数字化PET/CT正则化重建与有序子集迭代重建的图像质量比较

陶端，彭伟皑，陈江林

1. 飞利浦(中国)投资有限公司 高级分子影像业务部，北京 100026；2. 平安好医重庆医学影像中心 核医学科，重庆 400042

引言

正电子发射断层成像仪（Positron Emission Tomography，PET）自20世纪80年代发明以来，重大的技术进步包括三维采集、PET与CT融合、快速晶体和飞行时间探测[1]。近两年PET硬件技术的进步是数字化探测器，采用新型的硅光电放大器件取代传统的光电倍增管，硅光电放大器件和闪烁晶体结构上一一对应，PET探测器通道数成千倍地增加，空间分辨率、能量分辨率、时间分辨率、灵敏度等性能全面跃升[2]。PET重建是将原始数据进行放射性分布的还原，得到高质量影像的过程。有序子集最大期望值迭代重建（Ordered Subset Expectation Maximization，OSEM）将投影数据分成N个子集进行运算，提高重建速度，又具备良好的图像质量，成为使用最广泛的PET重建算法[3]。飞行时间正则化（Time-of-Flight Regularized Expectation Maximization，TOF-REM）是一种新的算法，将飞行时间信息加入系统响应矩阵，运用惩罚函数进行正则化运算，是PET重建技术的一大进步[4-6]。目前尚未见将数字化PET和TOF-REM两种新技术结合在一起，评估图像质量的研究。本研究旨在数字化PET/CT平台上，比较TOF-REM和OSEM两种重建算法对图像质量的影响。

1 材料和方法

1.1 IEC球体模型

选择美国电气制造协会的IEC球体模型，该模型遵循NEMA标准，用以评价PET图像质量[7-8]。模型为有机玻璃的圆柱体，高30 cm，6个内空的球体在模型中间环形排列，球体内径依次为10、13、17、22、28、37 mm。球体内灌入的18F-FDG比活度为21.2 kBq/mL，球体外18F-FDG的比活度为5.3 kBq/mL，靶本比值为4:1。模型置于视野中心，通过激光定位灯调整水平后开始采集。

1.2 18F-FDG摄取增高灶的选取

回顾性收集在平安好医重庆医学影像中心2019年12月进行PET/CT检查的26例受检者，进行两种OSEM和TOF-REM重建，融合显示后，寻找直径小于18 mm的18F-FDG摄取增高灶。FDG摄取增高灶入选标准：18F-FDG摄取增高，病灶直径小于18 mm，病灶部位在胸腹部。为避免单一来源，每个患者最多选取3个摄取增高灶。

1.3 数字化PET/CT采集和重建方法

使用飞利浦公司Vereos PET/CT仪，PET采用LYSO晶体和DPC数字化硅光电放大器件，时间分辨率为310 ps，能量分辨率为11%，CT为64排探测器。PET/CT采集包含定位片、螺旋CT和PET三个序列。CT采集参数为管电压120 kV，管电流100 mAs，球管旋转时间0.5 s，螺距0.873。PET是三维列表采集，每床位采集时间2 min，PET重建采用OSEM和TOF-REM两种算法，重建矩阵为338×338，层厚2 mm，OSEM重建参数为3次迭代，18个子集，点扩散函数（Point Spread Function，PSF）打开。TOF-REM采用二次先验演变法（Evolution-Scaled Quadratic Prior，ESQP），TOF-REM重建参数R值选择200的默认值。衰减校正采用CT图像生成的透射图，散射校正采用蒙特卡洛单散射模拟，随机校正采用延迟窗相减法。

1.4 模型图像质量的评估方法和步骤

在IEC球体模型上，对比度恢复系数（Contrast Recovery Coefficient，CRC)是评价PET图像质量的定量指标[7]。最大对比度恢复系数的计算方法如公式(1)所示。

其中，Mmax是球体ROI中的测量得到的最大比活度，Tmax是真实的最大比活度。

平均对比度恢复系数的计算方法如公式(2)所示。

其中，Mmean是球体ROI中的测量得到的平均比活度，Tmean是真实的平均比活度。

对比度恢复系数计算的详细步骤如下：IEC球体模型进行PET采集，然后重建得到PET横断面影像数据，融合显示后找到球体的最大层面，在6个球体的内部勾画出相应的感兴趣区（Region of Interest，ROI），记录球体ROI的最大比活度和平均比活度。球外区域代表本底，在本底区域勾画尺寸相同的ROI，记录本底ROI的最大比活度和平均比活度，依据公式，计算得到CRC。

1.5 FDG摄取增高灶的图像质量评估方法和步骤

受检者体内的FDG摄取增高灶，采用相对信噪比作为图像质量评估的定量指标。相对信噪比是信噪比的相对比值，其过程包括选取放射性摄取增高灶、测量信噪比和计算相对信噪比三个步骤。详细步骤如下：26例受检者，在星云后处理工作站显示OSEM和TOF-REM重建得到的图像，在OSEM迭代重建的PET图像中，打开三维ROI勾画工具栏，选择最大计数百分比的勾画方式，对于肉眼可见FDG摄取高的小病灶进行三维ROI的自动圈画，勾画完成后，查看此三维ROI的体积，找到＜3 mL的小病灶，测量直径，直径＜18 mm的FDG摄取增高灶算进纳入范围，在同一层面查看TOF-REM重建图像。测量信噪比第一步是测量并记录摄取增高灶的SUVmax，选定自身的纵隔血池作为本底区域，勾画18 mm直径的球形ROI，测量并记录纵隔血池的SUVmax，两者比值是信噪比。同一摄取增高灶，TOF-REM重建的信噪比与OSEM重建的信噪比两者相除，就得到了相对信噪比。

1.6 统计学分析

采用IBM SPSS 26.0 软件进行数据分析。模型CRC的统计学分析采用Wilcoxon符号秩和检验，比较TOF-REM重建和OSEM重建的CRC。FDG摄取增高灶相对信噪比的统计学分析，采用卡方检验。摄取增高灶的直径和相对信噪比的关系采用Pearson分析。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 IEC球体模型的图像质量

6个模拟热区的球体在模型中间呈环形排列，内径依次为10、13、17、22、28、37 mm，图1为IEC球体模型在PET重建后得到的横断层影像，对应的是球体最大直径的层面，图1a为TOF-REM重建，图1b为OSEM重建，图1a和图1b对比可见，TOF-REM重建对直径为17、13、10 mm的小球，对比度高，显示更清晰，图像质量更好。

图1 IEC球体模型的图像质量

CRC是评估IEC球体模型图像质量的定量指标，表1列出了在TOF-REM和OSEM两种重建方式，6个球体的CRCmax、CRCmean以及提升百分比。由表1可知，对于直径22、28、37 mm的小球，两种重建方法CRC接近。对于直径17、13、10 mm的球体，TOF-REM重建的CRCmax和CRCmean提高明显。与OSEM相较，TOF-REM重建对于10 mm直径的球体，提升百分比高达68%。

表1 IEC模型不同球体直径（mm）TOF-REM和OSEM重建的CRC

2.2 FDG摄取增高灶的图像质量

2019年12月的26例患者，PET图像寻找直径＜18 mm的FDG放射性摄取增高灶，其中男性15例，女性11例，年龄中位数为56岁（45～72岁）。总共纳入65个FDG摄取增高灶，其中肺部32个，纵隔11个，腹部22个。图2是某一受检者的PET冠状位影像，分别为TOF-REM重建和OSEM重建，肺门处可见FDG摄取增高灶，TOF-REM重建的信噪比为3.8，OSEM重建的信噪比为2.6，相对信噪比为145%，提高接近50%。

图2 FDG摄取增高灶的图像质量

绘制65个FDG摄取增高灶的散点图，横坐标为增高灶的直径，纵坐标为相对信噪比（图3）。所有FDG摄取增高灶的相对信噪比都高于100%，区间在107%～182%，说明在数字化PET/CT平台上，TOF-REM重建对于体内的FDG摄取增高灶，提高了信噪比，普遍提高了图像质量。对直径≥15 mm的摄取增高灶，相对信噪比为125%的水平；对直径＜5 mm的摄取增高灶，相对信噪比可达170%以上。FDG摄取增高灶的直径与和相对信噪比的相关性分析，Pearson相关系数为-0.35（P=0.08），TOF-REM重建对小的摄取增高灶，相对信噪比更高，图像质量提高更多。

图3 FDG摄取增高灶直径与相对信噪比的散点图

3 讨论与总结

提升图像质量是PET/CT技术进步的原动力，近年PET/CT的硬件技术飞跃有数字化探测器，软件算法的进步有正则化重建[6]，为了解数字化PET/CT正则化重建对图像质量的影响，本研究通过IEC模型和FDG摄取增高灶，评估图像质量的变化。

本研究方法学的创新点之一是数字化PET/CT和正则化重建两种新技术的联合应用。数字化PET/CT的自问世以来备受关注，Danielle等[9]对乳腺癌患者在传统PET/CT和数字化PET/CT显像下的图像质量进行对比，证明数字化PET的图像质量优于传统PET，肿瘤的TNM分期更加精准，从而带来更精准的治疗方案。正则化使用相邻体素间差异的函数，充当噪声抑制项，从而抑制噪声，增加迭代更新，是新兴的重建算法。用于PET重建的正则化有两种，块序正则化和飞行时间正则化。块序正则化重建对肺结节，肉眼观察可改善图像质量，对于直径＜10 mm 的肺结节，能明显提高SUVmax，但不能鉴别结节的良恶性。块序正则化最重要的重建参数是惩罚强度因子β值，需要根据不同情况进行设定和优化，神经系统的最佳β值是200，FDG肿瘤学的最佳β值是350，如果β值＞400，肝脏会出现假阳性[10-11]。飞行时间正则化的核心在于引入特征提取和飞行时间的计算，初步研究表明，能够降低噪声，提高信噪比，病灶的边界更加清晰[6-12]。以上关于图像质量的研究，或就数字化PET/CT展开，或就正则化重建进行相关研究，尚未见数字化PET/CT正则化重建算法联合评估图像质量的研究。

采用相对信噪比评估FDG摄取增高灶的图像质量，是本研究方法学上的创新点之二。体内的FDG摄取增高灶，评估图像质量常用方法为SUVmax比值法[13-14]。SUVmax是PET/CT常用的半定量指标，局部组织摄取示踪剂的放射性活度与全身平均的注射活度的比值，SUVmax很好地反映了PET图像质量，但SUVmax比值法没考虑PET影像存在本底差异。在评估不同采集和重建条件的图像质量，相对信噪比是更好的评价指标，优于SUVmax比值法。相对信噪比具体步骤为：记录FDG摄取增高灶的SUVmax和纵隔血池本底区域的SUVmax，两者相除得到信噪比；然后对同一FDG摄取增高灶，两种重建方式的信噪比进行相除，得到相对信噪比。因为人体在FDG摄取达到平衡后，纵隔血池比较稳定，可以作为本底区域。去除了本底差异的影响，相对信噪比成为了评估FDG摄取增高灶更好的定量指标[15]。

本研究结果显示，在数字化PET/CT上，TOF-REM重建比OSEM重建提高了图像质量。对于直径较小的球体模型和FDG摄取增高灶，图像质量有更大的提高，有利于检出病灶。数字化PET/CT自问世以来备受关注，图像质量的相关研究百花齐放，Nghi等[16]报道了数字化PET/CT图像质量远优于传统PET/CT。Katherine等[17]在数字化PET/CT上就图像质量和18F-FDG显像剂的关系进行研究，传统PET/CT常规注射10毫居18F-FDG，数字化PET/CT能减少70%，最低可少至2.6毫居，确保好的图像质量，又减少了受检者的辐射剂量。Jun等[18-19]就图像质量和扫描速度的关系展开研究，数字化PET/CT在保证良好图像质量的前提下，能够实现每床位30 s的快速扫描。Francisco等[20]从SUVmax入手，量化分析数字化PET/CT图像质量的提高程度，提高可达36%。钇-90因为正电子的比例极低，对钇-90标记的玻璃微球传统PET/CT难以显影，但数字化PET/CT能够清晰显像，图像质量很好，开启治疗剂量学的研究[21]。以上图像质量的研究都是基于OSEM重建。正则化重建算法对图像质量的提高，赵斌等[10]已有报道，本研究结果显示，对直径＜10 mm 的高摄取灶，TOF-REM重建得到更好的图像质量。

本研究结果的先进性，进一步揭示FDG摄取增高灶的直径与图像质量提高程度这两者的关系。传统PET/CT因为空间分辨率及硬件瓶颈，直径较小的FDG摄取增高灶，难以清晰显示，也就没有研究报道直径＜10 mm这种相关性，本研究通过绘制FDG摄取增高灶的直径与相对信噪比的散点图，并进行相关性分析，明确了摄取增高灶直径越小，TOF-REM重建的图像质量提高越明显，两者存在相关性。另外本研究的表1显示，IEC模型随着球体直径变小，CRC的提升百分比增高，也印证这种相关性。

本研究存在一定的局限性，即重建参数，我们使用设备制造商提供的默认设置，进行OSEM和TOF-REM。虽然这些设置适用于临床，但这些设置有可能不是最佳设置。针对迭代更新次数、正则化R 值和PSF等重建参数的优化，有可能提高图像质量，这可以成为将来进一步的研究内容。