PET/MR衰減校正技術的研究進展

高艷，趙晉華

上海交通大學附屬第一人民醫院核醫學科，上海 201620

PET/MR衰減校正技術的研究進展

高艷，趙晉華

上海交通大學附屬第一人民醫院核醫學科，上海 201620

PET/MR采用MR圖像信息對γ射線衰減進行校正。本文介紹了PET衰減校正的基本原理，及PET/MR的4種衰減校正方法，包括組織分類法、圖譜配準法、透射掃描法和發射數據重建法，并簡單敘述了以上4種衰減校正方法在腦部或全身的應用。

PET/MR；衰減校正；正電子核素；衰減系數

目前，以PET/CT為代表的臨床多模式顯像技術已獲得突飛猛進的發展，其在功能與解剖結構結合顯像方面的重要作用日益突顯[1]。PET/CT的優勢之一在于能夠直接利用CT圖像信息對PET發射數據圖像中的γ射線衰減進行校正。這主要得益于CT的2個特性：① CT掃描速度快，避免了單純PET設備中長時間（大約占到全部采集時間的50 ％）的放射性棒源透射顯像；② CT值代表了全視野中組織對X線的衰減性質，通過特定轉換方法對CT圖像中CT值調整后能夠獲得PET的衰減圖像[2]。盡管這種方法僅僅是一種近似法，但是有報道顯示，與放射性棒源透射顯像相比，基于CT的衰減校正（CT Attenuation Correction，CT-AC）所得的衰減圖像在PET重建圖像中擁有同樣的定量精度和更好的對比度[3]。

在過去的數年里，臨床PET/MR裝置成為現實，但其在定量精度上仍存有亟待解決的難題，尤其是關于PET衰減校正方面。目前，臨床PET/MR系統中應用于PET圖像的大部分衰減校正方法（MR Attenuation Correction，MRAC）是以圖像分割技術與特定MR序列的結合為基礎探索所得。本文將對PET/MR設備中4種MRAC方法簡單敘述。

1 衰減校正的原理

PET顯像的正電子核素在組織中發生正電子衰變，產生的正電子與周圍的負電子湮滅生成一對運動方向相反、各帶有511 keV能量的γ光子。γ光子在穿過物體到達探測器的過程中會以一定概率與物體中的電子發生光電效應和康普頓散射，因此無法被全部探測到，此即射線衰減的根源。為了準確定量分析放射性藥物在體內分布的情況，針對衰減信息進行校正成為PET成像的一個必要環節，這主要是通過特殊方法了解組織對射線的衰減性質（衰減系數），即組織密度對射線的影響，然后運用至圖像處理中，最終獲得組織實際放射性分布的圖像。

2 校正方法

衰減校正可以通過直接測量法和間接計算法進行：直接測量法，即通過體外放射源的透射掃描直接重建出物體的衰減圖進行校正；間接計算法，不需要進行放射源透射掃描，而是利用已知的圖像信息估計出衰減圖進行校正。單純PET設備利用棒源（68Ge）及PET/CT中采用CT替代棒源進行衰減校正，均屬于直接測量法。

與CT顯像相比，MR主要利用磁自旋成像，而非組織密度分布成像，不能直接提供關于組織衰減性質的信息，因此在PET/MR系統中，需通過間接計算法進行衰減校正。目前主要研究的方法有：① 組織分類法，即采用不同的MR序列獲得組織中氣體、脂肪、水和骨組織的信息；② 圖譜配準法，即利用預先獲得的圖像模板與實際采集的患者圖像進行配準，進而得到相應的組織成分差異，然后進行衰減圖像的估計；③ 透射掃描法和發射數據重建法，即采用透射掃描獲得衰減系數（Attenuation Coefficient，ACe），或通過特殊算法直接處理PET圖像進行衰減校正[4]。

2.1 組織分類法

為了改善早期PET衰減校正，1981年Huang等提出了組織分類法，即將所得的透射圖像利用區域界定公式劃分出不同組織成分，并計算出各自衰減校正因子用于PET圖像的衰減校正[5]。

此后，逐步有研究開始嘗試對MR圖像分類，然后進行PET數據的校正，這也為PET/MR系統圖像的衰減校正提供了依據。該方法中一般采用對解剖結構顯像較好、利于觀察的T1WI MR圖像，在依據衰減特性的不同劃分出各類組織后，分別賦予511 keV下相應的衰減系數，然后進行圖像校正。

在腦部MRAC處理中，Zaidi等將腦部組織分為空氣、顱骨、腦組織、鼻竇，并通過形態學處理方法改善圖像質量，進一步得出衰減系數[6]。Rota采用了一種可以自動識別組織界限的工具，然后利用特定的后期處理得出4種類別的組織——腦組織、顱外軟組織、骨、鼻竇，并與單純PET系統中的放射性棒源衰減校正進行了對比。其后，他們又結合了區域之間位置關系和形狀差異等解剖知識，通過一種自動、多級的方式進行組織分類，將腦部劃分為白質和灰質、腦脊液、脂肪組織以及背景。在后期處理中，進一步將腦外區域進行組織分類，最終分為腦組織、顱外軟組織、顱骨、鼻竇和副鼻竇、顳骨乳突,其中乳突由骨薄片和充氣實體組成，因此被單獨劃出以賦予相應的ACe[7-10]。Malone等更細致地劃分出6種組織——空氣、脂肪、軟組織、腦脊液、鼻竇和骨[11]。

直接的組織分類方法也可用于全身PET/MR中，但其主要問題在于全身骨及肺的劃分。由于骨在MR中顯像不清，因此，通常情況下骨組織都是以軟組織形式進行處理。同樣，肺MR信號也較低，不利于肺組織的識別。Matinez等采用了2點Dixon序列將T1WI MR圖像分割為肺、脂肪、軟組織和背景，開采用了連通區域分析法劃分出肺[12]。Steinberg提出了一種3D自旋回波序列，輔以采用固定的信號或區域尺寸的閾值，將組織分為空氣、軟組織和肺3種，但僅僅在動物中進行了評估，這種方法用于人體尚待更多研究[13]。與之類似的是Schulz等人的方案，但他們在肺的分辨中采用的是區域增長方法，結果顯示與CT-AC相比，15名患者病灶的PET圖像中平均放射性濃度差值＜7％[14]。Hu等人通過直方圖分析法和軟組織信號強度閾值來估計患者組織的大小和位置。在肺的分割中，其利用基于綜合強度屬性的區域生長和基于可變形模型的分割方法確定肺的部位及邊界，減少被誤分入胃或腸的影響，這其中運用了肺在人體中典型位置和大小的解剖知識和形態特征（如密實度）。此外，區域增長的后處理包括距離限制和形態學運算法，也進一步提高了肺組織的分割效率[15-16]。AKbarzadeh借助ITK軟件庫分割出4種組織——軟組織、肺、骨松質、骨密質[17]。

盡管結合解剖知識后，提高了分割法的準確性和全面性，但仍無法滿足圖像定量精度的要求，在骨組織方面，這也是腦部PET/MR顯像的關鍵步驟。雖然在T1WI上，骨與空氣的信號均為低信號，但在透射掃描圖像中二者的密度值及ACe有很大差距，單純地將骨以軟組織或空氣的方式進行處理，無疑會導致嚴重的定量錯誤。因此，有必要尋找一種提高骨顯像清晰度以利于組織準確分割的方法。與CT相比，MR除了具有軟組織對比度明顯、無輻射等優點外，還具有可利用特殊MR序列進行顯像的優勢。在臨床PET/MR的衰減校正法中，逐漸引入了一種新的技術——超短回波時間（Ultrashort Echo Time，UTE）序列[18]。UTE序列可用于MR中對骨組織的顯像，它是利用骨具有非常短的橫向弛豫時間（T2）。UTE包括對2種回波時間的圖像采集，一種用于顯示骨組織，另一種用于顯示在2種采集圖像上信號相同的其他類型組織。UTE序列已用于腦顯像的評估，研究表明相比于CT-AC，最大的差異可達到20％～40％，而全腦平均放射性濃度差異大約為5％[18-20]。但是，目前利用UTE進行衰減校正這一方法，無論是在全部采集時間的問題上還是個體化參數選擇上，都缺少相應的可靠標準。此外，關于UTE用于全身MR顯像的報道僅有少數，而且需要較長的采集時間，從而限制了其在臨床中的推廣應用。

此外，目前還提出在MR中利用零回波時間（Zero Echo Time，ZTE）技術，進一步顯示骨組織中小梁結構，有利于觀察骨組織在生理上或病理上的變化，其原理是ZTE具有采集并編碼極短T2的MR信號的能力。這種方法擁有良好的空間分辨率和穩定性[21]。

在第一代臨床PET/MR系統衰減校正中，是以2點Dixon梯度回波序列為基礎，利用脂肪與水化學移位的對比效應，僅需數秒的采集，能夠分別單獨顯示水和脂肪圖像，因此非常適于全身MR圖像的分割。利用此方法，可將組織分為5類——空氣、肺、脂肪組織、非脂肪組織、脂肪與非脂肪混合組織[22]。在2點Dixon梯度回波序列基礎上，選擇3點Dixon方法能更加精確地將水和脂肪分開，提高MRAC的精確度。最近，Berker將MR中分辨骨的UTE序列和分辨水、脂肪的3點Dixon序列結合，形成了1種新的三回波序列（UTE Triple-Echo，UTILE），通過后期處理分割出4種組織（骨、空氣、軟組織和脂肪）[23]。

組織分類法可用于腦和全身PET/MR的衰減校正，通過附加的解剖信息如位置和形狀等，以及借助特殊MR序列，有助于區分信號相近而ACe有明顯差異的組織，而且，更適于解剖變異的病例，在分割精度和運行時間上優于非線性轉換（如地圖集法、模板法）[24]。但需要強調的是，完成組織分割后，各種類別的組織便被賦予固定的511 keV下的ACe，這事實上也忽略了組織的個體差異性。

2.2 圖譜配準法

根據圖像模板來源不同，圖譜配準法分為模板法和地圖集法。模板法是通過收集多個患者的組織圖像，然后進行處理，并將代表平均情況的圖像作為模板；地圖集主要是建立一個數據庫，包括了患者的CT圖像和MR圖像，并在PET/MR衰減校正中作為模板使用。

模板法最初用于無法在PET中顯像的組織的定位。在PET和MR的模板法中包含衰減圖像模板和一個用于配準的MR模板，衰減圖像模板取自眾多透射圖像的平均情況。將MR模板通過非線性方式與患者MR圖像配準，然后將同樣的非線性轉換運用于衰減圖像模板以最終獲得患者實際的PET圖像。Rota通過對10名性別不限的健康志愿者進行68Ge的透射掃描（HR PET），整理后獲得平均衰減圖像模板，利用配準的T1WI MR模板與患者實際MR圖像進行非線性轉換，其中所用轉換矩陣應用于衰減圖像模板來形成患者獨特的衰減圖像[25]。在另外一種版本中，研究者通過至少4名男性或至少4名女性的圖像數據集分別獲得2種衰減圖像模板[26]。最新的研究結合8名性別不限的志愿者的圖像信息，獲得了混合性別的平均衰減圖像模板[24]。

PET/MR圖像衰減校正方法仍需改進，尤其在全身顯像中。目前已經提出結合機器學習技術的地圖集法，這些途徑最根本的目的是建立一個患者CT與MR圖像配對的數據庫[1]。對于某個特定患者，將這些配對圖像模板與其獲得的MR圖像進行配準，然后將同樣的轉換矩陣運用于CT衰減圖像模板，最終獲得個體化的“偽CT圖像”。這種方法另一個優勢在于獲得的衰減圖像能夠反映連續的ACe，避免了使用單一數值時無法表明組織的異質性。有研究利用地圖集數據庫和模式識別來獲得患者專有的偽CT圖像[27]，在腦顯像中對這種方法評估顯示，不同的腦區域所得的平均放射性活度與CT-AC的差異＜ 4％。

關于地圖集法在腦和全身顯像中的應用，仍需考慮如何準確處理各種病變組織、不同患者肺密度的差異和金屬植入物這些問題。最近一個經過修改的新版本添加了人工制品探測技術，應用至全身顯像后，結果顯示平均放射性活度低估程度＜ 6％[28]。修改后的版本還考慮到不同的MR序列可以用于MR-CT配對數據庫，以提高感興區域組織結構的辨認精度，改善地圖集配準過程和預測的偽CT圖像[29]。

圖譜配準法具有良好的魯棒性（即控制系統在各種不定狀況中對其它性能維持的特性）且可獲得具有連續ACe的衰減圖像。但模板法在變異的解剖結構、病變組織以及運動中的器官等方面仍有待改進，其僅僅適用于頭部PET/MR；地圖集法可應用于腦部和全身，在結合組織局部信息后可改善結果（包括腫瘤方面問題），并且地圖集法還能克服截斷偽影問題[24]。但有報道提示，與相應的模板法相比，地圖集法得出的結果稍差，原因之一可能在于模板法中的模板代表的是整體的平均情況，而地圖集法則利用的是一個復雜的圖像數據庫[11]。

2.3 透射掃描法

最近提出的一類可行途徑是利用非MR圖像信息來進行PET/MR中PET數據衰減校正[1]。以透射掃描為基礎[30]，即在PET/MR裝置中置入放射性核素源，在圖像采集時獲得發射圖像和透射圖像，為了同時完成采集，PET設備需要具有飛行時間（Time of Flight，TOF）技術能力。Pieter Mollet等利用了環狀放射源覆蓋于探測器的全視野，利用TOF技術獲得5位患者發射和透射掃描數據，結果表明與基于MR的衰減校正相比，透射方法在肺、軟組織和骨組織的感興區域中的PET定量分別平均提高了6.4％、2.4％和18.7％[31]。但插入型PET/MR的空間限制仍是一個挑戰，因此，某種程度上而言，它更適于串聯型PET/MR系統。

2.4 發射數據重建法

直接利用所獲得的PET發射數據重建組織的衰減圖像。這是因為在PET發射數據中，同時包含有組織衰減信息。而且，MR提供的清晰的組織結構和TOF技術更精確的定位均有利于準確獲取衰減圖。該方法還能夠利用完整的發射數據，對掃描中出現的截斷偽影進行有效校正[4]。Nuyts等利用組織衰減系數的先驗知識，采用了最大似然方法進行交替迭代重建，但由于僅用到發射數據，重建時放射性分布的特征可影響ACe的估計，導致重建結果偏差[32]。Salomon等在TOF PET/MR中利用MR定義連通區域，并采用梯度法估計區域的ACe，不但可以減少衰減分布未知數的個數，而且不需要組織ACe的先驗信息，不受結構個體差異的影響。但與CT-AC相比，由于在MR中肺部及周圍骨骼劃分為同一連通區域，導致其在肺部和骨骼的相對偏差較大[33]。

3 系統衰減校正

PET/MR系統硬件也可導致探測器對光子的探測失誤，從而影響圖像放射性分布情況的定量。這主要體現在兩方面[34]：① 位置和形態固定的硬件，如檢查床、頭頸聯合線圈等；② 體線圈和體表線圈。為了校正這些影響，可先經CT掃描獲得相關硬件衰減系數圖，然后在PET/MR掃描時由系統決定是否用于PET圖像校正，或者選擇使用低衰減材料制成的體表線圈[35]。

4 總結

PET/MR組合裝置的發展及運用已成為當今多模式分子顯像的研究前沿。針對其在衰減校正方面的難題，充分結合MR軟組織顯像良好和檢查序列多的優勢，已提出了多種可行途徑。其中，組織分類法應用最為廣泛。現有的兩種商業化PET/MR：Siemens公司的全身型一體機——Biograph mMR系統和Philips公司的串聯型Ingenuity TF PET/MR系統，均是利用了組織分類法進行衰減校正，其中前者運用2點Dixon序列采集MR圖像，并結合固定閾值和連通區域分析將MR圖像分為空氣、肺、脂肪和軟組織進行衰減校正[11]，后者則借助直方圖分析法和區域增長方法區分出空氣、肺和軟組織[14]。

目前臨床衰減校正中逐漸開始包括對骨組織的處理，這對神經系統的PET顯像也是最基本的要求。但目前，仍需大規模人群研究，制定MR序列參數使用的標準，以進一步評估其在腦定量成像的作用。地圖集法為腦和全身PET/MR應用衰減校正提供了可能，但是這些方法的實際應用仍需深入評估，以探究其在不同患者獨特的病變類型中顯像的穩定性。最后，直接依據發射圖像推算衰減圖像將是未來TOF PET/MR中最有前景的解決方法。

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Advances in Development of PET/MR Attenuation Correction Technology

GAO Yan, ZHAO Jin-hua
Department of Nuclear Medicine, The First People’s HospitalAffiliated to Shanghai Jiaotong University, Shanghai 201620, China

The γ-ray AC（Attenuation Correction）was adopted for MR（Magnetic Resonance）images in PET/MR（Positron Emission Tomography/Magnetic Resonance）.In this paper, basic principles of PET AC were expounded.Moreover, four PET/MR AC approaches and their application in brain or the whole body were also introduced, including tissue classification, map registration, transmission scanning and emission data reconstruction.

positron emission tomography/magnetic resonance；attenuation correction；positron radionuclides；attenuation coefficient

R445.2；R814.42

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.07.024

1674-1633（2015）07-0075-04

2014-09-24

2014-11-09

趙晉華，主任醫師，教授，博士生導師。

通訊作者郵箱：zhaojinhua1963@126.com