部分容积效应对SPECT/CT定量计算结果的影响

2018-01-09黄克敏冯彦林梁伟棠冯叶霞邓大浪贺伟平

中国医学影像学杂志 2017年11期

黄克敏冯彦林梁伟棠李林冯叶霞邓大浪贺伟平

黄克敏冯彦林梁伟棠李林冯叶霞邓大浪贺伟平

目的部分容积效应是影响核医学显像图像质量和定量精确性的主要因素。本文探讨部分容积效应对SPECT/CT定量计算结果的影响。资料与方法分别对Jaszczak圆筒模型以及IEC体模进行SPECT/CT断层显像，并进行CT衰减校正和散射校正以及三维有序子集最大期望值法(3D-OSEM)图像重建。根据Jaszczak圆筒模型重建图像获得特定采集及重建条件下的系统容积灵敏度(cpm/kBq)，计算IEC体模内不同大小热区的绝对放射性活度(kBq/ml)，并与真实活度值进行比较，验算其定量精确性。比较特定采集及重建条件下不同大小热区定量精确性的差异，以及不同大小容积感兴趣区(VOI)、热区/本底比值(TBR)以及采集时间显像对定量精确性的影响。结果使用3D-OSEM重建算法、CT衰减校正、散射校正时，各球体的绝对放射性活度与真实活度值的差异与球体大小显著相关(r=-0.844，P＜0.05)，各球体平均定量误差随球体容积的增加而明显减小。不同VOI范围显著影响球体定量精确性。对于1.15～11.49ml球体，其边缘的定量精确性明显低于中心，且各球体定量误差随VOI的减小而减小(r=0.999、0.992、0.994、0.767，P＜0.05)。对于26.52ml和0.52ml球体，其定量误差与VOI大小无明显相关性(r=0.348、0.478，P＞0.05)。不同TBR及采集时间显像中，高TBR显像各球体的平均定量误差(-44.19％)小于低TBR显像(-46.18％)，20s/帧采集显像(-44.33％)小于10s/帧采集显像(-46.04％)。结论部分容积效应可显著影响SPECT/CT定量精确性，尤其对小病灶以及病灶的边缘部分更为显著。

体层摄影术，发射型计算机，单光子；体层摄影术，X线计算机；图像处理，计算机辅助；部分容积效应

近年来，随着SPECT/CT的广泛应用、计算机技术的不断进步和各种校正技术的不断完善，SPECT的精确定量成为临床应用和研究的热点。与PET比较，SPECT系统分辨率相对较低，其定量计算结果容易受衰减、散射、噪声、部分容积效应(partial volume effect，PVE)等诸多因素的影响。本研究通过模型实验，探讨部分容积效应对SPECT/CT定量计算结果的影响。

1 资料与方法

1.1 仪器和设备采用Siemens SYMBIA T16 SPECT/CT仪，使用低能高分辨准直器，系统空间分辨率6.76mm。系统容积灵敏度的单位为单位活度的每分钟计数(counts per minute /kBq，cpm/kBq)，系统平面灵敏度87 cps/MBq，配16排螺旋CT。所有放射性活度测量采用北京中恒创新科技有限公司生产的RM-905a型放射性活度计，灵敏度为3.7kBq。显像模型为美国DATA SPECTRUM公司生产的Jaszczak圆桶模型，其内无插件，以及NEMA/IEC体模，内置热区球体插件直径分别为10、13、17、22、28、37mm，容积分别为 0.52、1.15、2.57、5.57、11.49、26.52ml。

1.2 Jaszczak模型显像采用Jaszczak圆桶模型，注入放射性浓度为70.76kBq/ml的99Tcm溶液进行显像，采用椭圆轨迹进行人体跟踪采集，矩阵128×128，放大倍数1.35，每帧20s共采集120帧。采用双能窗，主能窗 130～150keV，散射窗 110～130keV，窗宽 15％，步进式360°采集。采用相同采集条件重复进行3次数据采集。CT扫描参数：管电压120kV，管电流150mAs，层厚10mm，螺距1.0。采用三维有序子集最大期望值法(three-dimensional ordered subset expectation maximization，3D-OSEM)重建图像，6子集，8次迭代，采用CT衰减校正以及散射校正获得每次显像的断层图像。在SPECT和CT融合图像中勾画容积为3000ml的容积感兴趣区(volume of interest，VOI)，根据公式(1)计算系统容积灵敏度Svol。

其中，Vvol为感兴趣区容积(ml)，CA为已知的模型内放射性浓度(kBq/ml)，为感兴趣区真实计数率需根据公式(2)作衰变校正。

其中，R为重建图像感兴趣区的总计数除以显像时间(min)，T0为图像开始采集时间，Tcal为活度测量时间，Tacq为图像采集总时间，T1/2为核素半衰期。

1.3 IEC体模显像采用IEC体模，其热区球体内分别注入放射性浓度为764kBq/ml和355kBq/ml的99Tcm溶液进行2次显像，其本底溶液放射性浓度均为64kBq/ml。2次显像的热区/本底比值(target-tobackground ratio，TBR)分别为11.9和5.5。每次显像采集2组不同时间(20s/每帧和10s/每帧)的原始数据。其余图像采集及重建参数同Jaszczak模型显像。在融合图像中以各热区球体中心为轴心勾画不同大小的VOI(图1)。分别以球体的最大容积勾画VOI(VOImax)，并以球体容积的90％、80％、70％、60％、50％和40％勾画VOI(VOI90％、VOI80％、VOI70％、VOI60％、VOI50％、VOI40％)。对于不同大小球体在特定成像条件下绝对放射性活度采用公式(3)计算。

1.4 数据分析将特定小球的绝对放射性活度与其通过活度计测量的真实活度值进行比较，根据公式(4)计算不同大小球体的定量误差。

比较不同大小球体定量精确性的差异，以及不同VOI、TBR及采集时间显像对定量精确性的影响。

1.5 统计学方法采用SPSS 17.0软件。球体的定量误差与球体大小以及VOI大小的相关性采用Pearson相关分析，P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

利用Jaszczak圆桶模型显像3次数据采集所重建的图像，依照公式(1)计算的在特定采集及重建条件下的平均Svol为(13.32±0.24)cpm/kBq。IEC体模不同大小热区横断面图像见图2。不同大小球体的放射性强度出现明显差异，球体越小，放射性越低。不同大小球体按照VOImax的放射性计数，依照公式(3)所计算的放射性活度与真实活度值的比较见图3，各球体的放射性活度与真实活度之间的差异明显不同，球体越大，其差异越小。不同TBR与采集时间显像时球体的定量误差随球体容积的变化见图4。26.25ml球体在4次显像中的平均定量误差为-15.39％，而0.52ml球体的平均定量误差为-78.82％。4次显像中，各球体平均定量误差随球体容积的增加而明显减小(r=-0.844，P＜0.05)。不同TBR及不同采集时间显像中，高TBR(11.9)显像时各球体的平均定量误差为-44.19％，小于低TBR(5.5)显像的-46.18％；20s/帧采集显像的平均定量误差为-44.33％，小于10s/帧采集显像的-46.04％。

不同大小球体在不同大小VOI时的定量值见表1。除容积为0.52ml的球体外，其余各球体的定量值均随VOI的减小而增加，其中26.5ml球体在VOI70％时定量值(745kBq/ml)最接近真实活度值，同时在VOI60％时定量值(782kBq/ml)高于其真实活度值，而11.49ml球体在VOI40％时的定量值(761kBq/ml)最接近真实活度值。不同大小球体的定量误差随VOI大小的变化见图5。26.25ml和0.52ml球体的定量误差与VOI大小无明显相关(r=0.348、0.478，P＞0.05)，1.15～11.49ml球体在VOImax时的平均定量误差为-41.79％，而在VOI40％时的平均定量误差为-25.95％，各球体的定量误差均随VOI的减小而减小(r=0.999、0.992、0.994、0.767，P＜0.05)。

图1 容积为26.52ml球体VOI的勾画。以球体中心为轴心，分别在融合图像横断面、冠状面、矢状面勾画不同大小的VOI，红色和黄色VOI分别为VOImax和VOI70％；A～C依次为横断面、冠状面和矢状面图像

图2 热区球体放射性活度为764kBq/ml，TBR=11.9，20s/帧采集显像的IEC体模横断面图像。不同大小球体的放射性出现明显差异，球体越小，放射性越低；A～C依次为SPECT、CT和融合图像

图3 各球体VOImax放射性活度与真实活度值的比较。各球体真实放射性活度为764kBq/ml，TBR=11.9，采用20s/帧采集显像

3 讨论

SPECT绝对定量指通过一系列技术手段获得器官、病灶组织对放射性药物摄取的绝对量的过程。由于SPECT重建图像提供放射性计数分布图，进行SPECT定量时必须将其放射性计数转换为放射性活度。通常的做法是先利用活度已知的模体做定标实验，以获得特定采集及重建条件下的转换系数，然后对待定量物体断层图像单位体积的放射性计数进行转换，从而获得以单位体积内的活度(kBq/cm3)为单位的绝对定量值[1]。目前，多项研究结果均获得了小于10％的定量误差[2-4]。本研究采用活度已知的均匀圆筒模型做定标实验，测定仪器的系统容积灵敏度即单位活度的99Tcm溶液每分钟所获得的放射性计数，然后对待定量小球勾画VOI获得单位体积的放射性计数，通过转换计算即可获得小球的绝对定量值。

图4 不同TBR及不同采集时间显像时各球体的定量误差随球体容积的变化

图5 不同大小球体定量误差随不同大小VOI的变化。各球体的真实放射性活度为764kBq/ml，TBR=11.9，20s/帧采集显像，A～F分别为26.52、11.49、5.57、2.57、1.15、0.52ml球体

表1 不同大小球体在不同大小VOI时的定量值(kBq/ml)

SPECT图像空间分辨率相对较差，其定量结果容易受诸多因素的影响。其中重建算法、衰减、散射及部分容积效应尤为重要[5]。PVE是影响核医学显像图像质量及定量计算的重要因素之一，其对正电子显像定量结果的影响已有较多研究[6-8]。PVE会严重影响小物体(物体小于3倍的空间分辨率时)的显示，以及明显低估其放射性计数，其对PET定量的影响与物体大小密切相关[9]。由于SPECT的空间分辨率相对较差，其受PVE的影响必然更为显著。Dewaraja等[10]在SPECT131I定量模型的研究中，8～95ml球体的平均定量误差小于17％，而4ml球体的定量误差为31％。本研究中各球体的放射性浓度相同，理论上其定量值应保持一致，但受PVE的影响，不同大小球体的定量误差差异明显。0.52ml球体的平均定量误差为—78.82％，而26.25ml球体的平均定量误差为—15.39％。不同大小球体的放射性活度与真实活度之间的差异随球体的增大而明显缩小，与以往的研究结果相符[9-10]。

PVE对较大物体的边缘也会因计数溢出而产生边缘效应，从而使其图像边缘出现明显的放射性计数减低。在PET显像中，其定量指标SUV值随ROI大小、形状、位置的改变而出现明显变化。陈英茂等[11]采用不同等高线的方法勾画PET图像的ROI，其SUV在不同等高值ROI中出现明显差异，其最佳ROI为70％等高线勾画的ROI。尹大一等[12]的研究中，SUV值随着ROI的增大而降低，其最佳ROI为略小于实际病变3～4个像素。本研究中，0.52ml球体的定量误差与VOI大小无明显相关，可能与球体和本底的放射性强度差异较小，其放射性计数溢出效应并不明显有关。1.15～11.49ml球体的定量误差均随VOI的减小而减小，VOI位置越接近球体中心，其绝对放射性活度与真实活度间的差异越小，但各球体的最佳VOI大小并不相同。11.49ml球体在VOI40％时其定量值与真实值间的差异最小，而26.25ml球体在VOI70％时最接近真实活度值。另外，当26.25ml球体VOI小于VOI60％时，其定量值将大于真实活度值，其原因还需进一步探讨。

PVE主要受仪器系统分辨率的影响，系统分辨率越低则PVE越严重，其程度取决于病灶均对分辨率的大小，任何成像系统对直径在系统分辨率3倍以内的病灶均会产生明显的部分容积效应。而病灶相对分辨率又受病灶本身及其周围本底放射性强度的影响，若病灶与本底的对比度较低或图像计数不足，病灶就可能被噪声所掩盖，其相对分辨率则随之降低。本研究中，高TBR显像各球体的平均定量误差低于低TBR显像，20s/帧采集图像低于10s/帧采集图像，表明病灶、本底的放射性强度以及图像的采集计数均会影响SPECT/CT定量精确性。

本研究表明，PVE能显著影响SPECT/CT定量精确性，各球体的定量误差与球体大小呈显著负相关。因此，对于较小体积病灶的定量计算，应对其PVE的影响进行相应的校正。对于较大球体，其中心部位的定量误差明显小于边缘部分，不同大小球体最佳VOI的大小随着球体容积的变化而改变，因此其VOI的范围应尽量避开图像的边缘部分，其VOI的大小应根据病灶的大小进行合理调整。同时，用于SPECT定量的原始数据，应采集足够的放射性计数，以免过高的图像噪声增加PVE对定量精确性的影响。

本研究仅探讨了PVE对特定采集及重建条件下特定大小球体定量计算结果的影响，测量误差、仪器性能、病灶形态及位置、采集及重建参数等其他因素均会影响SPECT/CT定量精确性，在临床应用中应予以关注。由于不同仪器间性能参数的差异，本研究结果只适用于本机型。

[1]Zeintl J,Vija AH,Yahil A,et al.Quantitative accuracy of clinical 99mTc SPECT/CT using ordered-subset expectation maximization with 3-dimensional resolution recovery,attenuation,and scatter correction.J Nucl Med,2010,51(6):921-928.

[2]Shcherbinin S,Celler A.An enhancement of quantitative accuracy of the SPECT/CT activity distribution reconstructions:physical phantom experiments.Comput Med Imaging Graph,2010,34(5):346-353.

[3]Bailey DL,Willowson KP.An evidence-based review of quantitative SPECT imaging and potential clinical applications.J Nucl Med,2013,54(1):83-89.

[4]Shcherbinin S,Celler A,Belhocine T,et al.Accuracy of quantitative reconstructions in SPECT/CT imaging.Phys Med Biol,2008,53(17):4595-4604.

[5]Ritt P,Vija H,Hornegger J,et al.Absolute quantification in SPECT.Eur J Nucl Med Mol Imaging,2011,38(Suppl 1):S69-S77.

[6]陈英茂,耿建华,田嘉禾,等.PET图像中球形病灶的部分容积效应及其影响因素.原子能科学技术,2014,48(6):1136-1142.

[7]李河北,王茜,王玉,等.部分容积效应对单光子与符合线路显像中病灶/本底比值影响的模型研究.中华核医学杂志,2008,28(6):410-412.

[8]于丽娟,吴文凯,赵周社.部分容积效应校正技术在PET/CT诊断单发肺结节中的应用.中华核医学杂志,2007,27(5):306-308.

[9]崔燕,陈松,李亚明.PET显像中靶区直径及靶区本底浓度比值对SUVmax测量的影响.中华核医学与分子影像杂志,2013,33(4):294-297.

[10]Dewaraja YK,Koral KF,Fessler JA.Regularized reconstruction in quantitative SPECT using CT side information from hybrid imaging.Phys Med Biol,2010,55(9):2523-2539.

[11]陈英茂,邵明哲,田嘉禾,等.正电子发射断层显像中感兴趣区选取及标准摄取值分界点的优化.中国医学影像技术,2004,20(6):935-937.

[12]尹大一,田嘉禾,陈英茂.影响SUV值可控因素的比较研究.中国医学影像学杂志,2000,8(3):207-209.

Impact of Partial Volume Effect on Quantitative Results in SPECT/CT

HUANG Kemin
FENG Yanlin
LIANG Weitang
LI Lin
FENG Yexia
DENG Dalang
HE Weiping

PurposeThe partial volume effect is a main factor to impact the image quality and the accuracy of the quantitative analysis of nuclear medicine image.The aim of this study is to evaluate the effects of partial volume effect on quantitative result in SPECT/CT.Materials and MethodsA Jaszczak cylindrical phantom and IEC body phantom were performed with routine SPECT/CT imaging using CT attenuation correction,scatter correction and three-dimensional ordered subset expectation maximization (3D-OSEM)reconstruct image.The system volume sensitivity (cpm/kBq) were acquired from the reconstructed image of Jaszczak phantom study.The absolute activity concentration (kBq /ml) of the hot sphere was calculated according to the IEC phantom study that the intensity of radioactivity had been measured in the dose calibrator,then checking computations the quantitative accuracy of all.The difference of quantitative accuracies from the different volume hot sphere was compared tusing a given acquisition and reconstruction parameter.The effects of volume of interest (VOI),target-to-background ratio (TBR) and acquisition time on quantitative accuracy were evaluated.ResultsCT attenuation correction and scatter correction,the difference of absolute activity and true activity value was obviously correlation with the sphere size by using 3D-OSEM.The quantitative errors were decreased along with the increased of sphere size (r=- 0.844,P＜0.05).The quantitative accuracy were signi fi cantly affected by the VOIsize in the 1.15-11.49ml sphere.It was obviously lower in the limbic of sphere than that in the center of sphere.And the quantitative errors were decreased along with the decreased of VOIsize (r=0.999,0.992,0.994 and 0.767,P＜0.05).However,the quantitative error was no obviously correlation with the VOIsize(r=0.348,0.478,P＞0.05) in the 26.52ml and 0.52ml sphere.The average quantitative error was lower in high TBR imaging (- 44.19％) than that in low TBR imaging (-46.18％),and it was lower in 20s/frame imaging (- 44.33％) than that in 10s/frame imaging (- 46.04％).ConclusionThe quantitative accurate could be obviously affected by the partial volume effect in SPECT/CT imaging,exceptionally in the small lesions and the limbic of lesions.

Tomography,emission-computed,single-photon; Tomography,X-ray computed;Image processing,computer-assisted; Partial volume effect

广东省佛山市第一人民医院核医学科广东佛山 528000

10.3969/j.issn.1005-5185.2017.11.019

冯彦林

Department of Nuclear Medicine,the First People's Hospital of Foshan,Foshan 528000,China

Address Correspondence to:FENG Yanlin

E-mail:hkmin25@163.com

广东省科技计划项目(2014A020212518)

R445.3

2017-07-08

2017-10-18

中国医学影像学杂志2017年第25卷第11期：867-871