代数迭代图像重建技术在SPECT图像重建中应用的研究

【作 者】曹少平，顾宏清，印春光

上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心，上海市，200127

SPECT是临床上常规使用的功能分子影像成像仪。传统上，由于SPECT设备配置的图像处理工作站受硬件限制，将FBP(filtered back projection, FBP)作为常规的临床图像重建方法。但是，FBP图像重建方法产生的星状伪影降低了SPECT图像质量和增大了噪声，特别是在低的放射性计数情况下图像质量降低的更为明显。而降低患者辐射剂量，提高临床效率，是核医学分子影像设备发展的方向。为此，很多学者开始探讨代数迭代图像重建(algebraic iterative reconstruction)技术在SPECT图像重建中应用。目前，在代数迭代图像重建技术中,以OSEM(ordered subsets expectation maximization, OSEM)最为常用。OSEM图像重建技术已经为PET作为常规的图像重建技术使用，并显著地提高了PET的图像质量[1]。随着分子影像工作站性能和图像重建技术的不断提高，新一代OSEM技术在迭代过程中同时进行图像空间分辨率的恢复，从而进一步提高SPECT的图像质量。

本研究目的是通过对同一SPECT原始数据，采用OSEM和FBP两种重建方法，通过计算病灶的T/B（靶组织/本底组织）和噪声指标，来判断和比较两种图像重建方法的优劣。探讨将OSEM迭代图像重建技术作为临床常规SPECT成图像之方法.

1 资料和方法

使用GE公司Millennium MG可变角度双探头的SPECT，并配置最先进的Xeleris 2.0分子影像图像处理工作站。

⑴ 模型研究 选择Deluxe Jaszczak Phantom模型,按照文献报道的方法制备”热区”模型[2]。采用MG配低能高分辨准直器，对Jaszczak Phantom作SPECT断层采集，128X128矩阵，放大倍数1.6，20秒/帧，共采64帧。对采集的原始投影分别进行FBP和OSEM方法重建。FBP法重建条件为：Butterworth预滤波，截止频率0.6，放大倍数12。OSEM重建迭代次数2，子集数10，预滤波为Hanning，截止频率0.9。然后对半径10 mm的热区计算T/B比值和噪声指标，同时记录FBP和OSEM两种方法重建图像的花费时间。

⑵ 对15例心脏、骨骼、脑SPECT图像进行对比分析

①选择临床心肌血流灌注（99mTc-MIBI）、骨骼扫描（99mTc-MDP）和脑血流灌注（99mTc-ECD）检查各15例患者原始SPECT数据，分别采用FBP和OSEM方法进行重建，计算病灶部位T/B和图像噪声指标。图像采集采用临床常规采集方法，心肌为180°采集，其他均为360°采集。两种重建方法均采用厂家为不同检查提供的不同默认参数。

② 选择各10例心肌血流灌注（心梗患者）和骨骼SPECT断层扫描患者（前列腺癌或乳线癌骨骼系统转移患者），所有患者临床资料齐全，临床诊断明确。分别采用每个投影20s和10s采集，其它条件相同。获得原始数据后分别按照FBP和最新一代OSEM重建方法（快速心脏、骨分辨率恢复迭代重建技术）重建图像，并获得病灶T/B和图像噪声指标。

2 结果

表1 所显示是不同重建方法在模型研究的结果。可以看出OSEM病灶T/B提高30%，图像的噪声指标保持基本不变，而图像重建所花费时间无明显增加。

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

表2 不同重建方法临床研究结果Tab.2 Results of clinical studies with different reconstruction methods

表2是不同脏器采用FBP和OSEM图像重建方法获得的T/B和图像噪声指标的结果比较。OSEM重建方法T/B分别提高1.5%(心脏)、3.3%(骨骼)和1.4%(脑)；OSEM重建与FBP法相比图像噪声指数差别不大。相比之下，OSEM重建技术对于骨骼病灶T/B提高更明显。图1 显示同一患者在相同条件下采集的原始数据，采用OSEM方法明显优于FBP，在脑血流灌注图像中表现更为明显。

表3 同一患者不同采集时间采用两种图像重建方法获得结果Tab.3 The same paients using two different acquisition time to obtain the result of image reconstruction metheds

图1 SPECT图像采用不同重建方法获得图像比较Fig.1 Reconstruction of SPECT images obtained using different image comparison

表3 表明同一患者，当采集时间减少50%情况下，噪声指标并无明显增大，而图像的T/B仍然有一定程度的提高。

3 讨论

通过对同一模型和同一患者相同数据的对比分析，我们认为对于SPECT图像原始数据，采用代数迭代图像重建替代FBP图像重建，具有以下的优势：

① 在相同采集时间情况下，OSEM重建方法可以一定程度提高图像的T/B。从模型研究数据到不同临床脏器研究的结果（表1和表2）均表明采用OSEM图像重建方法提高了病灶的T/B和图像质量，该结果与其他学者研究的结果一致[3-4]。这对于提高和扩大SPECT设备在临床应用具有重要的价值。SPECT图像本质是提供不同放射性药物在体内分布时病灶和正常组织的对比度。所以对于分子影像设备提高病灶的T/B与提高设备的系统分辨率具有相同的临床价值。

② 在缩短一半采集时间情况下,采用快速心脏和骨的新一代分辨率恢复OSEM技术重建图像，心脏和骨骼图像噪声无显著改变，节省时间,或可以减少放射性药物剂量。此对于儿童扫描具有重要价值.

从表3数据可以看出采用新一代分辨率恢复OSEM技术后，即使将图像采集时间减半而图像质量仍然保持基本不变，病灶的T/B几乎无降低。这样对于儿童和特殊患者具有重要的使用价值。

③ 采用新一代分辨率恢复OSEM技术后，提高了SPECT临床工作效率.使得双探头具有更高的效率,单探头具有接近双探头的临床作用。 该数据结果提示我们，当注射的放射性药物剂量不变时，GE Millennium MPR设备与MG具有相同的探测器（探头），采用OSEM重建技术将可以使 MPR设备具有可变角度双探头的临床作用；或者可以明显提高MG设备50%的临床效率。

综上所述，可以看出对于GE Millennium MG设备采用代数迭代图像重建技术中的OSEM图像重建技术，不但能提高心脏、骨骼和脑SPECT图像病灶的对比度和图像质量，而且也能提高SPECT图像采集速度或降低对患者的注射剂量。MPR设备采用该技术，也能够到达传统双探头的同等临床效果。所以，代数迭代图像重建技术可作为临床常规的SPECT图像重建方法，对于SPECT的临床应用具有重要的价值，特别是具有普及化的意义。

[1] 田嘉禾. PET、PET/CT诊断学[M].北京:化学工业出版社，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] 宋惠宁. COSEM图像重建方法的技术特点和临床应用[J]. 医疗设备信息,2001,3:5～6.

[4] 王嘉兴, 朱汇庆, 陆云, 等.SPECT骨断层重建的滤波反投影法和有序最大期望值法的比较[J]. 中国医学计算机成像杂志, 2009,15(1):76～78.