一体化PET-MR设备中飞行时间技术和点扩展函数技术对PET图像质量的影响*

董 硕 李 东 吴天棋 庄静文 谢 峰 白 玫*

一体化PET-MR设备是将正电子发射计算机断层显像(positron-emission tomography，PET)的分子成像功能与磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)卓越的软组织对比功能结合起来的一种新技术，可以同步进行PET和MR扫描，是一种集结构成像、功能成像和分子成像功能于一体的医学影像设备[1-2]。因此，在基础研究和临床诊断方面都吸引了越来越多的关注。作为目前最先进的医学影像技术之一，一体化PET-MR的图像质量也成为医学影像领域关注的热点。近年来，人们提出了多种能提高PET图像质量的重建算法，其中，飞行时间(time of flight，TOF)技术和点扩展函数(point spread function，PSF)表现优异[3-4]。

TOF算法最早提出于20世纪80年代，但是直到近年来该算法才逐渐应用于临床[5-7]。通过TOF算法可以直接确定正电子符合事件发生的位置，在采用TOF技术的PET中，每一个被检测到的光子都会标记其探测时间(或称到达时间)，如果2个光子的探测时间之差小于设定的符合窗，那么这2个光子就会被认为是与同一个湮灭事件相关[10]。该探测时间之间的差值，称为飞行时间差，取决于湮灭事件在响应线(line of response，LOR)上的位置[10]。利用TOF技术重建的PET图像与其他方法重建的图像相比，噪声更低，对比度更高[10-11]。

基于PSF的PET图像重建迭代算法能够显著提高图像的分辨率[12-13]。通常在PET设备制造过程中，利用点源来测量视野(field of view，FOV)中的PSF，用以补偿几何失真。基于测试所得的PSF，重建算法能够有效的定位响应线的实际几何位置，从而提高PET图像的空间分辨率和信噪比(signal noise ratio，SNR)[3，14]。

在一体化PET-MR设备中，其PET成像的环境比PET和PET-CT更复杂，因此TOF和PSF重建技术在一体化PET-MR中的表现需要进行系统评估。基于此，本研究依据美国电气制造商协会(National Electrical Manufacturers Association，NEMA)NU 2-2007标准[15]，使用国际电工委员会(International Electro technical Commission，IEC)61675-1标准规定的PET图像质量体模，对一体化PET-MR设备中TOF和PSF技术对PET图像质量的影响进行研究。

1 材料与方法

1.1 一体化PET-MR系统

本研究所有的测试均在GE SIGNA PET-MR(美国通用电气)及配套AW4.6工作站上完成。SIGNA PET-MR系统融合了3.0T磁共振技术和磁共振兼容的数字硅光电倍增管(SiPM)探测器技术，能够同步获取PET和MR数据[16]。其时间分辨率＜400 ps、轴向视野25 cm、灵敏度21 cps/kBq[16]。

1.2 实验方法

1.2.1 体模准备

实验研究使用IEC 61675-1标准PET图像质量体模，体模内嵌直径分别为10 mm、13 mm、17 mm、22 mm、28 mm和37 mm的6个小球，其中直径为10 mm、13 mm、17 mm和22 mm的小球为热区，即实验时需注入高活度浓度(activity concentration)的放射性药物以模仿病灶；直径为28 mm和37 mm的小球为冷区，实验时不注入放射性药物[17]。实验使用水和总活度为1.53×108Bq(4.14 mCi)的18F-氟代脱氧葡萄糖(18F-Fluoro dexyglucose，18F-FDG)充填体模，热区与背景区域的活度浓度比为4∶1。充填完成后充分摇匀，静置260 min。扫描开始时，4个热区的活度浓度为1.18×104Bq/ml(0.32 μCi/cc)。实验所用图像质量体模如图1所示。

图1 IEC 61675-1标准PET图像质量体模示图

1.2.2 扫描与图像重建方法

(1)扫描条件。将体模定位于PET-MR扫描野中心，采用全身扫描模式，采集时间为11 min。

(2)图像重建条件。迭代算法采用有序子集最大期望值法(ordered subsets expectation maximization，OSEM)，迭代次数3次，子集28个，重建矩阵192×192像素，像素大小0.26 cm×0.26 cm，采用基于磁共振的衰减校正(magnetic resonance based attenuation correction，MRAC)，并选择胸部模板进行MRAC。

(3)图像重建算法。为了研究TOF和PSF技术对PET图像质量的影响，分别采用TOF+PSF(联合使用)、non-TOF+PSF(单独使用PSF技术)、TOF+non-PSF(单独使用TOF技术)和non-TOF+non-PSF(两种技术均不使用)的4种方法重建PET图像。

1.2.3 数据分析与处理方法

(1)根据NEMA NU 2-2007标准，在重建图像中选取冷区及热区小球球心共面的层以及Z轴上距该层±1 cm和±2 cm的层，分别读取冷区、热区和背景区域感兴趣区(region of interest，ROI)的平均计数[15]。冷区和热区ROI应该选取在小球范围内，ROI的直径应尽可能接近小球的物理内径[15]。每个背景区域ROI的计数记作Rs，i，j，其中s为层号(-2～+2)；i为每层中选取的ROI的编号，每层12个；j为背景区域ROI直径的编号(1～6)，分别代表与6个小球直径(10 mm、13 mm、17 mm、22 mm、28 mm和37 mm)相对应的背景区域ROI，参照NEMA NU 2-2007标准选取背景区域ROI(如图2所示)[15]。

图2 选取的背景区域ROI示图

对于每个直径编号j，在5层图像上共有60个背景区域ROI。背景区域ROI的平均计数的计算为公式1[17]：

(2)热区和冷区的对比度。热区对比度QH,j计算为公式2[15]：

式中CH,j为热区j的平均计数；CB,j为与热区j等直径的60个背景区域ROI的平均计数；aH为热区的活度浓度；aB为背景区域的活度浓度。本实验中aH/aB=4。

冷区对比度QC，j计算为公式3[15]：

式中CC,j为冷区j的平均计数；CB,j为与冷区j等直径的60个背景区域ROI的平均计数。

(3)背景变化率。背景变化率Nj计算为公式4[15]：

式中SDj为背景区域ROI计数的标准差，计算根据公式5[15]：

式中CB,j,k为每一个直径编号为j的背景区域ROI的计数；K为直径编号为j的背景区域ROI的总数量，K=60。

(4)热区SNR。热区SNR计算为公式6[18]：

2 结果

2.1 冷区和热区的对比度

以non-TOF+non-PSF算法重建图像为参照，在其他重建条件均相同的情况下，单独使用PSF技术、单独使用TOF技术和联合使用TOF+PSF技术重建图像的平均热区对比度分别提高了7.61%、20.94%和40.17%；单独使用TOF技术的图像平均冷区对比度提高了11.29%，联合使用TOF+PSF技术的图像平均冷区对比度提高了12.32%(如图3所示)。

图3 不同算法重建图像的冷区及热区平均对比度与背景变化率示图

在不同算法重建的图像上，不同直径ROI对应的冷热区对比度及平均热区对比度和平均冷区对比度见表1。

2.2 背景变化率

以non-TOF+non-PSF算法重建图像为参照，在其他重建条件均相同的情况下，单独使用PSF技术、单独使用TOF技术和联合使用TOF+PSF技术重建图像的平均背景变化率(Nmean)分别降低了2.28%、21.44%和30.03%，如图3的绿色趋势线所示。

在不同算法重建的图像上，不同直径ROI的背景变化率及其平均值见表2。

2.3 热区信噪比

以non-TOF+non-PSF算法重建图像为参照，在其他重建条件均相同的情况下，单独使用PSF技术、单独使用TOF技术和联合使用TOF+PSF技术重建图像的平均热区信噪比分别提高了11.52%、44.28%和92.70%，如图4所示。

在不同算法重建的图像上，不同直径热区的信噪比及其平均值见表3。

表1 不同算法重建图像上不同直径热区和冷区的对比度(%)

表2 不同算法重建图像上不同直径ROI的背景变化率(%)

表3 不同算法重建图像上不同直径热区的信噪比

图4 不同算法重建图像的热区平均SNR示图

3 讨论

3.1 PSF技术对PET图像质量的影响

表1和图3显示，PSF技术能够提高热区对比度，但是，在单独使用PSF技术时，冷区对比度会略有下降，造成这一现象的原因仍然需要进一步研究来加以明确。表2和图3显示，由于ROI的大小会影响其计数的标准差，因此大尺寸ROI的背景变化率通常低于小尺寸ROI。单独使用PSF技术能够降低背景变化率，并且这一优化作用在小尺寸ROI区域会更明显，这可能是由于PSF技术能够显著提高PET空间分辨率所致[13，20-21]。表3和图4显示，PSF技术同样能够提高热区SNR。总体而言，PSF技术能够提高热区对比度和SNR，同时降低背景变化率。

3.2 TOF技术对PET图像质量的影响

表1和图3显示，TOF技术能够显著提高冷区和热区的对比度，并且其对于小尺寸热区的对比度提高作用更为明显。而表2和图3显示，单独使用TOF技术能够降低背景变化率；对于小尺寸ROI，单独使用TOF技术或者PSF技术，对其背景变化率的优化作用大体相当；对于大尺寸ROI，单独使用TOF技术对其背景变化率的降低，要优于单独使用PSF技术。表3和图4显示，TOF技术对热区SNR的提升作用优于PSF技术。总体而言，TOF技术能够提高冷区和热区对比度，提高SNR，同时降低背景变化率。

3.3 联合使用TOF和PSF技术对PET图像质量的影响

联合使用TOF和PSF技术，对本实验考察的图像质量参数均有优化作用。特别是对于热区SNR，两种技术联合使用的提升效果要远优于单独使用。

4 结论

本实验研究采用国际通用的IEC 61675-1标准PET图像质量体模，遵循NEMA NU 2-2007标准的检测和数据处理方法，在一体化PET-MR设备上利用不同算法重建PET图像，通过比较图像对比度、背景变化率和SNR，发现TOF技术和PSF技术对图像质量均有提高；如果同时使用TOF技术和PSF技术，则能够更显著的提升图像质量，特别是对于小病灶，联合使用TOF技术和PSF技术将有助于临床诊断。

本研究将在后续实验中进一步研究其他可能影响一体化PET-MR设备图像质量的相关因素。

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