重建矩阵对一体化PET/MR图像质量的影响*

吴 萍 吴天棋 白 玫*

电子发射型计算机断层显像(positron emission computed tomography，PET)是通过对放射性核素在体内的聚集成像，反映生命代谢活动情况的设备，是核医学领域常用的影像检查技术；磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)是利用磁共振现象从人体中获得电磁信号，通过图像重建获得人体结构成像的设备，是放射影像领域常用的检查技术之一[1]。一体化PET/MR设备[2-3]是同时进行PET和MR扫描，并将PET分子图像与MR结构图像结合在一起的全新医学影像设备，其内置飞行时间(time of flight，TOF)图像采集重建技术是基于镥素晶体和高性能的光电转化器的新技术[4-5]。

在图像后处理时，一般采用不同重建条件以获取高质量扫描图像，其中矩阵大小是一个重要的变量参数[6-7]。重建矩阵(reconstruction matrix)记作Mx(x为矩阵大小)，是反映重建图像大小的参数，一般认为和图像的空间分辨率等性能有关[8]。以灰度图像为例，其像素数据就是一个矩阵，矩阵的行对应图像的高(单位为像素)，矩阵的列对应图像的宽(单位为像素)，矩阵的元素对应图像的像素，矩阵元素的值就是像素的灰度值。本研究以图像矩阵大小为变量，探讨一体化PET/MR设备中PET图像质量的变化。

1 材料与方法

1.1 一体化PET/MR设备

本研究所用扫描设备为美国通用电气公司的一体化PET/MR设备，型号为SIGNA，图像处理为设备配套AW4.6工作站。该设备以3.0T静音磁共振设备作为平台，采用LBS镥闪烁晶体与全数字化固态阵列式光电转化器(SiPM)融合技术，PET探测器具有TOF技术；以零回波成像技术(zero echo time，ZTE)实现PET衰减矫正；时间分辨率＜400 ps，灵敏度＞21 cps/kBq，轴向视野25 cm，能够实现PET与MR一体化同步扫描获取数据(如图1所示)。

图1 SIGNA PET/MR示图

1.2 体模系统

本研究依据美国电器制造商协会(National Electrical Manufacturers Association，NEMA)NU2-2007标准，使用国际电工委员会(International Electro technical Commission，IEC)61675-1标准规定的人体体部体模[9-11]。模型内嵌6个小球分为4个热区和2个冷区，热区表示该区域内具有高活度浓度的放射性药物，用以模仿病灶区域，其直径分别为10 mm、13 mm、17 mm和22 mm；冷区表示实验时不注入药物，其直径分别为28 mm和37 mm。热区与背景区域的放射性药物浓度比例为4∶1；中间是直径为35 mm的空气柱，即气体冷区[12-13](如图2所示)。

图2 IEC 61675-1标准PET图像质量体模示图

放射性药物区域以总活度为1.53×108Bq(4.14 mCi)的18F-代脱氧葡萄糖(18F-Fluoro dexyglucose，18F-FDG)填充，充分摇匀并静置260 min后开始扫描。依据药物衰减计算，扫描开始时，热区放射性药物活度浓度为1.18×104Bq/ml(0.32 μCi/cc)。

1.3 扫描与图像重建

将体模置于PET/MR扫描野中，扫描模式设置为全身扫描模式，使用MRAC的胸肺模板进行衰减校正，采集时间为11 min。

图像重建采用联合TOF和点扩展函数(point spread function，PSF)技术，迭代算法为核医学设备中常用的有序子集最大期望值方法(ordered subsets expectation maximization，OSEM)，迭代次数为3次，子集28个，扫描时间4 min，以胸部模板进行基于磁共振的衰减矫正(magnetic resonance based attenuation correction，MRAC)。

为了探讨不同矩阵大小对一体化PET/MR设备PET图像质量的影响，将矩阵大小设置为变量，讨论重建后PET图像质量。其中，扫描像素矩阵分别设置为128×128、192×192和256×256的3个条件。

1.4 数据处理

根据NEMA NU 2-2007标准，在重建图像中人工选取冷区、热区球心共面的层及Z轴上距其±1 cm和±2 cm的层，分别读取冷区、热区平均计数、本底感兴趣区(region of interest，ROI)平均计数、肺区插件ROI平均计数。其中本底ROI选取记作Rs，i，j，其中s为层号，包括0层、-1层、-2层、1层及2层，共计5层；i为一层中ROI序号，共计12个，j为本底ROI直径；肺区ROI选取其中心30 mm直径的圆形区域(如图3所示)。

图3 图像质量分析的本底ROI定位示意图

本底平均计数(CB,j)为所选5层切面中每层12个ROI的计数平均值，其CB,j的计算为公式1：

热区对比度(QH,j)的计算为公式2：式中CH,j是热区j计数平均值，αH为热区放射性浓度，αB为本底放射性浓度，本实验中αH/αB=4。

冷区对比度(QC,j)的计算为公式3：

式中CC,j为冷区计数平均值。

本底变化率(Nj)的计算为公式4、公式5：式中SDj是Rs,i,j的标准差。

热区信噪比(signal noise ratio，SNR)的计算为公式6：

判断衰减和散射矫正精度，其平均残余误差(△Clung,s)的计算为公式7：

式中Clung,s为肺区ROI计数平均值。

2 结果

2.1 冷区和热区对比度

依据公式(2)分别计算热区4种不同直径尺寸和冷区2种不同尺寸在不同矩阵大小条件下的对比度值。TOF条件下冷区对比度均值高于同矩阵大小条件下非TOF条件的热区对比度均值；以128×128矩阵的重建图像为参照，使用TOF技术和非TOF技术，其对比度平均值均有增长趋势，TOF条件下对比度均值随矩阵增加的增长值分别为11.45%和10.1%，非TOF条件下对比度均值随矩阵增加的增长值分别为7.14%和7.92%，见表1、如图4所示。

图4 冷区热区对比度平均值趋势图

2.2 背景变化率

以128×128矩阵条件下的重建图像为参照，使用TOF技术和非TOF技术，矩阵为192×192、256×256时其背景变化率均有降低趋势，TOF条件下背景变化率平均值随矩阵变大分别降低了0.04%和0.22%，非TOF条件下背景变化率平均值随矩阵变大分别降低了0.27%和0.20%；N值随ROI尺寸增加而降低，见表2。

2.3 信噪比

以128×128矩阵大小的重建图像为参照，使用TOF技术和非TOF技术，矩阵为192×192、256×256时信噪比均值有增长趋势，其平均值分别提高了3.71、3.69和2.71、3.06；在使用TOF条件下，SNR随ROI尺寸增加而增加，见表3。

表1 矩阵大小对对比度影响变化(%)

表2 不同矩阵大小下不同直径背景变化率(%)

表3 不同矩阵大小下热区信噪比统计

表4 不同矩阵大小对衰减和散射矫正精度ΔClung,s影响(%)

2.4 衰减和散射矫正精度

本研究分别讨论在使用TOF技术和不使用TOF技术条件下，不同矩阵大小对衰减和散射矫正精度ΔClung,s的影响。使用TOF技术时，ΔClung,s均值增加值分别为0.28%、0.28%；使用非TOF技术时，ΔClung,s均值增加值分别为1.04%、0.33%，见表4。

3 讨论

本研究发现，随着重建矩阵的增加，对比度平均值较128×128矩阵结果均有增长趋势，但后两者矩阵间Q值无明显差异，在ROI尺寸较小时，出现Q值下降现象，表明增大矩阵对于小尺寸ROI无明显优化作用；背景变化率均值在矩阵增大时均有不同程度下降，但由于ROI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；矩阵的增大具有提高热区SNR的趋势，但在后两种矩阵中并不明显；使用TOF技术时，重建矩阵128×128的图像都具有较小的衰减和散射矫正精度ΔClung,s，随矩阵增大，ΔClung,s无明显变化。

4 结论

本研究采用国际通用的IEC 61675-1标准PET图像质量体模，遵循NEMA NU2-2007标准的检测和数据处理方法，在一体化PET/MR设备上利用不同矩阵大小重建PET图像，通过比较PET图像对比度、背景变化率、信噪比，发现大矩阵图像较小矩阵图像质量均有提高，而两种较大矩阵之间的图像质量差异并不明显；矩阵增加对衰减和散射校正精度的提升无明显作用。临床使用中可根据实际需求及其他参数特征确定选取不同矩阵的图像优化方案，从而进一步辅助临床诊断。

本研究将在后续试验中进一步研究其他可能影响一体化PET/MR设备图像质量的参数，及其他医学工程相关问题。