不同采集矩阵与函数重建对SPECT影像质量影响

王渊恺张光明韩 芳刘从进刘兴党

在医学影像显像中,灵敏度、密度分辨率、空间分辨率、能量分辨率、灰雾度、信噪比等术语和定义用来描述影像质量优劣。空间分辨率是影像质量中的一个重要指标,关系到临床诊断的准确性[1-3]。本实验研究了SPECT显像中不同采集矩阵与函数后重建对图像质量影响。

方 法

使用西门子E.CAM双探头可变角SPECT扫描仪,放射性核素为99mTc,物理半衰期为6.02h,采集能峰140keV±10%。前台软件版本e.soft Version:2.1.6.5,仪器质控符合上海市核医学质控中心标准。实验分平面显像、断层显像两部分来研究。平面显像选用低能高分辨准直器(平行孔),断层显像选用低能高分辨准直器与扇形准直器两种不同的准直器。并通过调节采集参数、重建参数来取得不同的图像效果。

1.不同采集矩阵与函数后重建在平面显像上的研究

1.1 通过质控模型研究不同矩阵下的系统分辨率:操作中放射源制备的参数依据GBT 18988.2.2003(放射性核素成像设备性能和试验规则第2部分:单光子发射计算机断层装置)及西门子仪器说明书中相关要求操作。使用西门子所提供的点源容器制作3个点源,电源直径为不大于2mm的球体,活度约为40MBq。3个点源所在平面平行于探头,1个点源置于探头中点正上方,另外两个点源置于探头X轴与Y 轴上,距离中点45mm 处。固定选用zoom3.2,以1号探头为基准,在距离准直器100mm处,并设置128×128、256×256、512×512三种矩阵,采集50k计数。在采集的点源图像上画3条直线,计算其径向半高宽(FWHM)(按光电倍增管六边型形状,对角线画3条直线),以反映在不同矩阵下空气介质中的系统分辨率。

1.2.通过临床实例来研究不同矩阵与函数重建下的平面显像图像质量:随机取5位做甲状腺显像受检者,在常规采集的基础上加做矩阵256×256,(常规采集选用zoom 3.2,以1号探头为基准,矩阵128×128)。随机取3位做骨扫描受检者,使用矩阵256×256、512×512对其胸腰段做平面显像,观察肋骨与脊柱的显像情况(选用zoom 1.0,双探头)。以上均采集单帧500k计数,探头尽可能贴近检查者。甲状腺显像中矩阵256×256数据使用e.soft内置的重建方法进行后重建,并与常规采集的矩阵128×128图像做比较,由2名医师来判断影像质量。评分A:定义图像边缘最平滑的图像为5分,图像边缘最锐化的图像为-5分,不经过算法重建图像为0分,分为空域滤波 (spatial filter)与频域滤波(frequency filter)两组,对所有e.soft内置的重建方法系统的进行比较。评分B:重建后图像与矩阵128×128作比较,比矩阵128×128差的为0分,相似的为1分,图像有所改进的为2分,明显改善的为3分。重建参数的选取参考既往文献或取与相似的参数值[3-9]。

2.不同采集矩阵与函数后重建在断层显像上的研究

2.1 通过Jaszezak模型研究不同矩阵与函数重建下的图像质量:Jaszezak模型的提供与采集参数选取按照上海市核医学质控中心要求。采集参数低能高分辨准直器,zoom 1.0,双探头自动贴近共采集64帧,使用矩阵128×128,单帧900k计数、600k计数,矩阵256×256,单帧900k计数、600k计数。数据使用Metz、Butter worth 、Generalized Hanning 、OSEM 函数重建,再加做Chang′s AC与不加做Chang′s AC[6,10-12],尽可能调整参数使图像质量更优。900k计数组研究图像热区、均匀度、线性变化,600k计数组研究图像冷区变化、评价影像质量。

2.2 通过临床实例来研究不同函数重建下的断层显像图像质量:随机取4位做脑断层显像受检者,采集使用扇型准直器与低能高分辨准直器。用Metz(0.75,15)、Butter worth(0.7,5)、Generalized Hanning(0.75,0.65)、OSEM(4个子集,5次迭代)函数重建,重建使用相同的放大系数,并使靶器官的影像占据视野的80%,再加做Chang′s AC(0.11)与不加做Chang′s AC[1,6,9-12],扇形准直器采集未作OSEM 函数重建,重建时听眦线平行与水平线。综合两种准直器数据,以经前连合的横断面为基准,观察该断面图像对比度[12],并分析总体图像的质量情况。

结 果

3种不同采集矩阵空气介质中的系统分辨率。在距离准直器100mm处,分辨率128×128像素尺寸为3mm,FWHM为8.36mm±0.75mm;分辨率256×256像素尺寸为1.5mm,FWHM 为7.25mm±0.53mm;分辨率 512×512像素尺寸为 0.7mm,FWHM为5.95mm±1.07mm。

通过8组数据显示,随着矩阵增加脏器外表轮廓更为清晰,空间分辨率明显提高,但灵敏度下降,实测计数/每像素随矩阵的变大而减少,采集时间不随矩阵的增加而增加,最大振幅3s。结合2位医师的经验,高矩阵采集脏器外表轮廓清晰,病灶定位方便、准确,但甲状腺结节的分辨稍微变得困难,他们均愿意看高分辨率的图像。矩阵256×256的甲状腺图像进行后重建的结果见表1。

2名医师均认为Hamming(0.7,0.8)重建的图像质量最优,更利于影像诊断 (图1),Band Limiting(0.7)重建的图像最接近与矩阵128×128图像效果。矩阵128×128图像无法通过重建得到与矩阵256×256相似的效果,图像经过函数锐化以后,影像信息量下降。选用不同的函数参数,图像结果差异较大。

表1 多种滤波后重建结果

图1 甲状腺平面显像。从左往右依次为矩阵128×128、矩阵 256×256、矩阵256×256[Hamming(0.7,0.8)重建]图像。

3种频域滤波函数使用不同参数,能达到相似的图像效果,高矩阵的图像需使用较小的截止频率。不同函数重建对图像观察效果分析,热区、冷区:Butter worth＞Metz=Generalized Hanning＞OSEM;均匀度、线性:OSEM＞Metz=Butter worth=Generalized Hanning。如果在函数重建中加做Chang′s AC,均匀度、冷区观察时图像中央会出现过载,但有助于提高热区、线性观察。两组不同计数采集中高矩阵比低矩阵图像采集均多96s,考虑放射性核素衰变,采集时间差异可以不计。高矩阵采集图像信息量大,通过函数重建可以得到多种图像效果,而受函数重建参数选择范围影响,低矩阵采集图像无法获得高矩阵图像在高空间分辨率的效果。

但使用Chang′s AC处理的图像,比原有图像的脑室增大、皮质变薄、基底节区断层对比度升高。低能高分辨准直器下经前连合的横断面图像不同函数重建后对比度结果见表2,可以看出经Chang′s AC重建后方差计数加大,图像对比度加强。2名医师均认为使用Metz或 Butter worth滤波重建后,经过Chang′sAC处理得出的图像更趋向于真实。

表2 经前连合的横断面不同函数重建对比度

讨 论

由于用户屏幕分辨率有限,过高的分辨率采集不能带来更好的显示效果,SPECT图像的空间分辨率远远不如X线图像的效果,所以过高的矩阵 (如矩阵1024×1024)没有进行测试。在显像中提高采集矩阵,以此所获得分辨率更好的图像,且不额外增加采集时间。高矩阵采集图像可以通过后重建转换为与低矩阵图像相同的效果,而低矩阵图像却不能通过后重建转换为于高矩阵图像相同的效果。高矩阵采集影像所获信息量大。

Metz滤波法可分为Metz、Mezt[s]、Metz[F]后两组滤波方法没有Cu t Off参数,只有FWHM参数,在临床使用中极易混淆。有些文献中指出单独使用Metz做脑断层图像重建[10],所以我们尝试使用多组Metz的重建参数对图像进行重建,并与单独使用Butter worth进行图像重建的结果比较,Metz算法与Butter worth算法相比差异不明显,与既往文献相仿[11]。在断层显像中Chang′s AC有助于提高感兴趣区影像质量值得推广。笔者尝试在图像经Mezt[s]预重建后,再加做OSEM 重建,图像效果比单做OSEM 有所提高,但多步骤重建常引发电脑死机,并不值得推广。脑断层采集图像只需使用Metz或Butter worth重建后,经过Chang′s AC处理得到符合临床要求的影像。

许多文献提到函数重建最佳的图像是在150～170k计数的图像[7,10],因为仪器在空气介质中空间分辨率有限,且临床操作要求不同,我们应该选取符合自己要求的重建函数及参数,可以参考国内外文献上的重建函数及参数。笔者尝试在空域滤波中自己编写条件较为极端的函数,对一些图像细微结构的变化与辨识很有帮助。

本研究使用的仪器与前台工作站均为西门子公司产品,多种近几年流行的新滤波函数无法在本次实验中使用略有遗憾。研究认为在采集中综合考虑各种物理知识,选用合适的探头、准直器、晶体、zoom、采集能窗、采集计数等条件,建议使用高矩阵采集获得高空间分辨率图像,并依据对图像平滑或锐化要求,选用合适的后重建函数,获得更多的图像效果,更好的影像质量,有助于提高临床诊断。

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