正采用CT圖像生成的透射圖，散射校正采用蒙特卡洛單散射模擬，隨機校正采用延遲窗相減法。

1.4 模型圖像質量的評估方法和步驟

在IEC球體模型上，對比度恢復系數（Contrast Recovery Coefficient，CRC)是評價PET圖像質量的定量指標[7]。最大對比度恢復系數的計算方法如公式(1)所示。

其中，Mmax是球體ROI中的測量得到的最大比活度，Tmax是真實的最大比活度。

平均對比度恢復系數的計算方法如公式(2)所示。

其中，Mmean是球體ROI中的測量得到的平均比活度，Tmean是真實的平均比活度。

對比度恢復系數計算的詳細步驟如下：IEC球體模型進行PET采集，然后重建得到PET橫斷面影像數據，融合顯示后找到球體的最大層面，在6個球體的內部勾畫出相應的感興趣區（Region of Interest，ROI），記錄球體ROI的最大比活度和平均比活度。球外區域代表本底，在本底區域勾畫尺寸相同的ROI，記錄本底ROI的最大比活度和平均比活度，依據公式，計算得到CRC。

1.5 FDG攝取增高灶的圖像質量評估方法和步驟

受檢者體內的FDG攝取增高灶，采用相對信噪比作為圖像質量評估的定量指標。相對信噪比是信噪比的相對比值，其過程包括選取放射性攝取增高灶、測量信噪比和計算相對信噪比三個步驟。詳細步驟如下：26例受檢者，在星云后處理工作站顯示OSEM和TOF-REM重建得到的圖像，在OSEM迭代重建的PET圖像中，打開三維ROI勾畫工具欄，選擇最大計數百分比的勾畫方式，對于肉眼可見FDG攝取高的小病灶進行三維ROI的自動圈畫，勾畫完成后，查看此三維ROI的體積，找到＜3 mL的小病灶，測量直徑，直徑＜18 mm的FDG攝取增高灶算進納入范圍，在同一層面查看TOF-REM重建圖像。測量信噪比第一步是測量并記錄攝取增高灶的SUVmax，選定自身的縱隔血池作為本底區域，勾畫18 mm直徑的球形ROI，測量并記錄縱隔血池的SUVmax，兩者比值是信噪比。同一攝取增高灶，TOF-REM重建的信噪比與OSEM重建的信噪比兩者相除，就得到了相對信噪比。

1.6 統計學分析

采用IBM SPSS 26.0 軟件進行數據分析。模型CRC的統計學分析采用Wilcoxon符號秩和檢驗，比較TOF-REM重建和OSEM重建的CRC。FDG攝取增高灶相對信噪比的統計學分析，采用卡方檢驗。攝取增高灶的直徑和相對信噪比的關系采用Pearson分析。P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 IEC球體模型的圖像質量

6個模擬熱區的球體在模型中間呈環形排列，內徑依次為10、13、17、22、28、37 mm，圖1為IEC球體模型在PET重建后得到的橫斷層影像，對應的是球體最大直徑的層面，圖1a為TOF-REM重建，圖1b為OSEM重建，圖1a和圖1b對比可見，TOF-REM重建對直徑為17、13、10 mm的小球，對比度高，顯示更清晰，圖像質量更好。

圖1 IEC球體模型的圖像質量

CRC是評估IEC球體模型圖像質量的定量指標，表1列出了在TOF-REM和OSEM兩種重建方式，6個球體的CRCmax、CRCmean以及提升百分比。由表1可知，對于直徑22、28、37 mm的小球，兩種重建方法CRC接近。對于直徑17、13、10 mm的球體，TOF-REM重建的CRCmax和CRCmean提高明顯。與OSEM相較，TOF-REM重建對于10 mm直徑的球體，提升百分比高達68%。

表1 IEC模型不同球體直徑（mm）TOF-REM和OSEM重建的CRC

2.2 FDG攝取增高灶的圖像質量

2019年12月的26例患者，PET圖像尋找直徑＜18 mm的FDG放射性攝取增高灶，其中男性15例，女性11例，年齡中位數為56歲（45～72歲）。總共納入65個FDG攝取增高灶，其中肺部32個，縱隔11個，腹部22個。圖2是某一受檢者的PET冠狀位影像，分別為TOF-REM重建和OSEM重建，肺門處可見FDG攝取增高灶，TOF-REM重建的信噪比為3.8，OSEM重建的信噪比為2.6，相對信噪比為145%，提高接近50%。

圖2 FDG攝取增高灶的圖像質量

繪制65個FDG攝取增高灶的散點圖，橫坐標為增高灶的直徑，縱坐標為相對信噪比（圖3）。所有FDG攝取增高灶的相對信噪比都高于100%，區間在107%～182%，說明在數字化PET/CT平臺上，TOF-REM重建對于體內的FDG攝取增高灶，提高了信噪比，普遍提高了圖像質量。對直徑≥15 mm的攝取增高灶，相對信噪比為125%的水平；對直徑＜5 mm的攝取增高灶，相對信噪比可達170%以上。FDG攝取增高灶的直徑與和相對信噪比的相關性分析，Pearson相關系數為-0.35（P=0.08），TOF-REM重建對小的攝取增高灶，相對信噪比更高，圖像質量提高更多。

圖3 FDG攝取增高灶直徑與相對信噪比的散點圖

3 討論與總結

提升圖像質量是PET/CT技術進步的原動力，近年PET/CT的硬件技術飛躍有數字化探測器，軟件算法的進步有正則化重建[6]，為了解數字化PET/CT正則化重建對圖像質量的影響，本研究通過IEC模型和FDG攝取增高灶，評估圖像質量的變化。

本研究方法學的創新點之一是數字化PET/CT和正則化重建兩種新技術的聯合應用。數字化PET/CT的自問世以來備受關注，Danielle等[9]對乳腺癌患者在傳統PET/CT和數字化PET/CT顯像下的圖像質量進行對比，證明數字化PET的圖像質量優于傳統PET，腫瘤的TNM分期更加精準，從而帶來更精準的治療方案。正則化使用相鄰體素間差異的函數，充當噪聲抑制項，從而抑制噪聲，增加迭代更新，是新興的重建算法。用于PET重建的正則化有兩種，塊序正則化和飛行時間正則化。塊序正則化重建對肺結節，肉眼觀察可改善圖像質量，對于直徑＜10 mm 的肺結節，能明顯提高SUVmax，但不能鑒別結節的良惡性。塊序正則化最重要的重建參數是懲罰強度因子β值，需要根據不同情況進行設定和優化，神經系統的最佳β值是200，FDG腫瘤學的最佳β值是350，如果β值＞400，肝臟會出現假陽性[10-11]。飛行時間正則化的核心在于引入特征提取和飛行時間的計算，初步研究表明，能夠降低噪聲，提高信噪比，病灶的邊界更加清晰[6-12]。以上關于圖像質量的研究，或就數字化PET/CT展開，或就正則化重建進行相關研究，尚未見數字化PET/CT正則化重建算法聯合評估圖像質量的研究。

采用相對信噪比評估FDG攝取增高灶的圖像質量，是本研究方法學上的創新點之二。體內的FDG攝取增高灶，評估圖像質量常用方法為SUVmax比值法[13-14]。SUVmax是PET/CT常用的半定量指標，局部組織攝取示蹤劑的放射性活度與全身平均的注射活度的比值，SUVmax很好地反映了PET圖像質量，但SUVmax比值法沒考慮PET影像存在本底差異。在評估不同采集和重建條件的圖像質量，相對信噪比是更好的評價指標，優于SUVmax比值法。相對信噪比具體步驟為：記錄FDG攝取增高灶的SUVmax和縱隔血池本底區域的SUVmax，兩者相除得到信噪比；然后對同一FDG攝取增高灶，兩種重建方式的信噪比進行相除，得到相對信噪比。因為人體在FDG攝取達到平衡后，縱隔血池比較穩定，可以作為本底區域。去除了本底差異的影響，相對信噪比成為了評估FDG攝取增高灶更好的定量指標[15]。

本研究結果顯示，在數字化PET/CT上，TOF-REM重建比OSEM重建提高了圖像質量。對于直徑較小的球體模型和FDG攝取增高灶，圖像質量有更大的提高，有利于檢出病灶。數字化PET/CT自問世以來備受關注，圖像質量的相關研究百花齊放，Nghi等[16]報道了數字化PET/CT圖像質量遠優于傳統PET/CT。Katherine等[17]在數字化PET/CT上就圖像質量和18F-FDG顯像劑的關系進行研究，傳統PET/CT常規注射10毫居18F-FDG，數字化PET/CT能減少70%，最低可少至2.6毫居，確保好的圖像質量，又減少了受檢者的輻射劑量。Jun等[18-19]就圖像質量和掃描速度的關系展開研究，數字化PET/CT在保證良好圖像質量的前提下，能夠實現每床位30 s的快速掃描。Francisco等[20]從SUVmax入手，量化分析數字化PET/CT圖像質量的提高程度，提高可達36%。釔-90因為正電子的比例極低，對釔-90標記的玻璃微球傳統PET/CT難以顯影，但數字化PET/CT能夠清晰顯像，圖像質量很好，開啟治療劑量學的研究[21]。以上圖像質量的研究都是基于OSEM重建。正則化重建算法對圖像質量的提高，趙斌等[10]已有報道，本研究結果顯示，對直徑＜10 mm 的高攝取灶，TOF-REM重建得到更好的圖像質量。

本研究結果的先進性，進一步揭示FDG攝取增高灶的直徑與圖像質量提高程度這兩者的關系。傳統PET/CT因為空間分辨率及硬件瓶頸，直徑較小的FDG攝取增高灶，難以清晰顯示，也就沒有研究報道直徑＜10 mm這種相關性，本研究通過繪制FDG攝取增高灶的直徑與相對信噪比的散點圖，并進行相關性分析，明確了攝取增高灶直徑越小，TOF-REM重建的圖像質量提高越明顯，兩者存在相關性。另外本研究的表1顯示，IEC模型隨著球體直徑變小，CRC的提升百分比增高，也印證這種相關性。

本研究存在一定的局限性，即重建參數，我們使用設備制造商提供的默認設置，進行OSEM和TOF-REM。雖然這些設置適用于臨床，但這些設置有可能不是最佳設置。針對迭代更新次數、正則化R 值和PSF等重建參數的優化，有可能提高圖像質量，這可以成為將來進一步的研究內容。