3D PET数据校正常用方法研究

俞王新，王之光，谢舒平

3D PET数据校正常用方法研究

俞王新，王之光，谢舒平

介绍了三维正电子发射断层扫描显像（three-dimensional positron emission tomography，3D PET）设备的数据校正常用方法以及临床数据校正流程，展示了各种校正在均匀圆柱模体重建图像上的效果，给出了2种评估数据校正准确性的方法，最后指出了PET数据校正下一步重点研究和解决的问题。

PET；数据校正；正电子；图像质量；定量分析

0　引言

正电子发射断层扫描显像（positron emission tomography，PET）是继电子计算机断层扫描（computed tomography，CT）和磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）影像技术后在生物医学工程领域出现的全新尖端科技，专门用于人体或动物在分子水平上新陈代谢的功能成像。它集材料学、核物理、放射化学、计算机技术、医学影像技术和分子生物学技术之大成，可以在无创伤的情况下进行功能、代谢和生理显像，被誉为21世纪医疗设备的高科技之冠。PET作为当前医学界公认的最先进大型医疗诊断成像设备，可广泛应用于肿瘤学[1-2]、神经学[3]、心血管[4]、基因工程[5]、药物开发[6]等医学领域。

PET采集模式有二维（2-dimension，2D）和三维（3-dimension，3D）2种模式。3D采集模式能充分利用投影数据，减少放射性药物用量，同时有助于提高采集的信噪比，是目前PET影像设备发展的主流[7]。但是3D模式也带来了一定的问题，比如重建时间较长、散射事件占比较高等。本文基于PET影像设备开发的经验概述了3D采集模式下商用PET常用的数据校正方法。

1　3D PET数据校正

1.1探测器效率校正

由于成千上万晶体本身物理特性的差异以及后端光电倍增管增益的不同，导致每根晶体捕捉伽马光子的能力不同。探测器效率校正的目的在于使得每根晶体的探测效率保持均匀[8]。

用直接法[9]设计一种采集模式，让所有的晶体接受大致相同剂量的辐射。如果晶体效率是均匀的，那么每条线响应（line of response，LOR）上的计数值应该相同。这样就可以用每条LOR计数的倒数来对该条LOR进行效率校正。

但直接法存在一些问题：（1）一般需要很长时间进行数据采集以保证足够多的统计计数；（2）使用源必须非常均匀，否则校正的结果就会出现偏差；（3）校正数据采集中的散射和实际成像的散射分布可能不一致。

一般临床上采用间接法[10-11]来解决这些问题。间接法把校正因子分成几个独立的部分，LOR上的总校正因子就是这几个独立因子的乘积。为了提取这些独立因子，一般用圆柱模体放置在视野（field of view，FOV）中心进行数据采集。

1.2几何校正

从某一点发出单个伽马光子被某个晶体探测到的几率和该晶体的收集角有关，即和发射点到晶体距离的平方（d2）成反比。某一点由湮灭发出背靠背的伽马光子对同时被探测到的几率和成反比。探测环近似为圆筒形，横断面（transverse）内离圆心越远的LOR距离越短，这种由几何结构导致的收集角的差异称为几何效应。

2　临床PET数据校正

临床PET数据校正流程如图1所示。为了能有直观的感受，因此，给出了几种数据校正对PET图像质量的影响（如图2所示），该数据在头颈部PET系统[21]上获得。实验采用20 cm直径的圆柱模体，放射性活度均匀分布。死时间校正、核素衰变校正和标准摄取值刻度不影响图像的对比度，也不会对图像造成伪影，但影响图像的定量精度，因此没有给出实验结果。从图2的实验结果可以看到，不正确的探测器效率校正将会导致严重的放射状以及环状伪影，衰减校正、散射校正、随机符合校正、几何校正的错误会导致图像中间区域的数值偏低或偏高。

图1　临床PET数据校正流程

图2　各种校正对均匀圆柱体图像的影响

3　数据校正的评估

数据校正对于PET的图像质量影响是至关重要的。可以通过以下2种方法评价数据校正的准确性、有效性：

（1）通过肉眼观察放射性均匀的圆柱模体重建图像来定性地评价数据校正效果。探测器效率校正如果处理不好将会在图像上造成明显的环状和放射状伪影，通过肉眼观察就能定性地评价，如图2（a）所示。明显的衰减校正、散射校正错误也能通过该方法来评估。

（2）参照NEMA NU2—2001[22]标准进行定量分析。NEMA NU2—2001标准内有详细的方法来定量评价图像的死时间校正、随机符合校正、衰减校正、散射校正的准确性。该方法需要使用专用的模体。

4　数据校正方法展望

随着PET技术的发展，飞行时间PET（time of flight-PET，TOF-PET）由于能够在同样采集数据量下提高图像的信噪比，已成为PET的发展方向。涉及TOF-PET方面的数据校正，如果符合时间窗校正，就会成为以后研究的方向。此外，由于扫描物体不可避免的运动，如呼吸、心跳，因此会引入运动伪影影响图像质量。如何进行有效的运动伪影校正也是目前研究的主要方向。

5　结语

数据校正对于PET的图像质量影响是至关重要的。探测器效率校正、几何校正、随机符合校正、散射校正、衰减校正等会影响图像的对比度和伪影，而死时间校正、核素衰变校正和标准摄取值刻度只是对图像值进行比例缩放，因此数据较正只对定量精度有影响。本文重点介绍的这类基本3D PET数据校正方法中，飞行时间PET相关的数据校正以及运动伪影校正将是目前研究的主要方向。

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（收稿：2014-11-10修回：2015-04-20）

（栏目责任编校：李惠萍）

Data correction methods for 3D PET

YU Wang-xin1,WANG Zhi-guang2,XIE Shu-ping1
（1.Shanghai Center for Biomedical Engineering,Shanghai Institutes for Biological Sciences of CAS,Shanghai 201201,China;2.Pingsheng Healthcare(Kunshan)Inc.,Kunshan 215341,Jiangsu Province,China）

The commonly used data correction methods and clinical data correction workflow of commercial three-dimensional Positron Emission Tomography(3D PET)were introduced.The impact of various corrections on the reconstructed image was demonstrated with a uniform cylinder.Two ways of validating the data corrections were given.Finally,some key problems remaining to be resolved were discussed.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（10）：113-115，127]

PET;data correction;positron;image quality;quantitative analysis

[中国图书资料分类号]R318；TH774A

1003-8868（2015）10-0113-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.10.113

2013年度昆山市产学研联合项目（2013010209）；2013昆山市科技型企业技术创新资金项目（KC1319）

俞王新（1980—），男，博士，助理研究员，主要从事分子影像设备数据校正、图像重建、信号处理等方面的研究工作，E-mail：wxyu@sibs. ac.cn。

201201上海，中国科学院上海生命科学研究院上海生物医学工程研究中心（俞王新，谢舒平）；215341江苏昆山，平生医疗科技（昆山）有限公司（王之光）

几何校正的思想是设计一种模体，使其在没有几何效应下沿某个投影方向的LOR计数是均匀的，而测量到的不均匀性就是几何效应的结果。一般常用的模体为平面源[11]。由于平面源的散射可以忽略，垂直于平面源的那些LOR具有相同的计数值，探测到不均匀性就是由于几何效应所导致。探测器效率校正结合几何校正称为探测器归一化（normalization）。

1.3随机符合校正

一对探测器探测到随机符合事件的几率和每个探测器上单事件（single event）发生的几率以及时间窗有关。假设第i个探测器探测到单事件的几率为ri，第j个探测器探测到单事件的几率为rj，且2个通道相互独立，符合判断时间窗的宽度为τ，那么由这2个探测器形成的LOR上探测到随机符合事件的几率为Cij=2τrirj。因此，随机符合发生率和放射活度成平方关系。

在实际放射成像过程中，随机事件可能占据所有符合事件的很大一部分，特别在大剂量放射以及3D的情况下。它可以通过减小时间窗来减少符合事件，但是需要足够长度的时间窗来保证不丢失真事件。时间窗的设定是一个折中，一般时间窗设定为时间分辨力半高宽（full width at half maximum，FWHM）的3～4倍。

随机事件的分布相当均匀，和真实事件相比不受到活度聚集以及衰减的影响。因此，在高衰减区域中随机事件占有很大的比重。如果不校正，将造成明显的定量错误。目前使用最多的随机符合校正方法是通过延时通道进行符合判断。为了降低噪声带来的误差，往往将延迟通道数据进行平滑处理[12]，从测试数据中扣除延时符合事件就完成了随机符合校正。

1.4散射校正

3D采集模式下，散射事件的比例远远高于2D模式，因此散射校正对于3D PET的图像质量有很大影响。散射校正的方法大致有3种：（1）基于能窗的方法[13]。该方法同时在多个能量窗中采集数据，假设散射事件在不同能量下分布不变，通过比例缩放可从高能窗中扣除散射部分。由于不同能窗下散射分布会有所差异，该方法只是一种较近似的方法。（2）背景拟合方法[14]。该方法首先在正弦图空间用函数（高斯、抛物线）拟合每一个投影的一维数据，然后正弦图每一行都扣除拟合函数。该方法的特点是速度快、操作简单，但是对拟合区间的位置比较敏感。（3）单次散射模拟（single scatter simulation，SSS）方法[15-16]。该方法正向计算单次散射的分布，通过本底拟合缩放计算出实测数据中的散射。此方法准确性高，已用于商用产品，缺点是计算量较大。

1.5衰减校正

独立PET设备一般采用透射扫描衰减校正的方法，即多个137Cs或者68Ge棒源围绕探测环中心轴匀速旋转，保证所有的探测晶体接收到同等强度的辐射。该方法需要采集一次无患者的空扫描，一次有患者的透射扫描。对每条LOR可以得到一个校正因子：η=Ia/I=exp（∑μiDi），其中Ia为空扫描数据，I为测得的透射扫描数据。空扫描不需要每个患者都做，每隔一段时间做一次就可以。与棒源靠得近的探测模块接收到的光子通量很高，所以死时间较高是该方法的一个主要缺陷，这将导致透射扫描时间延长。

目前的商用PET/CT机上一般采用将CT图像转换成衰减系数图的方法进行衰减校正[17]。它通过转换公式，将CT图像转换成511 keV能量下的衰减系数图，通过正投影变换为用于衰减校正的数据。在某些PET局部扫描中，也有通过PET数据来估计衰减系数分布图的方法[18-19]进行衰减校正。

1.6死时间校正

一个511 keV的光子在晶体中发生作用被吸收时发出可见光，微弱的可见光通过光电倍增管放大后产生一个脉冲，后端电路根据脉冲记录下光子的能量和位置。如果在同一符合窗内有2个单事件就产生了一次符合事件（或符合计数）。整个流程的每个环节都需要消耗一定的时间。完成上述一次流程所需要的总时间定义为死时间。在这段时间内系统不能处理第二次事件（符合计数），因此将会导致事件的丢失。

最简单的死时间校正方法就是建立一张列表，通过查表的方式得到不同放射性剂量下的校正系数，这种方法属于总体上的校正，但是不能有效地描述于放射活度的空间分布不均匀所导致不同模块死时间的不同。

进行死时间校正有一种更加准确的方法：如果测量条件允许，就独立地测出每个模块的“活时间”；如果无法测量，就根据系统的构架建立一个经验模型，然后用这个模型去拟合实验数据。将一系列测量出来的或者模型拟合出来的系数进行组合来校正采集数据。

1.7核素衰变校正

从注射核素的时刻到扫描的这段时间内由于核素的衰变导致计数的丢失。注射时刻活度A0，经过时间t之后剩余的核素活度为A（t）=A0exp（-λt），其中λ为核素衰变系数。以F18为例，大约119 min就会衰减掉一半。为了保证定量分析的准确性，需要将图像的计数值调整到核素注射的时刻[20]。

1.8标准摄取值（standarduptakevalue，SUV）刻度

PET数据经过以上校正之后图像的像素大小并不能够和放射性浓度建立对应关系，因此需要通过标准摄取值SUV刻度将灰度值转换成浓度值。SUV值的定义为：SUV=单位体积放射活度（Bq/g）/[注射的放射活度（Bq）/体质量（g）]。其中，单位体积放射活度=像素灰度值×SUV刻度系数。通常，SUV刻度系数通过放射性均匀的圆柱模体来实验得到。由于圆柱体完全均匀，所以SUV值等于1。根据定义就可以计算出SUV的刻度系数。