OSEM重建的設置對于99mTcO4-SPECT/CT定量準確性的影響

西安交通大學第一附屬醫院 核醫學科，陜西 西安 710061

引言

定量SPECT/CT在核醫學臨床應用和研究領域逐漸發揮重要的作用并有著很廣闊的發展前景。許多研究表明定量SPECT的價值和意義，比如111In、123I和177Lu用于靶向診療和輻射劑量的規劃[1-3]，利用99mTc和201Tl評價局部心肌血流和冠狀動脈血流儲備[4-7]，以及放射性藥物在體內的生物分布和輻射劑量評估等[1,8]。與此同時，SPECT成像的定量準確性也隨著硬件和軟件的發展而得到了進一步的提升，其中包括融合SPECT/CT系統[9]、圖像重建算法[10-11]，光子的衰減校正和散射校正技術[10-13]。

針對SPECT圖像重建方面，迭代算法相比于非迭代算法（比如濾波反投影算法）很大程度提升了定量的準確性[14-15]。有序子集最大期望值（Ordered-Subset Expectation Maximum，OSEM）重建作為一種標準的迭代重建算法，已經被廣泛用于SPECT和PET的圖像重建。這種算法的原理是將圖像數據分成不同的子集然后利用最大期望值算法處理這些子集[16]。子集的使用可以使收斂率在早期的迭代過程中得到很大的提升[17]。在OSEM重建算法的迭代次數方面，定量的準確性隨著迭代次數的遞增而得到提升；另一方面，圖像的噪聲也放大了，這就不利于圖像的顯示。目前的臨床應用一般使用較少的迭代次數來提升圖像的質量，這就犧牲了定量的準確性。而針對臨床條件下SPECT圖像定量準確性和OSEM重建參數設置（包括子集數和迭代次數）的關系，目前相關研究較少。而對于SPECT/CT的臨床應用來說，能夠評價定量的準確性并對定量結果進行校正是至關重要的，特別是對于那些小于三倍空間分辨率的病灶或靶器官（即部分容積效應）[18]。SPECT定量準確性有助于制定治療計劃、療效評估和預后隨訪的準確度，增加臨床醫生診斷的信心。

本研究通過模型數據測定的恢復系數（Recovery Coefficient，RC）評價99mTcSPECT/CT模型不同OSEM重建參數（包括子集數和迭代次數）的定量準確性，進而制定臨床上最佳的OSEM圖像重建參數設置，明確RC與病灶大小之間的關系，以實現不同大小的病灶進行定量參數的校正。

1 資料與方法

1.1 模型圖像采集

采用NEMA/IEC圖像質量模型，其中6個球（37、28、22、17、13、10 mm）和本底內分別灌注153.67 Kq/mL和7.03 KBq/mL99mTcO4-，熱球-本底活度比為18:1。利用Discovery 670 pro NM/CT （GE Healthcare，美國）進行斷層圖像采用，配備低能高分辨準直器，能峰140 keV，能窗±10%，SPECT斷層采集6°一幀，采集時間為30 s/幀，矩陣128×128。CT采集，電壓120 kV，電流80 mA，旋轉時間0.6 s，螺距1.375:1，矩陣512×512，層厚2.5 mm。

1.2 圖像重建及分析

1.3 統計學分析

采用IBM SPSS 22.0軟件分析數據。應用回歸分析RCmean值與熱球體積之間的關系及曲線擬合。P＜0.05認為差異有顯著統計學意義。

2 結果

NEMA/IEC模型的斷層圖像（圖1）顯示，當迭代次數為2時圖像質量最高，熱球顯示最清晰，邊緣輪廓清晰，形狀最規整；但隨著迭代次數增加，圖像質量逐漸降低，熱球顯示越來越模糊，形態越來越不規整，同時背景噪聲越來越明顯。

圖1 NEMA/IEC模型SPECT橫斷層圖像（熱球中心水平層面，子集數為10）

所有熱球的RCmean值均隨著迭代次數增加而增加，直到迭代50次，當迭代60或70次時，RCmean值增加逐漸變得不明顯或出現輕度下降，見圖2。當迭代由2增加到10時，RCmean值增加的幅度最大（10 mm除外）。隨著迭代次數增加，熱球RCmean值的增加小于迭代線性增加的幅度，當迭代由2到10、20到30、40到50、60到70時，17 mm球RCmean值相對增加的幅度分別為10.2%、10.2%、2.9%和1.3%。其中13、17、22 mm球的RCmean隨迭代增加而增加的趨勢最明顯，28 mm和37 mm球不同迭代的平均RCmean值分別為86%和92.8%。但是，隨著子集數由5、10、15、20到25，所有熱球的RCmean無明顯差異（圖3）。

圖2 不同迭代次數對NEMA/IEC模型熱球RCmean值的影響（子集數10）

圖3 不同子集數對NEMA/IEC模型熱球RCmean值的影響（迭代次數=50）

當迭代50次子集數為10時，回歸分析結果顯示SPECT圖像測定的熱球RCmean與熱球直徑（CT橫斷層圖像熱球中心水平層面測定）之間呈非線性變化，函數關系為對數函數形式，預估曲線模型為y=0.167ln(x)＋0.486，R2=0.93（圖 4）。

圖4 SPECT圖像測定的RCmean與熱球體積之間的回歸分析結果（OSEM重建參數為迭代50次、子集數為10）

3 討論

本研究分析了99mTcSPECT/CT圖像不同OSEM重建參數對定量準確性的影響。結果表明，當OSEM重建過程中隨著迭代次數的增加13、17、22 mm熱球RCmean也逐漸增加，當迭代次數=50次時，99mTcSPECT/CT定量準確性最高。然而，對于不同的放射性示蹤劑、準直器和臨床掃描方案（例如掃描時間、成像參數等）也需要改變最佳OSEM重建的迭代次數。Gnesin等[19]關于99mTcO4-SPECT定量準確性研究中采用NEMA模型OSEM迭代次數為4～48次（4、8、12、16、20、24及48次），結果顯示直徑10、13、17、22 mm熱球的RC隨迭代次數的增加而增加，迭代次數為48時RC最高，對于28和37 mm熱球，其定量準確性的誤差＜5%，與本研究的結果相似。但是，Ryu等[20]研究結果顯示NEMA IQ模型10、13、17、22、28、37 mm熱球的RC略低于本研究的結果，其原因可能是不同設備的探頭晶體探測能力不同，另外，其采用不同的熱球-本底放射性濃度比值（7.2:1）和不同的OSEM重建參數（迭代4次、子集數為6）。Zeintl等[21]研究提出RC高度依賴于OSEM的迭代次數，尤其對于小于系統分部率3倍的病灶或器官，另外，提出當32次迭代時99mTc模型的定量準確性誤差為3.6%，其95%可信區間為-19.4%至+12.2%。但針對177Lu的模型研究提出OSEM重建參數為5或6次迭代，且子集數10時小體積熱球達到收斂效最佳，同時圖像噪音最小[22-23]。也有研究提出111In SPECT/CT劑量學分析及治療計劃定量分析中推薦使用30次迭代（20個子集或5個子集）進行OSEM重建[24-25]。而Shcherbinin等[26]188Re SPECT內照射劑量分析定量研究中采用4次迭代和8個子集數的OSEM重建參數。同時本研究還提出不同子集數（5、10、15、20和25）對NEMA/IEC模型熱球RCmean無明顯影響，在SPECT定量臨床實踐中，可直接采用設備默認子集數10。因此，根據本研究的結果，推薦使用迭代50次子集數10為最佳OSEM重建參數，可適應于99mTcSPECT定量分析、病例分層及療效評估等臨床應用。然而，這種迭代次數的增加僅適用于99mTcSPECT/CT定量，而不適合圖像細節觀察，NEMA/IEC模型斷層圖像隨著迭代次數增加其噪聲明顯增加，臨床上可通過降低迭代次數以用于提高圖像質量，因此，需要在定量準確度和圖像質量之間進行權衡。

另外，本研究應用50次迭代和子集數為10的OSEM重建時，回歸分析結果顯示RCmean與病灶的體積之間呈非線性變化，函數關系為對數函數形式，具有高擬合度（R2=0.93）。在此分析結果的基礎上，模型的建立為不同大小病灶的99mTc-高攝取SPECT/CT定量準確度提供技術依據，對于小病灶的部分容積校正非常有幫助[27]，可提高小病灶SPECT/CT定量的準確度[28-32]。

綜上所述，在OSEM迭代次數方面，99mTcO4-SPECT/CT圖像的定量準確性隨著迭代次數的遞增而得到明顯提升，尤其對于小病灶，當迭代50次時，可達到最大收斂。而子集數對定量準確性無明顯影響。當迭代50次、子集數為10時， RC與熱球體積之間存在確定對數函數關系，為不同大小病灶的99mTcO4-SPECT/CT定量參數的校正提供可靠的理論依據。但針對不同99mTc攝取程度的病變需要進一步通過不同熱球-本底比值的NEMA/IEC模型RC結果以進行更準確的校正。