一體化PET-MR設備中飛行時間技術和點擴展函數技術對PET圖像質量的影響*

董 碩 李 東 吳天棋 莊靜文 謝 峰 白 玫*

一體化PET-MR設備是將正電子發射計算機斷層顯像(positron-emission tomography，PET)的分子成像功能與磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)卓越的軟組織對比功能結合起來的一種新技術，可以同步進行PET和MR掃描，是一種集結構成像、功能成像和分子成像功能于一體的醫學影像設備[1-2]。因此，在基礎研究和臨床診斷方面都吸引了越來越多的關注。作為目前最先進的醫學影像技術之一，一體化PET-MR的圖像質量也成為醫學影像領域關注的熱點。近年來，人們提出了多種能提高PET圖像質量的重建算法，其中，飛行時間(time of flight，TOF)技術和點擴展函數(point spread function，PSF)表現優異[3-4]。

TOF算法最早提出于20世紀80年代，但是直到近年來該算法才逐漸應用于臨床[5-7]。通過TOF算法可以直接確定正電子符合事件發生的位置，在采用TOF技術的PET中，每一個被檢測到的光子都會標記其探測時間(或稱到達時間)，如果2個光子的探測時間之差小于設定的符合窗，那么這2個光子就會被認為是與同一個湮滅事件相關[10]。該探測時間之間的差值，稱為飛行時間差，取決于湮滅事件在響應線(line of response，LOR)上的位置[10]。利用TOF技術重建的PET圖像與其他方法重建的圖像相比，噪聲更低，對比度更高[10-11]。

基于PSF的PET圖像重建迭代算法能夠顯著提高圖像的分辨率[12-13]。通常在PET設備制造過程中，利用點源來測量視野(field of view，FOV)中的PSF，用以補償幾何失真。基于測試所得的PSF，重建算法能夠有效的定位響應線的實際幾何位置，從而提高PET圖像的空間分辨率和信噪比(signal noise ratio，SNR)[3，14]。

在一體化PET-MR設備中，其PET成像的環境比PET和PET-CT更復雜，因此TOF和PSF重建技術在一體化PET-MR中的表現需要進行系統評估。基于此，本研究依據美國電氣制造商協會(National Electrical Manufacturers Association，NEMA)NU 2-2007標準[15]，使用國際電工委員會(International Electro technical Commission，IEC)61675-1標準規定的PET圖像質量體模，對一體化PET-MR設備中TOF和PSF技術對PET圖像質量的影響進行研究。

1 材料與方法

1.1 一體化PET-MR系統

本研究所有的測試均在GE SIGNA PET-MR(美國通用電氣)及配套AW4.6工作站上完成。SIGNA PET-MR系統融合了3.0T磁共振技術和磁共振兼容的數字硅光電倍增管(SiPM)探測器技術，能夠同步獲取PET和MR數據[16]。其時間分辨率＜400 ps、軸向視野25 cm、靈敏度21 cps/kBq[16]。

1.2 實驗方法

1.2.1 體模準備

實驗研究使用IEC 61675-1標準PET圖像質量體模，體模內嵌直徑分別為10 mm、13 mm、17 mm、22 mm、28 mm和37 mm的6個小球，其中直徑為10 mm、13 mm、17 mm和22 mm的小球為熱區，即實驗時需注入高活度濃度(activity concentration)的放射性藥物以模仿病灶；直徑為28 mm和37 mm的小球為冷區，實驗時不注入放射性藥物[17]。實驗使用水和總活度為1.53×108Bq(4.14 mCi)的18F-氟代脫氧葡萄糖(18F-Fluoro dexyglucose，18F-FDG)充填體模，熱區與背景區域的活度濃度比為4∶1。充填完成后充分搖勻，靜置260 min。掃描開始時，4個熱區的活度濃度為1.18×104Bq/ml(0.32 μCi/cc)。實驗所用圖像質量體模如圖1所示。

圖1 IEC 61675-1標準PET圖像質量體模示圖

1.2.2 掃描與圖像重建方法

(1)掃描條件。將體模定位于PET-MR掃描野中心，采用全身掃描模式，采集時間為11 min。

(2)圖像重建條件。迭代算法采用有序子集最大期望值法(ordered subsets expectation maximization，OSEM)，迭代次數3次，子集28個，重建矩陣192×192像素，像素大小0.26 cm×0.26 cm，采用基于磁共振的衰減校正(magnetic resonance based attenuation correction，MRAC)，并選擇胸部模板進行MRAC。

(3)圖像重建算法。為了研究TOF和PSF技術對PET圖像質量的影響，分別采用TOF+PSF(聯合使用)、non-TOF+PSF(單獨使用PSF技術)、TOF+non-PSF(單獨使用TOF技術)和non-TOF+non-PSF(兩種技術均不使用)的4種方法重建PET圖像。

1.2.3 數據分析與處理方法

(1)根據NEMA NU 2-2007標準，在重建圖像中選取冷區及熱區小球球心共面的層以及Z軸上距該層±1 cm和±2 cm的層，分別讀取冷區、熱區和背景區域感興趣區(region of interest，ROI)的平均計數[15]。冷區和熱區ROI應該選取在小球范圍內，ROI的直徑應盡可能接近小球的物理內徑[15]。每個背景區域ROI的計數記作Rs，i，j，其中s為層號(-2～+2)；i為每層中選取的ROI的編號，每層12個；j為背景區域ROI直徑的編號(1～6)，分別代表與6個小球直徑(10 mm、13 mm、17 mm、22 mm、28 mm和37 mm)相對應的背景區域ROI，參照NEMA NU 2-2007標準選取背景區域ROI(如圖2所示)[15]。

圖2 選取的背景區域ROI示圖

對于每個直徑編號j，在5層圖像上共有60個背景區域ROI。背景區域ROI的平均計數的計算為公式1[17]：

(2)熱區和冷區的對比度。熱區對比度QH,j計算為公式2[15]：

式中CH,j為熱區j的平均計數；CB,j為與熱區j等直徑的60個背景區域ROI的平均計數；aH為熱區的活度濃度；aB為背景區域的活度濃度。本實驗中aH/aB=4。

冷區對比度QC，j計算為公式3[15]：

式中CC,j為冷區j的平均計數；CB,j為與冷區j等直徑的60個背景區域ROI的平均計數。

(3)背景變化率。背景變化率Nj計算為公式4[15]：

式中SDj為背景區域ROI計數的標準差，計算根據公式5[15]：

式中CB,j,k為每一個直徑編號為j的背景區域ROI的計數；K為直徑編號為j的背景區域ROI的總數量，K=60。

(4)熱區SNR。熱區SNR計算為公式6[18]：

2 結果

2.1 冷區和熱區的對比度

以non-TOF+non-PSF算法重建圖像為參照，在其他重建條件均相同的情況下，單獨使用PSF技術、單獨使用TOF技術和聯合使用TOF+PSF技術重建圖像的平均熱區對比度分別提高了7.61%、20.94%和40.17%；單獨使用TOF技術的圖像平均冷區對比度提高了11.29%，聯合使用TOF+PSF技術的圖像平均冷區對比度提高了12.32%(如圖3所示)。

圖3 不同算法重建圖像的冷區及熱區平均對比度與背景變化率示圖

在不同算法重建的圖像上，不同直徑ROI對應的冷熱區對比度及平均熱區對比度和平均冷區對比度見表1。

2.2 背景變化率

以non-TOF+non-PSF算法重建圖像為參照，在其他重建條件均相同的情況下，單獨使用PSF技術、單獨使用TOF技術和聯合使用TOF+PSF技術重建圖像的平均背景變化率(Nmean)分別降低了2.28%、21.44%和30.03%，如圖3的綠色趨勢線所示。

在不同算法重建的圖像上，不同直徑ROI的背景變化率及其平均值見表2。

2.3 熱區信噪比

以non-TOF+non-PSF算法重建圖像為參照，在其他重建條件均相同的情況下，單獨使用PSF技術、單獨使用TOF技術和聯合使用TOF+PSF技術重建圖像的平均熱區信噪比分別提高了11.52%、44.28%和92.70%，如圖4所示。

在不同算法重建的圖像上，不同直徑熱區的信噪比及其平均值見表3。

表1 不同算法重建圖像上不同直徑熱區和冷區的對比度(%)

表2 不同算法重建圖像上不同直徑ROI的背景變化率(%)

表3 不同算法重建圖像上不同直徑熱區的信噪比

圖4 不同算法重建圖像的熱區平均SNR示圖

3 討論

3.1 PSF技術對PET圖像質量的影響

表1和圖3顯示，PSF技術能夠提高熱區對比度，但是，在單獨使用PSF技術時，冷區對比度會略有下降，造成這一現象的原因仍然需要進一步研究來加以明確。表2和圖3顯示，由于ROI的大小會影響其計數的標準差，因此大尺寸ROI的背景變化率通常低于小尺寸ROI。單獨使用PSF技術能夠降低背景變化率，并且這一優化作用在小尺寸ROI區域會更明顯，這可能是由于PSF技術能夠顯著提高PET空間分辨率所致[13，20-21]。表3和圖4顯示，PSF技術同樣能夠提高熱區SNR。總體而言，PSF技術能夠提高熱區對比度和SNR，同時降低背景變化率。

3.2 TOF技術對PET圖像質量的影響

表1和圖3顯示，TOF技術能夠顯著提高冷區和熱區的對比度，并且其對于小尺寸熱區的對比度提高作用更為明顯。而表2和圖3顯示，單獨使用TOF技術能夠降低背景變化率；對于小尺寸ROI，單獨使用TOF技術或者PSF技術，對其背景變化率的優化作用大體相當；對于大尺寸ROI，單獨使用TOF技術對其背景變化率的降低，要優于單獨使用PSF技術。表3和圖4顯示，TOF技術對熱區SNR的提升作用優于PSF技術。總體而言，TOF技術能夠提高冷區和熱區對比度，提高SNR，同時降低背景變化率。

3.3 聯合使用TOF和PSF技術對PET圖像質量的影響

聯合使用TOF和PSF技術，對本實驗考察的圖像質量參數均有優化作用。特別是對于熱區SNR，兩種技術聯合使用的提升效果要遠優于單獨使用。

4 結論

本實驗研究采用國際通用的IEC 61675-1標準PET圖像質量體模，遵循NEMA NU 2-2007標準的檢測和數據處理方法，在一體化PET-MR設備上利用不同算法重建PET圖像，通過比較圖像對比度、背景變化率和SNR，發現TOF技術和PSF技術對圖像質量均有提高；如果同時使用TOF技術和PSF技術，則能夠更顯著的提升圖像質量，特別是對于小病灶，聯合使用TOF技術和PSF技術將有助于臨床診斷。

本研究將在后續實驗中進一步研究其他可能影響一體化PET-MR設備圖像質量的相關因素。

[1]Queiroz MA，Delso G，Wollenweber S，et al.Dose Optimization in TOF-PET/MR Compared to TOF-PET/CT[J].PLoS One，2015，10(7)：e0128842.

[2]Boellaard R，Rausch I，Beyer T，et al.Quality control for quantitative multicenter wholebody PET/MR studies：A NEMA image quality phantom study with three current PET/MR systems[J].Med Phys，2015，42(10)：5961-5969.

[3]Akamatsu G，Ishikawa K，Mitsumoto K，et al.Improvement in PET/CT Image Quality with a Combination of Point-Spread Function and Time-of-Flight in Relation to Reconstruction Parameters[J].J Nucl Med，2012，53(11)：1-7.

[4]Kadrmas DJ，Casey ME，Conti M，et al.Impact of time-of-flight on PET tumor detection[J].J Nucl Med，2009，50(8)：1315-1323.

[5]Tomitani T.Image reconstruction and noise evaluation in phantom time-of-flight assisted positron emission tomography[J].IEEE Trans Nucl Sci，1981，28(6)：4582-4588.

[6]Wong WH，Mullani NA，Philippe EA，et al.Image improvement and design optimization of the time-of-flight PET[J].J Nucl Med，1983，24(1)：52-60.

[7]Conti M.State of the art and challenges of time-of-flight PET[J].Phys Med，2009，25(1)：1-11.

[8]Lois C，Jakoby BW，Long MJ，et al.An assessment of the impact of incorporating time-of-flight information into clinical PET/CT imaging[J].J Nucl Med，2010，51(2)：237-245.

[9]Karp JS，Surti S，Daube-Witherspoon ME，et al.Benefit of time-of-flight in PET：experimental and clinical results[J].J Nucl Med，2008，49(3)：462-470.

[10]Conti M.Why is TOF PET reconstruction a more robust method in the presence of inconsistent data?[J].Phys Med Biol，2011，56(1)：155-168.

[11]Conti M，Eriksson L，Westerwoudt V.Estimating Image Quality for Future Generations of TOF PET Scanners[J].IEEE Trans Nucl Sci，2013，60(1)：87-94.

[12]Alessio AM，Stearns CW，Tong S，et al.Application and Evaluation of a Measured Spatially Variant System Model for PET Image Reconstruction[J].IEEE Trans Med Imaging，2010，29(3)：938-949.

[13]Tong S，Alessio AM，Kinahan PE.Noise and signal properties in PSF-based fully 3D PET image reconstruction：an experimental evaluation[J].Phys Med Biol，2010，55(5)：1453-1473.

[14]Panin VY，Kehren F，Michel C，et al.Fully 3-D PET reconstruction with system matrix derived from point source measurements[J].IEEE Trans Med Imaging，2006，25(7)：907-921.

[15]National Electrical Manufactures Association(NEMA).Standards Publication NU 2-2007.Performance Measurements of Positron Emission Tomographs[S].Rosslyn，VA：NEMA，2007.

[16]SIGNA PET/MR-Magnetic Resonance Imaging-Products[OL].http：//www.gehealthcare.com/en/products/categories/magnetic_resonance_imaging/signa_pet-mr.

[17]吳天棋，莊靜文，謝峰，等.飛行時間技術和高清技術對PET/CT圖像質量的影響[J].中國醫學裝備，2016，13(1)：2-5.

[18]Oehmigen M，Ziegler S，Jakoby BW，et al.Radiotracer Dose Reduction in Integrated PETMR：Implications from National Electrical Manufacturers Association Phantom Studies[J].J Nucl Med，2014，55(8)：1361-1367.

[19]Suljic A，Tomse P，Jensterle L，et al.The impact of reconstruction algorithms and time of flight information on PET/CT image quality[J].Radiolo Oncol，2015，49(3)：227-233.

[20]Alessio AM，Stearns CW，Tong S，et al.Application and evaluation of a measured spatially variant system model for PET image reconstruction[J].IEEE Trans Med Imaging，2010，29(3)：938-949.

[21]Rogasch JM，Hofheinz F，Lougovski A，et al.The influence of different signal-to-background ratios on spatial resolution and F18-FDGPET quantification using point spread function and time-of-flight reconstruction[J].EJNMMI Phys，2014，1(1)：12.