一体化PET/MR不同衰减校正方式定量准确性分析及图像质量评估*

田德峰 杨宏伟 庄静文 崔碧霄 马 杰 严汉民 卢 洁*

在医学成像中，成像系统的性能需要定期测试和评估，以确保正常的功能和最佳的图像质量。对于正电子发射计算机断层显像(positron emission tomography，PET)扫描仪，美国国家电气制造商协会(National Electrical Manufactures Association，NEMA)制定了评估PET系统性能的标准[1]。当引入新系统时，这种图像质量控制测量还用于PET/MR成像中PET性能的测量，且在评估PET/MR成像性能的临床研究中比较依赖于NEMA IQ体模测量[2-4]。Drzezga A等[5]提到PET/MR图像的剂量优化研究也依赖于NEMA IQ体模测量，所有这些研究均建立在体模精确的衰减校正(attenuation correction，AC)基础上。

为了获得定量准确的PET图像，用质量控制体模来确定扫描仪的性能参数，需要对所采集的PET数据进行校正，以减弱由扫描对象以及系统的硬件造成的光子衰减[4，6]。在PET/CT成像中，关于被扫描物体衰减特性的信息是从CT扫描本身获得；在PET/MR成像中，应用基于MR的衰减校正方法来校正由人体组织引起的衰减[7-8]。但是，体模成像的准确性和适用性还需要系统全面的量化。目前，基于MR的AC(MRAC)只考虑液体模中的溶液，其提供了足够的MR信号，但在PET中其不适用于体模外壳中常用的塑料或玻璃材料，因为这些材料在MR成像中无信号。因此，本研究将预先获得的基于CT模板的μ-map与NEMA IQ体模结合使用，并将μ-map安装在PET/MR系统上进行NEMA IQ体模质量控制实验并与之对比，评估基于MR-AC的定量效果及图像质量的影响。

1 材料和方法

1.1 设备及体模

(1)GE SIGNA TOF PET/MR。主磁场B0为3.0T，系统配备了专用的MR成像协议，用于采集和生成μ-map(MR-AC)以及NEMA IQ体模专用的体模方案(CT-AC)。

(2)NEMA IQ体模。外壳为丙烯酸玻璃材料，衰减系数μ～0.118 cm-1，由6个小球和中心肺部插件组成，小球内径分别为10 mm、13 mm、17 mm、22 mm、33 mm和37 mm，厚度约为1 mm；位于体模中心的肺部插件的平均密度为(0.3±0.1)g/ml[1，9]。

1.2 实验方法

(1)体模制备。NEMA IQ体模的背景和10 mm、13 mm、17 mm及22 mm的球体填充有18F-氟代脱氧葡萄糖(18F-flurodeoxyglucose，18F-FDG)与纯水混合，使用NEMA指定的4∶1球体-背景活性浓度比[1，3，8-9]。测量开始时的示踪剂活性浓度：体模背景为(5.3±0.053)kBq/ml；10 mm、13 mm、17 mm及22 mm小球为(21.2±0.05)kBq/ml。33 mm、37 mm的球体装满水。

(2)MR-AC。GE SIGNA PET/MR系统的MR-AC采集执行3D射频扰相梯度回波(spoiled gradient recalled，SPGR)序列(LAVA-FLEX)轴向定位，从同相和反相图像中导出水和脂肪图像，然后将MR数据集分成4个组织类别，即空气、肺、脂肪和软组织，脂肪和软组织的衰减系数为0.086/cm-1的0.095/cm-1[7-10](见表1)。

表1 四类组织类别的衰减系数

(3)CT-AC。GE SIGNA PET/MR系统为NEMA IQ体模应用基于CT的模板—从经过AC的PET图像中提取NEMA IQ体模的定位信息，利用预定义的方法将体模基于CT的衰减图导入并与测量所得的数据进行配准[8-9]。

(4)PET图像重建。在有序子集最大期望值算法(ordered subsets expectation maximization，OSEM)条件下进行不同的方法重建PET图像，包括重建矩阵192×192，256×256；迭代次数为2，3，4次迭代，重建滤波器均选用高斯4 mm半高宽(full width at half maximum，FHWM)。是否使用飞行时间(time off light，TOF)技术。

2 结果

2.1 图像数据分析

使用MATLAB编程读取了13×13的μ-map图像矩阵，并显示其像素值，PET图像反映的是γ射线透射组织的投影信息，像素值与线性衰减系数是一一对应的线性关系。

(1)使用MR-AC方案时，MR-AC μ-map中并未显示体模外壳以及各小球外壳的信号，而是把这些玻璃材料分配给了背景溶液(见图1)。

图1 基于MR的衰减校正图

(2)GE SIGNA PET/MR系统将肺插入物的衰减系数按照人体解剖结构定义为肺的衰减系数(0.018 cm-1)。将NEMA IQ体模中的水和18F-FDG的混合物视为脂肪及其他组织，其中体模边缘定义的脂肪为0.085 cm-1和0.086 cm-1，因此分别指定了不正确的衰减系数[9](见表2)。

(3)使用CT-AC方案时，CT-AC μ-map中清晰的显示出体模外壳以及各小球外壳的信号，而不是把这些玻璃材料分配给背景溶液(见图2)。

图2 基于CT的衰减校正图

(4)使用体模专用的CT-AC方案时，肺部插件及水和18F-FDG的溶液被分配了正确的衰减系数：0.032 cm-1和0.095 cm-1(见表3)。

表2 MATLAB软件读取的MR-AC衰减图像素值

表3 MATLAB软件读取的CT-AC衰减图像素值

2.2 图像质量对比

在两种AC方法条件下分别对比了重建矩阵(192×192，256×256)、迭代次数(2，3，4次迭代)以及是否使用TOF(TOF和NOTOF)的图像质量。

(1)在使用重建矩阵为192×192时，CT-AC条件下的NEMA IQ放射性球体的SNR比使用MR-AC时分别高出5.9%、12.4%、23.6%和33.6%；重建矩阵为256×256时，CT-AC条件下的NEMA IQ放射性球体的SNR比使用MR-AC时分别高出3.1%、9.2%、17.0%和26.5%(见图3)。

图3 MR-AC和CT-AC图像在不同重建矩阵下的SNR曲线图

(2)迭代次数为2次时，CT-AC条件下的NEMA IQ放射性球体的SNR比使用MR-AC时分别高出6.9%、13.1%、22.9%和27.4%；迭代次数为3次时，放射性球体SNR分别高出5.9%、12.4%、23.6%和33.6%；迭代次数为4次时，放射性球体SNR分别高出0.6%、12%、22.8%和33.4%(见图4)。

图4 MR-AC和CT-AC图像在不同迭代次数下的SNR曲线图

(3)使用TOF技术重建时，CT-AC条件下的NEMA IQ放射性球体的SNR比使用MR-AC时分别高出12.6%、27.0%、44.2%和83.7%(见图5)。

图5 MR-AC和CT-AC图像使用TOF技术时的SNR曲线图

3 讨论

在一体化PET/MR数据采集期间，处于在PET视野中的人体组织和硬件组件，如体模或射频线圈会衰减PET光子，为了获得定量PET图像，需要执行AC[9]。CT数据反映的是物质的电子密度分布信息，CT图像中的CT值可以直接计算出物质的衰减系数，其光子能量可以通过双线性插值的方法调整到511 keV的光子能量，获得511 keV的线性衰减系数可以直接对PET发射数据进行AC，因此CT-AC具有更加准确的定量性能。MR数据反映的是物质的弛豫时间和质子密度分布信息，PET衰减的组织信号需要从MR数据中导出，执行专用的MR序列对物质进行组织分割，然后分配给每类组织固定的衰减系数，因此MR-AC在定量准确性上还存在诸多挑战，且MR-AC是基于临床的人体解剖标准，不能直接进行体模成像[2，8]及相关质量控制实验。

质量控制实验只有在各种系统准确和可再现的情况下才有效[11]。本研究的主要目的是为了使用具有MR-AC和CT-AC方案的NEMA IQ体模，评估PET/MR中的质量控制实验，其研究结果表明，MR-AC的方案用在PET/MR进行PET质量控制实验时，由于无法获取体模外壳以及各插件材料的MR信号，不能对这些材料进行AC，而系统会按照预定义解剖结构的衰减信息分配给体模衰减图，生成错误的μ-map，导致重建的PET数据存在显着偏差[9，12-13]。因此，这样的QC实验不能作为PET的定量标准。SIGNA PET/MR系统上，专门为NEMA IQ体模提供的AC方案是基于CT的AC方法，获得实质上更准确的μ-map。

对于GE SIGNA PET/MR系统，临床MR-AC已经将肺部插件分类为肺组织，在这种情况下，穿过插入物的响应线(line of response，LOR)的AC准确度将会更低，这会在PET的重建数据中导致更大的偏差。

4 结语

本研究通过对一体化PET/MR系统应用基于CT的AC来评估PET图像质量，并与使用基于MR的AC结果进行比较，验证用于进行PET质量控制实验的临床MR-AC方案导致不准确的结果，以及基于CT-AC的必要性和优越性。使用基于CT的方法评估图像质量参数其结果表明，与基于CT的AC相比，基于MR的AC导致定量不足及图像质量下降。