PET/MR衰减校正技术的研究进展

高艳，赵晋华

上海交通大学附属第一人民医院核医学科，上海 201620

PET/MR衰减校正技术的研究进展

高艳，赵晋华

上海交通大学附属第一人民医院核医学科，上海 201620

PET/MR采用MR图像信息对γ射线衰减进行校正。本文介绍了PET衰减校正的基本原理，及PET/MR的4种衰减校正方法，包括组织分类法、图谱配准法、透射扫描法和发射数据重建法，并简单叙述了以上4种衰减校正方法在脑部或全身的应用。

PET/MR；衰减校正；正电子核素；衰减系数

目前，以PET/CT为代表的临床多模式显像技术已获得突飞猛进的发展，其在功能与解剖结构结合显像方面的重要作用日益突显[1]。PET/CT的优势之一在于能够直接利用CT图像信息对PET发射数据图像中的γ射线衰减进行校正。这主要得益于CT的2个特性：① CT扫描速度快，避免了单纯PET设备中长时间（大约占到全部采集时间的50 ％）的放射性棒源透射显像；② CT值代表了全视野中组织对X线的衰减性质，通过特定转换方法对CT图像中CT值调整后能够获得PET的衰减图像[2]。尽管这种方法仅仅是一种近似法，但是有报道显示，与放射性棒源透射显像相比，基于CT的衰减校正（CT Attenuation Correction，CT-AC）所得的衰减图像在PET重建图像中拥有同样的定量精度和更好的对比度[3]。

在过去的数年里，临床PET/MR装置成为现实，但其在定量精度上仍存有亟待解决的难题，尤其是关于PET衰减校正方面。目前，临床PET/MR系统中应用于PET图像的大部分衰减校正方法（MR Attenuation Correction，MRAC）是以图像分割技术与特定MR序列的结合为基础探索所得。本文将对PET/MR设备中4种MRAC方法简单叙述。

1 衰减校正的原理

PET显像的正电子核素在组织中发生正电子衰变，产生的正电子与周围的负电子湮灭生成一对运动方向相反、各带有511 keV能量的γ光子。γ光子在穿过物体到达探测器的过程中会以一定概率与物体中的电子发生光电效应和康普顿散射，因此无法被全部探测到，此即射线衰减的根源。为了准确定量分析放射性药物在体内分布的情况，针对衰减信息进行校正成为PET成像的一个必要环节，这主要是通过特殊方法了解组织对射线的衰减性质（衰减系数），即组织密度对射线的影响，然后运用至图像处理中，最终获得组织实际放射性分布的图像。

2 校正方法

衰减校正可以通过直接测量法和间接计算法进行：直接测量法，即通过体外放射源的透射扫描直接重建出物体的衰减图进行校正；间接计算法，不需要进行放射源透射扫描，而是利用已知的图像信息估计出衰减图进行校正。单纯PET设备利用棒源（68Ge）及PET/CT中采用CT替代棒源进行衰减校正，均属于直接测量法。

与CT显像相比，MR主要利用磁自旋成像，而非组织密度分布成像，不能直接提供关于组织衰减性质的信息，因此在PET/MR系统中，需通过间接计算法进行衰减校正。目前主要研究的方法有：① 组织分类法，即采用不同的MR序列获得组织中气体、脂肪、水和骨组织的信息；② 图谱配准法，即利用预先获得的图像模板与实际采集的患者图像进行配准，进而得到相应的组织成分差异，然后进行衰减图像的估计；③ 透射扫描法和发射数据重建法，即采用透射扫描获得衰减系数（Attenuation Coefficient，ACe），或通过特殊算法直接处理PET图像进行衰减校正[4]。

2.1 组织分类法

为了改善早期PET衰减校正，1981年Huang等提出了组织分类法，即将所得的透射图像利用区域界定公式划分出不同组织成分，并计算出各自衰减校正因子用于PET图像的衰减校正[5]。

此后，逐步有研究开始尝试对MR图像分类，然后进行PET数据的校正，这也为PET/MR系统图像的衰减校正提供了依据。该方法中一般采用对解剖结构显像较好、利于观察的T1WI MR图像，在依据衰减特性的不同划分出各类组织后，分别赋予511 keV下相应的衰减系数，然后进行图像校正。

在脑部MRAC处理中，Zaidi等将脑部组织分为空气、颅骨、脑组织、鼻窦，并通过形态学处理方法改善图像质量，进一步得出衰减系数[6]。Rota采用了一种可以自动识别组织界限的工具，然后利用特定的后期处理得出4种类别的组织——脑组织、颅外软组织、骨、鼻窦，并与单纯PET系统中的放射性棒源衰减校正进行了对比。其后，他们又结合了区域之间位置关系和形状差异等解剖知识，通过一种自动、多级的方式进行组织分类，将脑部划分为白质和灰质、脑脊液、脂肪组织以及背景。在后期处理中，进一步将脑外区域进行组织分类，最终分为脑组织、颅外软组织、颅骨、鼻窦和副鼻窦、颞骨乳突,其中乳突由骨薄片和充气实体组成，因此被单独划出以赋予相应的ACe[7-10]。Malone等更细致地划分出6种组织——空气、脂肪、软组织、脑脊液、鼻窦和骨[11]。

直接的组织分类方法也可用于全身PET/MR中，但其主要问题在于全身骨及肺的划分。由于骨在MR中显像不清，因此，通常情况下骨组织都是以软组织形式进行处理。同样，肺MR信号也较低，不利于肺组织的识别。Matinez等采用了2点Dixon序列将T1WI MR图像分割为肺、脂肪、软组织和背景，开采用了连通区域分析法划分出肺[12]。Steinberg提出了一种3D自旋回波序列，辅以采用固定的信号或区域尺寸的阈值，将组织分为空气、软组织和肺3种，但仅仅在动物中进行了评估，这种方法用于人体尚待更多研究[13]。与之类似的是Schulz等人的方案，但他们在肺的分辨中采用的是区域增长方法，结果显示与CT-AC相比，15名患者病灶的PET图像中平均放射性浓度差值＜7％[14]。Hu等人通过直方图分析法和软组织信号强度阈值来估计患者组织的大小和位置。在肺的分割中，其利用基于综合强度属性的区域生长和基于可变形模型的分割方法确定肺的部位及边界，减少被误分入胃或肠的影响，这其中运用了肺在人体中典型位置和大小的解剖知识和形态特征（如密实度）。此外，区域增长的后处理包括距离限制和形态学运算法，也进一步提高了肺组织的分割效率[15-16]。AKbarzadeh借助ITK软件库分割出4种组织——软组织、肺、骨松质、骨密质[17]。

尽管结合解剖知识后，提高了分割法的准确性和全面性，但仍无法满足图像定量精度的要求，在骨组织方面，这也是脑部PET/MR显像的关键步骤。虽然在T1WI上，骨与空气的信号均为低信号，但在透射扫描图像中二者的密度值及ACe有很大差距，单纯地将骨以软组织或空气的方式进行处理，无疑会导致严重的定量错误。因此，有必要寻找一种提高骨显像清晰度以利于组织准确分割的方法。与CT相比，MR除了具有软组织对比度明显、无辐射等优点外，还具有可利用特殊MR序列进行显像的优势。在临床PET/MR的衰减校正法中，逐渐引入了一种新的技术——超短回波时间（Ultrashort Echo Time，UTE）序列[18]。UTE序列可用于MR中对骨组织的显像，它是利用骨具有非常短的横向弛豫时间（T2）。UTE包括对2种回波时间的图像采集，一种用于显示骨组织，另一种用于显示在2种采集图像上信号相同的其他类型组织。UTE序列已用于脑显像的评估，研究表明相比于CT-AC，最大的差异可达到20％～40％，而全脑平均放射性浓度差异大约为5％[18-20]。但是，目前利用UTE进行衰减校正这一方法，无论是在全部采集时间的问题上还是个体化参数选择上，都缺少相应的可靠标准。此外，关于UTE用于全身MR显像的报道仅有少数，而且需要较长的采集时间，从而限制了其在临床中的推广应用。

此外，目前还提出在MR中利用零回波时间（Zero Echo Time，ZTE）技术，进一步显示骨组织中小梁结构，有利于观察骨组织在生理上或病理上的变化，其原理是ZTE具有采集并编码极短T2的MR信号的能力。这种方法拥有良好的空间分辨率和稳定性[21]。

在第一代临床PET/MR系统衰减校正中，是以2点Dixon梯度回波序列为基础，利用脂肪与水化学移位的对比效应，仅需数秒的采集，能够分别单独显示水和脂肪图像，因此非常适于全身MR图像的分割。利用此方法，可将组织分为5类——空气、肺、脂肪组织、非脂肪组织、脂肪与非脂肪混合组织[22]。在2点Dixon梯度回波序列基础上，选择3点Dixon方法能更加精确地将水和脂肪分开，提高MRAC的精确度。最近，Berker将MR中分辨骨的UTE序列和分辨水、脂肪的3点Dixon序列结合，形成了1种新的三回波序列（UTE Triple-Echo，UTILE），通过后期处理分割出4种组织（骨、空气、软组织和脂肪）[23]。

组织分类法可用于脑和全身PET/MR的衰减校正，通过附加的解剖信息如位置和形状等，以及借助特殊MR序列，有助于区分信号相近而ACe有明显差异的组织，而且，更适于解剖变异的病例，在分割精度和运行时间上优于非线性转换（如地图集法、模板法）[24]。但需要强调的是，完成组织分割后，各种类别的组织便被赋予固定的511 keV下的ACe，这事实上也忽略了组织的个体差异性。

2.2 图谱配准法

根据图像模板来源不同，图谱配准法分为模板法和地图集法。模板法是通过收集多个患者的组织图像，然后进行处理，并将代表平均情况的图像作为模板；地图集主要是建立一个数据库，包括了患者的CT图像和MR图像，并在PET/MR衰减校正中作为模板使用。

模板法最初用于无法在PET中显像的组织的定位。在PET和MR的模板法中包含衰减图像模板和一个用于配准的MR模板，衰减图像模板取自众多透射图像的平均情况。将MR模板通过非线性方式与患者MR图像配准，然后将同样的非线性转换运用于衰减图像模板以最终获得患者实际的PET图像。Rota通过对10名性别不限的健康志愿者进行68Ge的透射扫描（HR PET），整理后获得平均衰减图像模板，利用配准的T1WI MR模板与患者实际MR图像进行非线性转换，其中所用转换矩阵应用于衰减图像模板来形成患者独特的衰减图像[25]。在另外一种版本中，研究者通过至少4名男性或至少4名女性的图像数据集分别获得2种衰减图像模板[26]。最新的研究结合8名性别不限的志愿者的图像信息，获得了混合性别的平均衰减图像模板[24]。

PET/MR图像衰减校正方法仍需改进，尤其在全身显像中。目前已经提出结合机器学习技术的地图集法，这些途径最根本的目的是建立一个患者CT与MR图像配对的数据库[1]。对于某个特定患者，将这些配对图像模板与其获得的MR图像进行配准，然后将同样的转换矩阵运用于CT衰减图像模板，最终获得个体化的“伪CT图像”。这种方法另一个优势在于获得的衰减图像能够反映连续的ACe，避免了使用单一数值时无法表明组织的异质性。有研究利用地图集数据库和模式识别来获得患者专有的伪CT图像[27]，在脑显像中对这种方法评估显示，不同的脑区域所得的平均放射性活度与CT-AC的差异＜ 4％。

关于地图集法在脑和全身显像中的应用，仍需考虑如何准确处理各种病变组织、不同患者肺密度的差异和金属植入物这些问题。最近一个经过修改的新版本添加了人工制品探测技术，应用至全身显像后，结果显示平均放射性活度低估程度＜ 6％[28]。修改后的版本还考虑到不同的MR序列可以用于MR-CT配对数据库，以提高感兴区域组织结构的辨认精度，改善地图集配准过程和预测的伪CT图像[29]。

图谱配准法具有良好的鲁棒性（即控制系统在各种不定状况中对其它性能维持的特性）且可获得具有连续ACe的衰减图像。但模板法在变异的解剖结构、病变组织以及运动中的器官等方面仍有待改进，其仅仅适用于头部PET/MR；地图集法可应用于脑部和全身，在结合组织局部信息后可改善结果（包括肿瘤方面问题），并且地图集法还能克服截断伪影问题[24]。但有报道提示，与相应的模板法相比，地图集法得出的结果稍差，原因之一可能在于模板法中的模板代表的是整体的平均情况，而地图集法则利用的是一个复杂的图像数据库[11]。

2.3 透射扫描法

最近提出的一类可行途径是利用非MR图像信息来进行PET/MR中PET数据衰减校正[1]。以透射扫描为基础[30]，即在PET/MR装置中置入放射性核素源，在图像采集时获得发射图像和透射图像，为了同时完成采集，PET设备需要具有飞行时间（Time of Flight，TOF）技术能力。Pieter Mollet等利用了环状放射源覆盖于探测器的全视野，利用TOF技术获得5位患者发射和透射扫描数据，结果表明与基于MR的衰减校正相比，透射方法在肺、软组织和骨组织的感兴区域中的PET定量分别平均提高了6.4％、2.4％和18.7％[31]。但插入型PET/MR的空间限制仍是一个挑战，因此，某种程度上而言，它更适于串联型PET/MR系统。

2.4 发射数据重建法

直接利用所获得的PET发射数据重建组织的衰减图像。这是因为在PET发射数据中，同时包含有组织衰减信息。而且，MR提供的清晰的组织结构和TOF技术更精确的定位均有利于准确获取衰减图。该方法还能够利用完整的发射数据，对扫描中出现的截断伪影进行有效校正[4]。Nuyts等利用组织衰减系数的先验知识，采用了最大似然方法进行交替迭代重建，但由于仅用到发射数据，重建时放射性分布的特征可影响ACe的估计，导致重建结果偏差[32]。Salomon等在TOF PET/MR中利用MR定义连通区域，并采用梯度法估计区域的ACe，不但可以减少衰减分布未知数的个数，而且不需要组织ACe的先验信息，不受结构个体差异的影响。但与CT-AC相比，由于在MR中肺部及周围骨骼划分为同一连通区域，导致其在肺部和骨骼的相对偏差较大[33]。

3 系统衰减校正

PET/MR系统硬件也可导致探测器对光子的探测失误，从而影响图像放射性分布情况的定量。这主要体现在两方面[34]：① 位置和形态固定的硬件，如检查床、头颈联合线圈等；② 体线圈和体表线圈。为了校正这些影响，可先经CT扫描获得相关硬件衰减系数图，然后在PET/MR扫描时由系统决定是否用于PET图像校正，或者选择使用低衰减材料制成的体表线圈[35]。

4 总结

PET/MR组合装置的发展及运用已成为当今多模式分子显像的研究前沿。针对其在衰减校正方面的难题，充分结合MR软组织显像良好和检查序列多的优势，已提出了多种可行途径。其中，组织分类法应用最为广泛。现有的两种商业化PET/MR：Siemens公司的全身型一体机——Biograph mMR系统和Philips公司的串联型Ingenuity TF PET/MR系统，均是利用了组织分类法进行衰减校正，其中前者运用2点Dixon序列采集MR图像，并结合固定阈值和连通区域分析将MR图像分为空气、肺、脂肪和软组织进行衰减校正[11]，后者则借助直方图分析法和区域增长方法区分出空气、肺和软组织[14]。

目前临床衰减校正中逐渐开始包括对骨组织的处理，这对神经系统的PET显像也是最基本的要求。但目前，仍需大规模人群研究，制定MR序列参数使用的标准，以进一步评估其在脑定量成像的作用。地图集法为脑和全身PET/MR应用衰减校正提供了可能，但是这些方法的实际应用仍需深入评估，以探究其在不同患者独特的病变类型中显像的稳定性。最后，直接依据发射图像推算衰减图像将是未来TOF PET/MR中最有前景的解决方法。

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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

赵晋华，主任医师，教授，博士生导师。

通讯作者邮箱：zhaojinhua1963@126.com