OSEM重建的设置对于99mTcO4-SPECT/CT定量准确性的影响

西安交通大学第一附属医院 核医学科，陕西 西安 710061

引言

定量SPECT/CT在核医学临床应用和研究领域逐渐发挥重要的作用并有着很广阔的发展前景。许多研究表明定量SPECT的价值和意义，比如111In、123I和177Lu用于靶向诊疗和辐射剂量的规划[1-3]，利用99mTc和201Tl评价局部心肌血流和冠状动脉血流储备[4-7]，以及放射性药物在体内的生物分布和辐射剂量评估等[1,8]。与此同时，SPECT成像的定量准确性也随着硬件和软件的发展而得到了进一步的提升，其中包括融合SPECT/CT系统[9]、图像重建算法[10-11]，光子的衰减校正和散射校正技术[10-13]。

针对SPECT图像重建方面，迭代算法相比于非迭代算法（比如滤波反投影算法）很大程度提升了定量的准确性[14-15]。有序子集最大期望值（Ordered-Subset Expectation Maximum，OSEM）重建作为一种标准的迭代重建算法，已经被广泛用于SPECT和PET的图像重建。这种算法的原理是将图像数据分成不同的子集然后利用最大期望值算法处理这些子集[16]。子集的使用可以使收敛率在早期的迭代过程中得到很大的提升[17]。在OSEM重建算法的迭代次数方面，定量的准确性随着迭代次数的递增而得到提升；另一方面，图像的噪声也放大了，这就不利于图像的显示。目前的临床应用一般使用较少的迭代次数来提升图像的质量，这就牺牲了定量的准确性。而针对临床条件下SPECT图像定量准确性和OSEM重建参数设置（包括子集数和迭代次数）的关系，目前相关研究较少。而对于SPECT/CT的临床应用来说，能够评价定量的准确性并对定量结果进行校正是至关重要的，特别是对于那些小于三倍空间分辨率的病灶或靶器官（即部分容积效应）[18]。SPECT定量准确性有助于制定治疗计划、疗效评估和预后随访的准确度，增加临床医生诊断的信心。

本研究通过模型数据测定的恢复系数（Recovery Coefficient，RC）评价99mTcSPECT/CT模型不同OSEM重建参数（包括子集数和迭代次数）的定量准确性，进而制定临床上最佳的OSEM图像重建参数设置，明确RC与病灶大小之间的关系，以实现不同大小的病灶进行定量参数的校正。

1 资料与方法

1.1 模型图像采集

采用NEMA/IEC图像质量模型，其中6个球（37、28、22、17、13、10 mm）和本底内分别灌注153.67 Kq/mL和7.03 KBq/mL99mTcO4-，热球-本底活度比为18:1。利用Discovery 670 pro NM/CT （GE Healthcare，美国）进行断层图像采用，配备低能高分辨准直器，能峰140 keV，能窗±10%，SPECT断层采集6°一帧，采集时间为30 s/帧，矩阵128×128。CT采集，电压120 kV，电流80 mA，旋转时间0.6 s，螺距1.375:1，矩阵512×512，层厚2.5 mm。

1.2 图像重建及分析

1.3 统计学分析

采用IBM SPSS 22.0软件分析数据。应用回归分析RCmean值与热球体积之间的关系及曲线拟合。P＜0.05认为差异有显著统计学意义。

2 结果

NEMA/IEC模型的断层图像（图1）显示，当迭代次数为2时图像质量最高，热球显示最清晰，边缘轮廓清晰，形状最规整；但随着迭代次数增加，图像质量逐渐降低，热球显示越来越模糊，形态越来越不规整，同时背景噪声越来越明显。

图1 NEMA/IEC模型SPECT横断层图像（热球中心水平层面，子集数为10）

所有热球的RCmean值均随着迭代次数增加而增加，直到迭代50次，当迭代60或70次时，RCmean值增加逐渐变得不明显或出现轻度下降，见图2。当迭代由2增加到10时，RCmean值增加的幅度最大（10 mm除外）。随着迭代次数增加，热球RCmean值的增加小于迭代线性增加的幅度，当迭代由2到10、20到30、40到50、60到70时，17 mm球RCmean值相对增加的幅度分别为10.2%、10.2%、2.9%和1.3%。其中13、17、22 mm球的RCmean随迭代增加而增加的趋势最明显，28 mm和37 mm球不同迭代的平均RCmean值分别为86%和92.8%。但是，随着子集数由5、10、15、20到25，所有热球的RCmean无明显差异（图3）。

图2 不同迭代次数对NEMA/IEC模型热球RCmean值的影响（子集数10）

图3 不同子集数对NEMA/IEC模型热球RCmean值的影响（迭代次数=50）

当迭代50次子集数为10时，回归分析结果显示SPECT图像测定的热球RCmean与热球直径（CT横断层图像热球中心水平层面测定）之间呈非线性变化，函数关系为对数函数形式，预估曲线模型为y=0.167ln(x)＋0.486，R2=0.93（图 4）。

图4 SPECT图像测定的RCmean与热球体积之间的回归分析结果（OSEM重建参数为迭代50次、子集数为10）

3 讨论

本研究分析了99mTcSPECT/CT图像不同OSEM重建参数对定量准确性的影响。结果表明，当OSEM重建过程中随着迭代次数的增加13、17、22 mm热球RCmean也逐渐增加，当迭代次数=50次时，99mTcSPECT/CT定量准确性最高。然而，对于不同的放射性示踪剂、准直器和临床扫描方案（例如扫描时间、成像参数等）也需要改变最佳OSEM重建的迭代次数。Gnesin等[19]关于99mTcO4-SPECT定量准确性研究中采用NEMA模型OSEM迭代次数为4～48次（4、8、12、16、20、24及48次），结果显示直径10、13、17、22 mm热球的RC随迭代次数的增加而增加，迭代次数为48时RC最高，对于28和37 mm热球，其定量准确性的误差＜5%，与本研究的结果相似。但是，Ryu等[20]研究结果显示NEMA IQ模型10、13、17、22、28、37 mm热球的RC略低于本研究的结果，其原因可能是不同设备的探头晶体探测能力不同，另外，其采用不同的热球-本底放射性浓度比值（7.2:1）和不同的OSEM重建参数（迭代4次、子集数为6）。Zeintl等[21]研究提出RC高度依赖于OSEM的迭代次数，尤其对于小于系统分部率3倍的病灶或器官，另外，提出当32次迭代时99mTc模型的定量准确性误差为3.6%，其95%可信区间为-19.4%至+12.2%。但针对177Lu的模型研究提出OSEM重建参数为5或6次迭代，且子集数10时小体积热球达到收敛效最佳，同时图像噪音最小[22-23]。也有研究提出111In SPECT/CT剂量学分析及治疗计划定量分析中推荐使用30次迭代（20个子集或5个子集）进行OSEM重建[24-25]。而Shcherbinin等[26]188Re SPECT内照射剂量分析定量研究中采用4次迭代和8个子集数的OSEM重建参数。同时本研究还提出不同子集数（5、10、15、20和25）对NEMA/IEC模型热球RCmean无明显影响，在SPECT定量临床实践中，可直接采用设备默认子集数10。因此，根据本研究的结果，推荐使用迭代50次子集数10为最佳OSEM重建参数，可适应于99mTcSPECT定量分析、病例分层及疗效评估等临床应用。然而，这种迭代次数的增加仅适用于99mTcSPECT/CT定量，而不适合图像细节观察，NEMA/IEC模型断层图像随着迭代次数增加其噪声明显增加，临床上可通过降低迭代次数以用于提高图像质量，因此，需要在定量准确度和图像质量之间进行权衡。

另外，本研究应用50次迭代和子集数为10的OSEM重建时，回归分析结果显示RCmean与病灶的体积之间呈非线性变化，函数关系为对数函数形式，具有高拟合度（R2=0.93）。在此分析结果的基础上，模型的建立为不同大小病灶的99mTc-高摄取SPECT/CT定量准确度提供技术依据，对于小病灶的部分容积校正非常有帮助[27]，可提高小病灶SPECT/CT定量的准确度[28-32]。

综上所述，在OSEM迭代次数方面，99mTcO4-SPECT/CT图像的定量准确性随着迭代次数的递增而得到明显提升，尤其对于小病灶，当迭代50次时，可达到最大收敛。而子集数对定量准确性无明显影响。当迭代50次、子集数为10时， RC与热球体积之间存在确定对数函数关系，为不同大小病灶的99mTcO4-SPECT/CT定量参数的校正提供可靠的理论依据。但针对不同99mTc摄取程度的病变需要进一步通过不同热球-本底比值的NEMA/IEC模型RC结果以进行更准确的校正。