重建矩陣對一體化PET/MR圖像質量的影響*

吳 萍 吳天棋 白 玫*

電子發射型計算機斷層顯像(positron emission computed tomography，PET)是通過對放射性核素在體內的聚集成像，反映生命代謝活動情況的設備，是核醫學領域常用的影像檢查技術；磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)是利用磁共振現象從人體中獲得電磁信號，通過圖像重建獲得人體結構成像的設備，是放射影像領域常用的檢查技術之一[1]。一體化PET/MR設備[2-3]是同時進行PET和MR掃描，并將PET分子圖像與MR結構圖像結合在一起的全新醫學影像設備，其內置飛行時間(time of flight，TOF)圖像采集重建技術是基于镥素晶體和高性能的光電轉化器的新技術[4-5]。

在圖像后處理時，一般采用不同重建條件以獲取高質量掃描圖像，其中矩陣大小是一個重要的變量參數[6-7]。重建矩陣(reconstruction matrix)記作Mx(x為矩陣大小)，是反映重建圖像大小的參數，一般認為和圖像的空間分辨率等性能有關[8]。以灰度圖像為例，其像素數據就是一個矩陣，矩陣的行對應圖像的高(單位為像素)，矩陣的列對應圖像的寬(單位為像素)，矩陣的元素對應圖像的像素，矩陣元素的值就是像素的灰度值。本研究以圖像矩陣大小為變量，探討一體化PET/MR設備中PET圖像質量的變化。

1 材料與方法

1.1 一體化PET/MR設備

本研究所用掃描設備為美國通用電氣公司的一體化PET/MR設備，型號為SIGNA，圖像處理為設備配套AW4.6工作站。該設備以3.0T靜音磁共振設備作為平臺，采用LBS镥閃爍晶體與全數字化固態陣列式光電轉化器(SiPM)融合技術，PET探測器具有TOF技術；以零回波成像技術(zero echo time，ZTE)實現PET衰減矯正；時間分辨率＜400 ps，靈敏度＞21 cps/kBq，軸向視野25 cm，能夠實現PET與MR一體化同步掃描獲取數據(如圖1所示)。

圖1 SIGNA PET/MR示圖

1.2 體模系統

本研究依據美國電器制造商協會(National Electrical Manufacturers Association，NEMA)NU2-2007標準，使用國際電工委員會(International Electro technical Commission，IEC)61675-1標準規定的人體體部體模[9-11]。模型內嵌6個小球分為4個熱區和2個冷區，熱區表示該區域內具有高活度濃度的放射性藥物，用以模仿病灶區域，其直徑分別為10 mm、13 mm、17 mm和22 mm；冷區表示實驗時不注入藥物，其直徑分別為28 mm和37 mm。熱區與背景區域的放射性藥物濃度比例為4∶1；中間是直徑為35 mm的空氣柱，即氣體冷區[12-13](如圖2所示)。

圖2 IEC 61675-1標準PET圖像質量體模示圖

放射性藥物區域以總活度為1.53×108Bq(4.14 mCi)的18F-代脫氧葡萄糖(18F-Fluoro dexyglucose，18F-FDG)填充，充分搖勻并靜置260 min后開始掃描。依據藥物衰減計算，掃描開始時，熱區放射性藥物活度濃度為1.18×104Bq/ml(0.32 μCi/cc)。

1.3 掃描與圖像重建

將體模置于PET/MR掃描野中，掃描模式設置為全身掃描模式，使用MRAC的胸肺模板進行衰減校正，采集時間為11 min。

圖像重建采用聯合TOF和點擴展函數(point spread function，PSF)技術，迭代算法為核醫學設備中常用的有序子集最大期望值方法(ordered subsets expectation maximization，OSEM)，迭代次數為3次，子集28個，掃描時間4 min，以胸部模板進行基于磁共振的衰減矯正(magnetic resonance based attenuation correction，MRAC)。

為了探討不同矩陣大小對一體化PET/MR設備PET圖像質量的影響，將矩陣大小設置為變量，討論重建后PET圖像質量。其中，掃描像素矩陣分別設置為128×128、192×192和256×256的3個條件。

1.4 數據處理

根據NEMA NU 2-2007標準，在重建圖像中人工選取冷區、熱區球心共面的層及Z軸上距其±1 cm和±2 cm的層，分別讀取冷區、熱區平均計數、本底感興趣區(region of interest，ROI)平均計數、肺區插件ROI平均計數。其中本底ROI選取記作Rs，i，j，其中s為層號，包括0層、-1層、-2層、1層及2層，共計5層；i為一層中ROI序號，共計12個，j為本底ROI直徑；肺區ROI選取其中心30 mm直徑的圓形區域(如圖3所示)。

圖3 圖像質量分析的本底ROI定位示意圖

本底平均計數(CB,j)為所選5層切面中每層12個ROI的計數平均值，其CB,j的計算為公式1：

熱區對比度(QH,j)的計算為公式2：式中CH,j是熱區j計數平均值，αH為熱區放射性濃度，αB為本底放射性濃度，本實驗中αH/αB=4。

冷區對比度(QC,j)的計算為公式3：

式中CC,j為冷區計數平均值。

本底變化率(Nj)的計算為公式4、公式5：式中SDj是Rs,i,j的標準差。

熱區信噪比(signal noise ratio，SNR)的計算為公式6：

判斷衰減和散射矯正精度，其平均殘余誤差(△Clung,s)的計算為公式7：

式中Clung,s為肺區ROI計數平均值。

2 結果

2.1 冷區和熱區對比度

依據公式(2)分別計算熱區4種不同直徑尺寸和冷區2種不同尺寸在不同矩陣大小條件下的對比度值。TOF條件下冷區對比度均值高于同矩陣大小條件下非TOF條件的熱區對比度均值；以128×128矩陣的重建圖像為參照，使用TOF技術和非TOF技術，其對比度平均值均有增長趨勢，TOF條件下對比度均值隨矩陣增加的增長值分別為11.45%和10.1%，非TOF條件下對比度均值隨矩陣增加的增長值分別為7.14%和7.92%，見表1、如圖4所示。

圖4 冷區熱區對比度平均值趨勢圖

2.2 背景變化率

以128×128矩陣條件下的重建圖像為參照，使用TOF技術和非TOF技術，矩陣為192×192、256×256時其背景變化率均有降低趨勢，TOF條件下背景變化率平均值隨矩陣變大分別降低了0.04%和0.22%，非TOF條件下背景變化率平均值隨矩陣變大分別降低了0.27%和0.20%；N值隨ROI尺寸增加而降低，見表2。

2.3 信噪比

以128×128矩陣大小的重建圖像為參照，使用TOF技術和非TOF技術，矩陣為192×192、256×256時信噪比均值有增長趨勢，其平均值分別提高了3.71、3.69和2.71、3.06；在使用TOF條件下，SNR隨ROI尺寸增加而增加，見表3。

表1 矩陣大小對對比度影響變化(%)

表2 不同矩陣大小下不同直徑背景變化率(%)

表3 不同矩陣大小下熱區信噪比統計

表4 不同矩陣大小對衰減和散射矯正精度ΔClung,s影響(%)

2.4 衰減和散射矯正精度

本研究分別討論在使用TOF技術和不使用TOF技術條件下，不同矩陣大小對衰減和散射矯正精度ΔClung,s的影響。使用TOF技術時，ΔClung,s均值增加值分別為0.28%、0.28%；使用非TOF技術時，ΔClung,s均值增加值分別為1.04%、0.33%，見表4。

3 討論

本研究發現，隨著重建矩陣的增加，對比度平均值較128×128矩陣結果均有增長趨勢，但后兩者矩陣間Q值無明顯差異，在ROI尺寸較小時，出現Q值下降現象，表明增大矩陣對于小尺寸ROI無明顯優化作用；背景變化率均值在矩陣增大時均有不同程度下降，但由于ROI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；矩陣的增大具有提高熱區SNR的趨勢，但在后兩種矩陣中并不明顯；使用TOF技術時，重建矩陣128×128的圖像都具有較小的衰減和散射矯正精度ΔClung,s，隨矩陣增大，ΔClung,s無明顯變化。

4 結論

本研究采用國際通用的IEC 61675-1標準PET圖像質量體模，遵循NEMA NU2-2007標準的檢測和數據處理方法，在一體化PET/MR設備上利用不同矩陣大小重建PET圖像，通過比較PET圖像對比度、背景變化率、信噪比，發現大矩陣圖像較小矩陣圖像質量均有提高，而兩種較大矩陣之間的圖像質量差異并不明顯；矩陣增加對衰減和散射校正精度的提升無明顯作用。臨床使用中可根據實際需求及其他參數特征確定選取不同矩陣的圖像優化方案，從而進一步輔助臨床診斷。

本研究將在后續試驗中進一步研究其他可能影響一體化PET/MR設備圖像質量的參數，及其他醫學工程相關問題。