不同重建条件对一体化PET-MR图像空间分辨率影响的研究*

庄静文 谢 峰 吴天棋 白 玫*

不同重建条件对一体化PET-MR图像空间分辨率影响的研究*

庄静文①谢 峰①吴天棋①白 玫①*

目的：通过模型实验研究，对比不同重建条件对一体化PET-MR图像空间分辨率的影响。方法：参考美国电器制造商协会(NEMA)标准制备点源，使用美国GE公司的Signa PETMR设备进行扫描，选择不同PET图像重建条件重建图像，读取图像中点源的半高宽(FWHM)，对比飞行时间技术(TOF)、点扩散函数(PSF)、迭代次数以及衰减校正(AC)对于图像空间分辨率的影响。结果：使用PSF技术重建图像，电源FWHM在3.40 mm与4.31 mm之间，而未使用PSF技术重建的图像点源FWHM在4.56 mm与5.83 mm之间，故使用PSF可减小重建图像中点源的FWHM，而TOF和AC对点源FWHM影响不大。结论：PSF和迭代次数可以有效提高图像空间分辨率，TOF和AC对于图像空间分辨率影响不大。在临床使用PET-MR对病灶扫描时应将患者置于孔径中心，在对小病灶的诊断中，PSF技术的使用必不可少，且可根据实际情况适当增加迭代次数。

一体化PET-MR；重建方法；空间分辨率

近年来，多模式成像技术进展飞速，正电子发射计算机断层摄影术(positron emission tomography，PET)具有高灵敏度和精准定量的特点，但PET图像却不能清晰显示脏器的解剖结构，因此无法准确对病灶进行定位[1]。核磁共振(magnetic resonance，MR)技术可提供清晰的软组织解剖结构和准确的病灶位置，弥补了PET图像的不足。一体化PET-MR是将PET和MR两种技术有机结合起来的最先进的分子成像设备，由于其具有同时进行PET和MR成像的功能，并且降低了两者硬件之间的相互影响，已经被应用于临床前期研究和临床诊断中[2-3]。作为当今多模式分子显像技术[4]的前沿，PET-MR图像性能和质量已成为行业内关注的焦点，因此很多重建技术应运而生，并被应用于一体化PET-MR图像的重建以提高设备性能和图像质量。

衰减校正(attenuation correction，AC)使重建后的图像具有精准定量化功能，目前一体化PET-MR系统中应用于PET图像的AC方法是采用MR图像信息(即MRAC)，并使用图像分割技术获得脏器不同组织的成分，然后对PET图像进行AC[4]。飞行时间技术(time-of-flight，TOF)产生于20世纪80年代初期，是PET图像重建中应用十分广泛的一种技术，通过测量湮灭光子到达探测器的飞行时间，从而确定放射性核素分布的一种方法，TOF在提高图像信噪比、降低扫描时间的同时降低患者注射剂量[5-7]。点扩散函数(point spread function，PSF)是PET图像重建中另外一种技术，随着重建技术的发展，PSF已逐渐替代传统的线源扩散函数(linear spread function，LSF)，基于PSF的图像重建方法可以显著提高PET的图像边缘视野空间分辨率[8]。

PET图像空间分辨率是评价一体化PET-MR图像质量的重要参数之一，其定义是在重建图像中分辨相邻两个点的能力[9]。空间分辨率在一定程度上能够决定诊断的准确性，因此对于图像空间分辨率影响因素的研究十分必要。在传统影像学科中，调制传递函数(modulation transfer function，MTF)可以反映图像空间分辨率，通常可以利用PSF、LSF、系统边缘响应函数、线对卡等方法计算系统的MTF[10]。除此之外图像中点源的半高宽(full width at half maximum，FWHM)也能明确反映图像空间分辨率，点源的FWHM越小，图像的空间分辨率越高。本研究将使用计算重建图像中点源FWHM的方法来反映空间分辨率，并对比不同重建条件(AC、TOF、PSF及迭代次数)对空间分辨率的影响。

1 实验方法

1.1 点源制备

使用18F-氟代脱氧葡萄糖(18F-flurodeoxyglucose，18F-FDG)溶液制作点源。使用三根内径为1.0 mm的毛细管，用固体胶封住其中一端，另一端蘸取比活度≥925 MBq/ml的18F-FDG溶液，使毛细管内18F-FDG溶液的长度＜1.0 mm。参照美国电器制造商协会(NEMA)NEMA NU2-2007标准将3根毛细管平行于Z轴放置，3个点源中心位于同一平面，且分别位于此平面上点源1(0 cm，10 cm)，点源2(0 cm，1 cm)和点源3(10 cm，0 cm)处。

1.2 PET-MR设备和扫描方法

使用PET-MR(美国GE的Signa)进行扫描，Z轴扫描中心位于点源中心(如图1所示)。选择表面线圈(UAA)，先进行模型定位，然后进行MRAC和PET扫描，PET图像采集时间为11 min。

1.3 PET图像重建

图1 扫描示意图

在不同重建条件下使用有序子集最大期望值算法(ordered subset expectation maximization，OSEM)重建PET图像，重建选取矩阵大小为192×192，不同重建条件包括：是否使用AC、TOF及PSF；迭代次数分别设定为1和4；选取重建图像中3个点最清晰的所在层；使用Matlab编程分别求3个点源在X轴和Y轴方向上的FWHM与十分之一高宽(full width at tenthmaximum， FWTM)，参考NEMA NU2-2007标准计算中心点的(距离中心1 cm处)横向FWHM(FWHMTransverse)和轴向FWHM(FWHMAxial)，即分别为公式1和公式2[11]：

式中FWHMxx=0，y=1、FWHMyx=0，y=1、FWHMzx=0，y=1分别代表中心点(点源2)沿X轴、Y轴及Z轴方向上的FWHM。

参考NEMA NU2-2007标准计算边缘点(距离中心10 cm处)沿横向径向FWHM(FWHMTransverseradial)、横向切线FWHM(FWHMTransversetangential)和轴向FWHM(FWHMAxialresolution)，即分别为公式3、公式4和公式5：FWHMTransverseradial=(FWHMxx=10，y=1+FWHMyx=0，y=10)÷2(3)FWHMTransversetangential=(FWHMxx=0，y=10+FWHMyx=10，y=0)÷2(4)FWHMAxialresolution=(FWHMxx=10，y=0+FWHMyx=0，y=10)÷2(5)式中FWHMxx=0，y=10、FWHMyx=0，y=10、FWHMzx=0，y=10分别代表点源1沿X轴、Y轴及Z轴方向上的FWHM，FWHMxx=10，y=0、FWHMyx=10，y=0、FWHMzx=10，y=0分别代表点源3沿X轴、Y轴及Z轴方向上的FWHM。

2 实验结果

2.1 PSF、TOF及迭代次数对空间分辨率的影响

不使用AC时重建图像中点源的FWHM计算结果见表1、表2。其中使用TOF，迭代次数为4，使用与不使用PSF两张图像中点源1在Y轴方向上的FWHM对比如图2所示。

由表1及图2可知，使用PSF重建图像中点源的FWHM明显小于不使用PSF重建图像中点源的FWHM，即使用PSF可提高空间分辨率；而TOF对PET图像空间分辨率有改善，但是没有PSF明显。在使用PSF重建时，迭代次数越大，点源FWHM越小，图像空间分辨率越高，不使用PSF重建时，点源FWHM大小无明显规律，迭代次数对空间分辨率无显著影响。

表1 PSF及TOF对PET空间分辨率影响

表2 AC对PET空间分辨率影响

图2 FWHM计算示意图

2.2 AC对空间分辨率的影响

迭代次数为4时，重建图像中点源的FWHM计算结果见表2。无论在重建过程中是否使用TOF和PSF技术，AC对点源FWHM无明显影响，即AC对图像空间分辨率影响不明显。

3 讨论

国外有研究使用线源为扫描对象探求空间分辨率，但实验未达到预期效果[5]。因此，本研究实验采用点源为实验扫描对象，对比不同重建算法对图像空间分辨率的影响。实验同时测量了重建图像点源的FWTM，其结果中显示的规律与所测FWHM结果中显示的规律相近。

由实验结果可知，使用PSF可明显提高空间分辨率，而在使用PSF的情况下，增加迭代次数可明显提高空间分辨率。目前有研究表明，PSF技术可以显著提高PET重建图像的空间分辨率，尤其是与迭代重建技术相结合时效果更为显著[12-14]。

本研究在图像重建时所使用的有序子集最大期望值重建算法就是一种迭代算法，因此在使用PSF时重建图像中点源的FWHM明显小于未使用PSF时，这与现有研究的结果一致。本研究结果还显示，AC及TOF对空间分辨率的影响并不明显，现有研究多指出AC可以降低噪声、缩短扫描时间，而TOF可以提高图像的对比度和信噪比[15-16]。然而，这些研究并未提及AC和TOF对PET图像空间分辨率的影响。除上述规律外，实验结果还显示中心处的空间分辨率明显高于10 cm处，因此扫描时将患者置于孔径中心可以获得空间分辨率较高的图像。

4 结论

本研究对比了不同重建条件对图像空间分辨率的影响，其结果表明，PSF能够明显提高点源PET图像空间分辨率，与迭代次数和TOF技术结合后更加明显。因此，在临床使用PET-MR对病灶的诊断中，扫描时应将患者置于孔径中心，重建时PSF技术和TOF技术的使用必不可少，且可根据实际情况适当增加迭代次数，以提高图像的空间分辨率，增加诊断的准确度。而对于其他评价PET图像质量的影响因素有待进一步研究。

[1]吴泳仪，孙夕林，申宝忠.PET/MR联合成像的应用[J].放射学实践，2015，30(6)：617-621.

[2]赵珑，辛军，张少敏，等.PET/MR的图像融合精度测试研究[J].中国临床医学影像杂志，2014，25(12)：882-886.

[3]Delso G，Fürst S，Jakoby B，et al.Performance measurements of the Siemens mMR integrated whole-body PET/MR scanner[J].Journal of nuclear medicine，2011，52(12)：1914-1922.

[4]高艳，赵晋华.PET/MR衰减校正技术的研究进展[J].中国医疗设备，2015，30(7)：75-77.

[5]Suljic A，Tomse P，Jensterle L，et al.The impact of reconstruction algorithms and time of flight information on PET/CT image quality[J].Radioland Oncol，2015，49(3)：227-233.

[6]Budinger TF.Time-of-flight positron emission tomography：status relative to conventional PET[J].J Nucl Med，1983，24(1)：73-78.

[7]Boellaard R，Krak NC，Hoekstra OS，et al.Effects of noise，image resolution，and ROI definition on the accuracy of standard uptake values：a simulation study[J].J Nucl Med，2004，45(9)：1519-1527.

[8]辛军，赵周社，陆喆，等.比较TOF-PET和PSF-PET图像重建技术在临床中的应用价值[J].中国临床医学影像杂志，2012，23(8)：568-571.

[9]王风，赵伟，张岩，等.拥有“飞行时间”技术的PET/CT性能分析[J].中国医学装备，2012，9(7)：1-5.

[10]白玫，彭明辰.X线CT成像质量评估中的调制传递函数的测试与分析[J].医疗设备信息，2006，21(5)：11-13.

[11]National Electrical Manufacturers Association.Performance measurements of positron emission tomographs[S].NEMA Standards Publication NU 2-2007；Rosslyn，USA：National Electrical Manufacturers Association，2007.

[12]Alessio AM，Stearns CW，Tong S，et al.Application and evaluationof a measured spatially variant system model for PET imagereconstruction[J].IEEE Trans Med Imaging，2010，29(3)：938-949.

[13]Tong S，AlessioAM，KinahanPE.Noise and signal properties in PSF-based fully 3D PET image reconstruction：an experimentalevaluation[J].Phys Med Biol，2010，55(5)：1453-1473.

[14]Rogasch JM，Hofheinz F，Lougovski A，et al.The influence of different signal-to-background ratios on spatialresolution and F18-FDG-PET quantification using point spread function and time-of-flight reconstruction[J].EJNMMI Phys，2014，1(1)：12.

[15]柴培，聂彬彬，叶婷，等.CT用于PET衰减校正技术的研究进展[J].中国医学影像技术，2010，26(8)：1576-1578.

[16]Karp JS，Surti S，Daube-Witherspoon ME，et al.Benefit of time-of-flight in PET：experimental and clinical results[J].J Nucl Med，2008，49(3)：462-470.

Research on influence of different reconstruction condition for the spatial resolution of integrative PET-MR image

ZHUANG Jing-wen, XIE Feng, WU Tian-qi, et al

Objective:To compare the influence of different reconstruction condition for the spatial resolution of integrative PET-MR image through experiment research of model.Methods:The standard of NEMA was referred to produce point source, and the signa PETMR of GE was used to implement scan. Different image reconstruction condition of PET were used to reconstruct image, and then the FWHM of point source were obtained. The influences of TOF, PSF,iterations and AC for spatial resolution of image were compared.Results:The point source FWHM was between 3.40～4.31mm when PSF technique was used to reconstruct image, while it was 4.56～5.83mm without PSF technique. Therefore, PSF could reduce FWHM in reconstructed image. Besides, there were few influences of TOF and AC for FWHM.Conclusion:PSF and iterations could effectively enhance spatial resolution of image, while there were few the influences of TOF and AC for FWHM. In the scan for lesions by using PET-MR, patients should be placed on centre of aperture. And in the diagnosis for small lesion, the using of PSF technique is necessary, and the iteration should properly be increased as the actual situation.

Integrative PET-MR; Reconstruction method; Spatial resolution

Department of Medical Engineering, Xuanwu Hospital of Capital Medical University,Beijing 100053, China.

1672-8270(2017)11-0012-04

R812

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.11.004

庄静文,女,(1990- ),硕士，助理工程师。首都医科大学宣武医院医学工程处，研究方向：医学影像设备图像质量。

国家重点研发计划数字诊疗装备研发专项课题(2016YFC0103909)“PET/MR在神经系统疾病中的高级临床应用”

①首都医科大学宣武医院医学工程处 北京 100053

*通讯作者：jswei65@163.com

China Medical Equipment,2017,14(11):12-15.

2017-08-18