黃克敏，馮彥林，梁偉棠，李 林，馮葉霞，鄧大浪，賀偉平

(佛山市第一人民醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科，廣東 佛山 528000)

近年來，隨著SPECT/CT在臨床的廣泛應(yīng)用、計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步以及各種校正技術(shù)的完善，SPECT已可測量絕對放射性活度(kBq/cm3)或標(biāo)準(zhǔn)攝取值[1]。與PET比較，SPECT系統(tǒng)分辨率相對較低，其定量計(jì)算結(jié)果更易受衰減、散射、部分容積效應(yīng)以及重建算法和重建參數(shù)等的影響[2]。本研究通過模型實(shí)驗(yàn)，探討不同重建算法及有序子集最大期望值法(ordered subset expectation maximization, OSEM)迭代次數(shù)和子集數(shù)對SPECT/CT定量計(jì)算結(jié)果的影響。

1 材料與方法

1.1 儀器與設(shè)備 采用Siemens Symbia T16 SPECT/CT儀，低能高分辨準(zhǔn)直器，空間分辨力6.76 mm，平面靈敏度87 k/(s·MBq)，配16排螺旋CT。采用Jaszczak圓桶模型(內(nèi)無插件)和NEMA/IEC體模(美國DATA SPECTRUM公司)，內(nèi)置熱區(qū)球體插件直徑分別為10、13、17、22、28、37 mm，容積分別為0.52、1.15、2.57、5.57、11.49、26.25 ml。

1.2 Jaszczak模型顯像 將圓桶模型注入放射性濃度為70.76 kBq/ml的99Tcm溶液，采用橢圓軌跡進(jìn)行跟蹤采集，矩陣128×128，放大倍數(shù)1.35，20秒/幀，共120幀。采用雙能窗，主能窗130～150 keV，散射窗110～130 keV，窗寬15%，步進(jìn)式360°采集。采用相同采集條件重復(fù)進(jìn)行3次數(shù)據(jù)采集。CT掃描參數(shù)為120 kV，150 mAs，層厚10 mm，螺距1.0。采用三維OSEM(3-dimensional OSEM, 3D-OSEM)重建圖像，6子集，8次迭代，采用CT衰減校正和散射校正，獲得每次顯像的斷層圖像。

1.3 系統(tǒng)容積靈敏度(Svol) 在SPECT和CT融合圖像中勾畫容積為3 000 ml的容積感興趣區(qū)(volume of interest, VOI)，Svol計(jì)算公式為[3]：

(1)

(2)

R為重建圖像VOI的總計(jì)數(shù)除以顯像時(shí)間(min)，T0為圖像開始采集時(shí)間，Tcal為活度測量時(shí)間，Tacq為圖像采集總時(shí)間，T1/2為核素半衰期。Svol的單位為單位活度的每分鐘計(jì)數(shù)(counts per minute/kBq, cpm/kBq)。

1.4 IEC體模顯像 采用IEC體模，對其熱區(qū)球體內(nèi)分別注入放射性濃度為764 kBq/ml的99Tcm溶液，其本底溶液放射性濃度為64 kBq/ml，熱區(qū)/本底比值為11.9。圖像采集參數(shù)同Jaszczak模型顯像。首先采用3D-OSEM進(jìn)行圖像重建，參數(shù)同Jaszczak模型顯像，然后選擇2D-OSEM(6子集，8次迭代)以及濾波反投影(filtered-back projection, FBP)重建，截止頻率4.5，陡度因子15，獲得不同重建算法的斷層圖像。采用3D-OSEM重建算法，固定子集16，迭代次數(shù)分別為1、2、4、8、12、16、20、24、28、32，固定迭代次數(shù)為8，子集數(shù)分別為1、2、4、6、8、10、12、16進(jìn)行圖像重建，獲得OSEM不同重建參數(shù)的斷層圖像。

圖1 IEC體模不同重建算法軸位同一層面圖像比較 A.CT圖像; B.FBP重建圖像; C.2D-OSEM重建圖像; D.3D-OSEM重建圖像 圖2 采用3D-OSEM重建，固定子集為16，選擇不同迭代次數(shù)重建圖像的比較 A～E.迭代次數(shù)分別為1、4、8、16、32

(3)

1.6 數(shù)據(jù)分析 將特定球體的絕對放射性活度(絕對定量值)與其通過活度計(jì)測量的真實(shí)放射性活度值(真實(shí)值)進(jìn)行比較，計(jì)算不同大小球體的定量誤差：定量誤差(%)=(絕對定量值-真實(shí)值)/真實(shí)值×100%。

1.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。3種重建算法間各球定量誤差的比較采用單因素方差分析,兩兩比較采用LSD-t檢驗(yàn)，球體定量誤差與球體容積、迭代次數(shù)和子集數(shù)的相關(guān)性采用Pearson相關(guān)分析，P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

利用Jaszczak圓桶模型顯像3次后，重建圖像的Svol為(13.32±0.24)cpm/kB。IEC體模不同重建算法軸位同一層面圖像見圖1，對于不同大小球體，3D-OSEM和2D-OSEM重建圖像質(zhì)量明顯優(yōu)于FBP重建圖像。不同重建算法中，不同大小球體的絕對定量值及定量誤差見表1。3D-OSEM、2D-OSEM和FBP各球體定量誤差均隨球體容積的減小而增大(r=-0.831、-0.831、-0.826，P均<0.05)，其中3D-OSEM和2D-OSEM重建圖像各球體的平均定量誤差(-46.05%和-55.34%)明顯小于FBP(-90.90%)。3種重建算法間不同大小球體平均定量誤差的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=8.850，P<0.05)，其中3D-OSEM小于2D-OSEM重建[(351.83±197.69)kBq/ml vs (422.83±163.54)kBq/ml，P<0.05)]，2D-OSEM小于FBP重建[(422.83±163.54) vs (694.50±36.03)kBq/ml，P<0.05)]。

表1 不同重建算法中不同大小球體的定量值(kBq/ml)及定量誤差(%)

注：各球體的真實(shí)活度值為764 kBq/ml

采用3D-OSEM重建圖像，固定子集為16，選擇不同迭代次數(shù)重建的圖像見圖2，目測不同容積球體圖像對比度及球體的清晰程度隨迭代次數(shù)的增加而明顯改善；不同容積球體定量誤差隨迭代次數(shù)的變化見圖3，各球體定量誤差均隨迭代次數(shù)的增加而減小，兩者呈負(fù)相關(guān)(r=-0.721、-0.681、-0.691、-0.711、-0.845、-0.893，P均<0.05)，但較大球體(5.57、11.49、26.25 ml)在迭代次數(shù)為1～8時(shí)其定量誤差變化明顯，12～32時(shí)其變化趨于平穩(wěn)；較小球體(0.52、1.15、2.57 ml)在迭代次數(shù)為1～16時(shí)其定量誤差變化明顯，20～32時(shí)其變化趨于平穩(wěn)。

采用3D-OSEM重建圖像，固定迭代次數(shù)為8，不同子集數(shù)重建圖像的比較見圖4，目測不同容積球體圖像質(zhì)量隨子集數(shù)的增加而明顯改善；不同容積球體定量誤差隨子集數(shù)的變化見圖5，各球體定量誤差均隨子集數(shù)的增加而明顯減小，兩者呈負(fù)相關(guān)(r=-0.670、-0.694、-0.717、-0.852、-0.956、-0.998，P

圖3 采用3D-OSEM重建圖像，固定子集為16，不同大小球體定量誤差隨迭代次數(shù)的變化

圖4采用3D-OSEM重建，固定迭代次數(shù)為8，選擇不同子集數(shù)重建圖像的比較 A～E.子集數(shù)分別為1、4、8、12、16

圖5 采用3D-OSEM重建圖像，固定迭代次數(shù)為8，不同大小球體定量誤差隨子集數(shù)的變化

均<0.05)，但較大球體(5.57、11.49、26.25 ml)在子集數(shù)為1～6時(shí)其定量誤差變化明顯，8～16時(shí)其變化趨于平穩(wěn)；較小球體(0.52、1.15、2.57 ml)在子集數(shù)為1～16時(shí)定量誤差隨子集數(shù)的增加而持續(xù)減小。

3 討論

近年來，隨著圖像重建技術(shù)和各種校正技術(shù)的進(jìn)步，SPECT重建圖像質(zhì)量不斷提高。尤其SPECT/CT的出現(xiàn)，基于CT的衰減校正使重建圖像中的衰減偽影明顯減弱。由于SPECT重建圖像提供的是放射性計(jì)數(shù)分布圖，進(jìn)行定量時(shí)必須經(jīng)一系列轉(zhuǎn)換計(jì)算，才可獲得以單位體積內(nèi)活度(kBq/cm3)為單位的絕對定量值[3]，目前，多項(xiàng)研究[4-6]結(jié)果均獲得了小于10%的定量誤差。本研究基于3D-OSEM重建、CT衰減校正、散射校正，在無部分容積效應(yīng)校正的情況下，容積為26.25 ml球體的定量誤差為-14.79%。

目前，PET和SPECT的重建算法可分為解析算法和迭代算法。不同算法對PET和SPECT圖像質(zhì)量的影響已有較多研究[7-9]。傳統(tǒng)解析算法(如FBP算法)不能對圖像進(jìn)行校正，抗噪聲能力較差，對于不完全采樣的數(shù)據(jù)及較小的病灶難以獲得滿意的重建圖像。本研究FBP重建圖像質(zhì)量明顯差于OSEM重建圖像，且因不能進(jìn)行有效的衰減校正和散射校正，各球體的平均定量誤差為-90.90%，不適合用于臨床定量計(jì)算。迭代法可根據(jù)成像條件引入與空間幾何有關(guān)或與測量值大小有關(guān)的約束條件，如可進(jìn)行探測效率歸一化、空間分辨不均勻、衰減、散射等校正，在相對不完全采樣、低計(jì)數(shù)等情況下可發(fā)揮其高分辨的優(yōu)勢，尤其3D重建技術(shù)可進(jìn)行深度響應(yīng)校正以及空間分辨率恢復(fù)等，提高了斷層圖像質(zhì)量及定量精度。本研究中，3D-OSEM重建時(shí)7個不同容積球體的平均定量誤差為-46.05%，明顯優(yōu)于2D-OSEM時(shí)的-55.34%以及FBP時(shí)的-90.90%。

OSEM算法將投影數(shù)據(jù)分為若干個子集，每次重建時(shí)使用一個子集對投影數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，重建圖像更新一次，所有子集均對投影數(shù)據(jù)校正一次，稱為一次迭代[10]。在理想狀態(tài)下，重建圖像分辨率將隨迭代次數(shù)的增加而增加，但噪聲也逐步被放大，同時(shí)子集水平的選取對重建圖像的收斂速度以及重建圖像的質(zhì)量有很大影響。子集水平越大，重建圖像的收斂速度越快，主要恢復(fù)圖像高頻元素信息；子集水平越小，圖像的收斂速度越慢，主要恢復(fù)圖像低頻元素信息。研究[11-12]表明，選擇迭代重建中不同迭代次數(shù)和子集將嚴(yán)重影響重建圖像質(zhì)量。本研究中，不同容積球體定量誤差均隨迭代次數(shù)和子集數(shù)的增加而減小，但不同容積球體間的變化出現(xiàn)明顯差異，較大球體定量誤差的變化在迭代次數(shù)>8和子集數(shù)>6后趨于平穩(wěn)。較小球體定量誤差的變化在迭代次數(shù)>16后趨于平穩(wěn)，而隨子集數(shù)的增加持續(xù)減小。因此，對于定量計(jì)算重建圖像最佳迭代次數(shù)和子集的選擇，應(yīng)根據(jù)不同噪聲狀態(tài)和不同病灶大小對分辨率和噪聲折中選擇。對于較大病灶以及高噪聲圖像，應(yīng)選擇相對低的迭代次數(shù)和子集數(shù)，以減少重建圖像的噪聲，對于較小病灶以及低噪聲圖像，應(yīng)選擇相對高的迭代次數(shù)和子集數(shù)，以恢復(fù)重建圖像的分辨率。

本研究表明，基于CT衰減校正和散射校正的3D-OSEM重建可獲得相對較高的定量精確性，而因FBP重建的定量誤差較大，不適合用于絕對定量計(jì)算。OSEM迭代次數(shù)和子集數(shù)也會顯著影響SPECT/CT定量計(jì)算結(jié)果，其最佳迭代次數(shù)和子集數(shù)的選擇應(yīng)根據(jù)圖像的噪聲狀態(tài)、病灶大小、臨床需求等進(jìn)行選擇。本研究只探討了不同大小球體在不同重建算法和OSEM重建參數(shù)時(shí)定量計(jì)算結(jié)果，未考慮部分容積效應(yīng)、噪聲狀態(tài)以及測量誤差等的影響，其對SPECT/CT定量計(jì)算結(jié)果的影響還有待進(jìn)一步探討；且本研究結(jié)果只適用于本機(jī)型。

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