PET/CT图像融合精度测试体模与测试方法研究

余晓锷,蔡凡伟,何兴华,欧阳习

（1.南方医科大学生物医学工程学院，广东 广州 510515；2.广州军区广州总医院，广东 广州 510010）

PET/CT图像融合精度测试体模与测试方法研究

余晓锷1,蔡凡伟1,何兴华2,欧阳习2

（1.南方医科大学生物医学工程学院，广东 广州 510515；2.广州军区广州总医院，广东 广州 510010）

通过自主研制的体模，测试PET/CT图像融合精度，并验证体模的可行性和有效性。采集PET/CT融合图像数据，利用IDL和Matlab软件测量圆柱棒及试管在PET、CT图像中的坐标值，两坐标值的差值即为图像融合精度。自制体模通过模拟热区和冷区，可以准确、快速地测量PET/CT图像融合精度，该体模可对日常质量控制项目的体模进行测试。

PET/CT；图像融合；精度测试；体模设计

0 引 言

PET/CT融合图像已经在疾病的诊断、鉴别诊断和放射治疗等临床实践中取得了显著的应用价值。然而，由于PET空间分辨率比CT差、PET与CT图像采集速度不一致及其他一些原因如呼吸、心脏搏动、肠胃蠕动等，会导致两者图像融合欠精确，可能会出现局部区域校正过度和FDG假阳性的结果[1]。因此，如何准确测量和评价PET/CT图像融合精确度已经成为PET/CT质量保证中一项重要的内容。目前单独的PET和CT性能检测标准，国际和国内都有发布相应的标准，但针对PET/CT图像融合精度的测试方法所做的研究不多。国内外分别有学者介绍了应用改进的ACR CT认证体模Gammex 464和NEMA2001标准中空间分辨率模型[2]来测量PET/CT图像融合精度的方法。本文主要是采用自主研制的图像融合精度测试体模，并通过编程来完成测试方法，获得实验结果。

1 设计与方法

1.1 备检设备

德国西门子公司生产，PET/CT机器型号为BIOGRAHY 16，含16排螺旋CT。其中，PET探测器晶

体为硅酸镥（LSO），轴向视野（Axial FOV）达到18cm，时间符合窗为4.5ns。

1.2 测试体模

自制测试体模，测试体模三维视图如图1所示，体模长度为258mm，上下底的半径为90 mm。体模的基本结构包含4根半径各不相同的圆柱棒、1个固定片层和3个空心的同半径同体积的试管，其具体参数详见表1。另外，固定片层用来放置3个试管，位于距离上盖50mm处。体模的材料是由聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）构成。

图1 自制体模的三维图像

表1 圆柱棒及试管的参数

1.3 检测方法

把测试体模注满纯净水，然后注入1mci的18F-FDG溶液作为本底溶液；3个空心试管分别注入高于本底溶液2倍、4倍、8倍的18F-FDG溶液，作为测试热区。灌注好溶液，静置体模40min后，将其放置在扫描床上，尽量确保测试体模的中心轴与PET/CT的中心轴重合。并且要确保在整个实验过程中，体模的位置保持一致。

使用临床上常用的两种扫描条件进行扫描，两种扫描参数详见表2。先进行CT扫描，再进行PET扫描，分别得到CT图像、PET图像及两者融合图像。其中，使用体部扫描条件所获得的CT图像和PET图像分别有70幅，而使用脑部扫描条件所获得的CT图像和PET图像分别有33幅。

表2 实验过程中所使用的两个不同扫描条件的具体参数

1.4 数据处理

图2 PET/CT图像融合结果

将采集得到的PET和CT图像数据传到PETviewer工作站，进行PET/CT图像融合。融合结果如图2所示，目测观察PET/CT图像融合效果：作为测试冷区的4根圆柱棒融合效果较好，未见明显误差；作为测试热区的3个试管可见部分融合误差：中心位置的

试管融合效果较好，未见明显误差；其他两个试管融合效果稍差，可见部分融合误差。为了更加准确地分析实验结果，本研究采用（interactive data language，IDL）和Matlab两种软件对测试结果进行分析，利用IDL测量PET图像中不同位置的4根圆柱棒和3个试管的中心位置X轴坐标值与Y轴坐标值[3-4]；利用Matlab测量CT图像中不同位置的4根圆柱棒和3个试管的中心位置X轴坐标值与Y轴坐标值。以CT图像为参考值，两者坐标值的差值，即融合精度，用mm表示（实验所得的差值为像素值大小，需要乘以像素大小才能转化为毫米单位）。图像融合精度的测量数据用X/Ysd表示。此外，为了准确对比物体的中心坐标，PET图像和CT图像必须大小一样。由于PET FOV（field of view）大于CT FOV，因此需要对PET图像进行裁剪以确保两者具有相同的矩阵大小。

2 实验结果

分别用体部和脑部扫描条件所获得结果参见表3和表4。

表3 用体部扫描条件，所获得的图像融合误差值

表4 用脑部扫描条件，所获得的图像融合误差值

由于4根圆柱棒在PET/CT视野内所处的位置不同，因此它们X轴、Y轴的融合误差值也不相同。距离体模横断面中心越近，其融合误差值更小。其中直径为13 mm的圆柱棒融合误差值最小：X=0.54± 0.45；Y=0.46±0.24。这是由于在通常情况下PET图像的空间分辨率在图像中心处达到最优，越靠近边缘，图像分辨率就越差。所以，图像融合精度一般在横断面方向中心处最好，随着径向距离的变化会变得越来越差。相同的结论也可以在作为热区试管的实验结果中观察得到：位于中心位置的试管图像融合效果较好，X轴、Y轴融合误差值基本都在1mm以内，而边缘的两个试管X轴、Y轴的融合误差值都偏大，最大误差值达到了2.68±0.75mm。

表4呈现的结果和表3相似。结果表明：作为冷区的4根圆柱棒及作为热区的3个试管PET/CT图像融合都存在误差，其中，X轴最大融合误差值可以达到X=3.62±1.12 mm；Y轴最大融合误差值也达到Y=2.60±0.93mm。

使用两种扫描条件的实验结果均在厂家标称值范围内，该体模能够有效地测量PET/CT图像融合精度。有学者利用厂家自带的体模在扫描床未负重的条件下测量图像融合精度的最大误差值为3.96± 0.26mm[4]，本研究的测试结果与该实验结果类似。

图像融合的误差值与PET/CT本身成像系统软件和硬件有着密切的关系。然而在临床应用的实际情况里，一般更关注放射性热区所处位置的融合精度。因为大部分的癌变组织，相对于周围正常组织，都存在放射性核素吸收骤增的情况。

3 讨 论

通过比较不同扫描条件所得到的实验结果，可以得出结论：采用不同的扫描条件，所得到的实验结果数据也是有细微差别的。这是因为采用不同的扫描条件所获得的CT图像和PET图像质量及图像分辨率也不同。图像分辨率越好，中心定位就越精确，融合误差值就越小。采用不同扫描条件，可以探讨不同的扫描条件对实验结果的影响。而且由于圆柱棒及试管在扫描视野内所处的位置不同，所呈现出来的实验结果也不完全相同。距离横断面中心越近的圆柱棒及试管，融合误差值就越小。并且，3个作为测试热区的试管直径相同，目前还不清楚减小试管的直径会对实验结果有什么影响。

测试时的扫描床仅放置测试体模，未考虑正常患者体重因素；如果在扫描床负重条件下，在进行不同扫描时，支撑位置不同，扫描位产生受压变形也就不同，则可使相应的图像融合精度变差。因此，实际临床使用中要考虑诊断床负重变形情况和可能的软硬件校正方法[5-6]。

与使用厂家提供的含22Na放射源的融合精度测量体模比较，厂家的测试源为圆柱体，在CT下成像为圆柱体，在PET下成像为球形，成像后很难精确确定中心坐标位置；使用自制的体模测量，模拟热区和冷区，且所得图像形状规则，为后续计算提供了比较高的精度，减小了测量误差值。

4 结束语

通过测试PET/CT图像融合精度，分析图像融合误差的来源和程度，可以有效地指导PET/CT机器的验收、校正、故障检测和维修等工作。CT和PET扫描速度的不一致，使得PET/CT图像普遍存在难以解决柔性组织、器官生理性活动和呼吸运动带来的明显误差等缺陷。因此，将PET/CT融合图像用于临床精确放疗计划的工具有较大的差距。影响PET/CT图像融合精度的因素，除了患者生理性运动因素外，还包括了PET和CT本身系统的稳定性、CT和PET图像采集时检查床驱动系统的运动精度和稳定性，以及CT和PET其他电子学线路性能的稳定性等物理学因素[7-8]。

本研究采用自制体模测量PET/CT图像融合精度，体模模拟了冷区和热区，能有效测量图像融合精度。该体模可对日常质量控制项目的体模进行测试。而且，本研究采用IDL和Matlab两种图像处理软件对实验数据进行数据分析。其中，确定PET图像中心采用IDL内置profile函数，属于手动处理范畴。实验结果依赖于用户选择用于绘制剖面线的点的能力，所以受用户主观的影响。未来的研究内容致力于能否利用其他更精确、更智能化的方法来确定PET图像中心，提高实验结果精度。

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[6]杨星，贾峰涛，任庆余.PET/CT的技术发展趋势[J].中国医疗设备，2012，27（2）：51-52，56.

[7]欧阳习，尹吉林，李小华，等.NEMA NU2-2001标准在国内PET/CT性能测试的整体应用[J].中国医疗设备，2009，24（8）：28-32.

[8]NationalElectricalManufactures Association.NEMA NU2-2007.Performance Measurements of Positron Emission Tomography[S].[s.n.]：NEMA Standards Publication，2007.

Research on PET/CT alignment phantom and testing method

YU Xiao-e1，CAI Fan-wei1，HE Xing-hua2，OUYANG Xi2
（1.Department of Biomedical Engineering，Southern Medical University，Guangzhou 510515，China；2.General Hospital of Guangzhou Military Region，Guangzhou 510010，China）

This article is proposed to design and develop a PET/CT alignment phantom which can measure the PET/CT image fusion accuracy and verity its feasibility and effectiveness.IDL and Matlab were used to calculate the errors of cylindrical rods and tubes in the PET and CT images. The phantom simulates the hot and the cold regions，and the image fusion accuracy could be measured accurately and quickly.The self-made phantom should provide the mostreliable measurement of alignment error with the analysis，and it can also be used as a routine PET/CT performance quality control testing.

PET/CT；image fusion；accuracy measurement；phantom design

R814.42；R194.2；R445；TP751

：A

：1674-5124（2014)03-0013-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.03.004

2013-10-18；

：2013-12-26

广州市行业工程中心建设项目（穗科信条[2010]13-1）军事医学计量科研专项课题（2011-JL2-019）

余晓锷（1968-），女，湖北麻城市人，教授，博士，研究方向为大型医疗设备质量控制。