代數迭代圖像重建技術在SPECT圖像重建中應用的研究

【作 者】曹少平，顧宏清，印春光

上海交通大學醫學院附屬上海兒童醫學中心，上海市，200127

SPECT是臨床上常規使用的功能分子影像成像儀。傳統上，由于SPECT設備配置的圖像處理工作站受硬件限制，將FBP(filtered back projection, FBP)作為常規的臨床圖像重建方法。但是，FBP圖像重建方法產生的星狀偽影降低了SPECT圖像質量和增大了噪聲，特別是在低的放射性計數情況下圖像質量降低的更為明顯。而降低患者輻射劑量，提高臨床效率，是核醫學分子影像設備發展的方向。為此，很多學者開始探討代數迭代圖像重建(algebraic iterative reconstruction)技術在SPECT圖像重建中應用。目前，在代數迭代圖像重建技術中,以OSEM(ordered subsets expectation maximization, OSEM)最為常用。OSEM圖像重建技術已經為PET作為常規的圖像重建技術使用，并顯著地提高了PET的圖像質量[1]。隨著分子影像工作站性能和圖像重建技術的不斷提高，新一代OSEM技術在迭代過程中同時進行圖像空間分辨率的恢復，從而進一步提高SPECT的圖像質量。

本研究目的是通過對同一SPECT原始數據，采用OSEM和FBP兩種重建方法，通過計算病灶的T/B（靶組織/本底組織）和噪聲指標，來判斷和比較兩種圖像重建方法的優劣。探討將OSEM迭代圖像重建技術作為臨床常規SPECT成圖像之方法.

1 資料和方法

使用GE公司Millennium MG可變角度雙探頭的SPECT，并配置最先進的Xeleris 2.0分子影像圖像處理工作站。

⑴ 模型研究 選擇Deluxe Jaszczak Phantom模型,按照文獻報道的方法制備”熱區”模型[2]。采用MG配低能高分辨準直器，對Jaszczak Phantom作SPECT斷層采集，128X128矩陣，放大倍數1.6，20秒/幀，共采64幀。對采集的原始投影分別進行FBP和OSEM方法重建。FBP法重建條件為：Butterworth預濾波，截止頻率0.6，放大倍數12。OSEM重建迭代次數2，子集數10，預濾波為Hanning，截止頻率0.9。然后對半徑10 mm的熱區計算T/B比值和噪聲指標，同時記錄FBP和OSEM兩種方法重建圖像的花費時間。

⑵ 對15例心臟、骨骼、腦SPECT圖像進行對比分析

①選擇臨床心肌血流灌注（99mTc-MIBI）、骨骼掃描（99mTc-MDP）和腦血流灌注（99mTc-ECD）檢查各15例患者原始SPECT數據，分別采用FBP和OSEM方法進行重建，計算病灶部位T/B和圖像噪聲指標。圖像采集采用臨床常規采集方法，心肌為180°采集，其他均為360°采集。兩種重建方法均采用廠家為不同檢查提供的不同默認參數。

② 選擇各10例心肌血流灌注（心梗患者）和骨骼SPECT斷層掃描患者（前列腺癌或乳線癌骨骼系統轉移患者），所有患者臨床資料齊全，臨床診斷明確。分別采用每個投影20s和10s采集，其它條件相同。獲得原始數據后分別按照FBP和最新一代OSEM重建方法（快速心臟、骨分辨率恢復迭代重建技術）重建圖像，并獲得病灶T/B和圖像噪聲指標。

2 結果

表1 所顯示是不同重建方法在模型研究的結果。可以看出OSEM病灶T/B提高30%，圖像的噪聲指標保持基本不變，而圖像重建所花費時間無明顯增加。

表1 不同重建方法模型研究結果Tab.1 The results of different reconstruction models

表2 不同重建方法臨床研究結果Tab.2 Results of clinical studies with different reconstruction methods

表2是不同臟器采用FBP和OSEM圖像重建方法獲得的T/B和圖像噪聲指標的結果比較。OSEM重建方法T/B分別提高1.5%(心臟)、3.3%(骨骼)和1.4%(腦)；OSEM重建與FBP法相比圖像噪聲指數差別不大。相比之下，OSEM重建技術對于骨骼病灶T/B提高更明顯。圖1 顯示同一患者在相同條件下采集的原始數據，采用OSEM方法明顯優于FBP，在腦血流灌注圖像中表現更為明顯。

表3 同一患者不同采集時間采用兩種圖像重建方法獲得結果Tab.3 The same paients using two different acquisition time to obtain the result of image reconstruction metheds

圖1 SPECT圖像采用不同重建方法獲得圖像比較Fig.1 Reconstruction of SPECT images obtained using different image comparison

表3 表明同一患者，當采集時間減少50%情況下，噪聲指標并無明顯增大，而圖像的T/B仍然有一定程度的提高。

3 討論

通過對同一模型和同一患者相同數據的對比分析，我們認為對于SPECT圖像原始數據，采用代數迭代圖像重建替代FBP圖像重建，具有以下的優勢：

① 在相同采集時間情況下，OSEM重建方法可以一定程度提高圖像的T/B。從模型研究數據到不同臨床臟器研究的結果（表1和表2）均表明采用OSEM圖像重建方法提高了病灶的T/B和圖像質量，該結果與其他學者研究的結果一致[3-4]。這對于提高和擴大SPECT設備在臨床應用具有重要的價值。SPECT圖像本質是提供不同放射性藥物在體內分布時病灶和正常組織的對比度。所以對于分子影像設備提高病灶的T/B與提高設備的系統分辨率具有相同的臨床價值。

② 在縮短一半采集時間情況下,采用快速心臟和骨的新一代分辨率恢復OSEM技術重建圖像，心臟和骨骼圖像噪聲無顯著改變，節省時間,或可以減少放射性藥物劑量。此對于兒童掃描具有重要價值.

從表3數據可以看出采用新一代分辨率恢復OSEM技術后，即使將圖像采集時間減半而圖像質量仍然保持基本不變，病灶的T/B幾乎無降低。這樣對于兒童和特殊患者具有重要的使用價值。

③ 采用新一代分辨率恢復OSEM技術后，提高了SPECT臨床工作效率.使得雙探頭具有更高的效率,單探頭具有接近雙探頭的臨床作用。 該數據結果提示我們，當注射的放射性藥物劑量不變時，GE Millennium MPR設備與MG具有相同的探測器（探頭），采用OSEM重建技術將可以使 MPR設備具有可變角度雙探頭的臨床作用；或者可以明顯提高MG設備50%的臨床效率。

綜上所述，可以看出對于GE Millennium MG設備采用代數迭代圖像重建技術中的OSEM圖像重建技術，不但能提高心臟、骨骼和腦SPECT圖像病灶的對比度和圖像質量，而且也能提高SPECT圖像采集速度或降低對患者的注射劑量。MPR設備采用該技術，也能夠到達傳統雙探頭的同等臨床效果。所以，代數迭代圖像重建技術可作為臨床常規的SPECT圖像重建方法，對于SPECT的臨床應用具有重要的價值，特別是具有普及化的意義。

[1] 田嘉禾. PET、PET/CT診斷學[M].北京:化學工業出版社，2007.

[2] Zanzonico Pat. Routine Quality Control of Clinical Nuclear Medicine Instrumentation: A Brief Review[J]. Journal of Nuclear Medicine, 49(7) 1114-1131.

[3] 宋惠寧. COSEM圖像重建方法的技術特點和臨床應用[J]. 醫療設備信息,2001,3:5～6.

[4] 王嘉興, 朱匯慶, 陸云, 等.SPECT骨斷層重建的濾波反投影法和有序最大期望值法的比較[J]. 中國醫學計算機成像雜志, 2009,15(1):76～78.