PSF技术联合小体素重建对PET/CT图像质量的影响

张 硕 冯洪波 赵 衍 刘 鹏 李建南 陆 陟 杜雪梅

PET/CT多模态分子影像是肿瘤精准探测的重要手段，广泛应用于肿瘤的早期诊断［1］。视差效应、晶体尺寸等因素严重影响了PET图像的分辨率，致使较小肿瘤病灶的检出受到制约［2］。全局点扩散函数（point spread function，PSF）技术可校正视差效应（parallax effect）以及晶体间散射、正电子范围和光子非线性，从而提升图像的空间分辨率［3］。此外，体素大小反映了重建图像尺寸，和图像空间分辨率等性能息息相关［4］。本研究以是否使用PSF技术和重建体素大小作为变量，探讨二者对PET图像质量的影响，为PET/CT图像重建提供参考。

方 法

1. 体模准备

实验采用符合国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）标 准 的 体 模［5］，体模内含直径分别为10、13、17、22、28和37 mm的6个空心微球。根据模型腔体和微球容积制备18F-代脱氧葡萄糖（18F-fluoro dexyglucose，18F-FDG）溶液并预估其放射性衰减情况。腔体和6个微球内均填充18F-FDG溶液，充填完成后充分摇匀并静置2 h，微球与腔体内放射性活度比值为4∶1，构成图像热区与背景区域。

2.PET/CT扫描仪

图像信息采集使用西门子Biograph64 Truepoint PET/CT，配备40排64层螺旋CT提供衰减校正。PET部分晶体材料为硅酸镥（Lu2SiO5∶Ce，LSO）［6］，其在晶体密度、余辉时间、相对光输出量等性能参数方面优于锗酸铋（Bi4Ge3O12，BGO）、硅酸钆（Gd2SiO5，GSO）、碘化钠（铊激活）［NaI（TI）］等晶体材料。晶体尺寸为4.0 mm×4.0 mm×4.0 mm，晶体为39环共24 336个。该设备有效轴向视野为162 mm，符合窗宽度为4.5 ns。

3.图像采集与重建

图像采集：体模定位于PET/CT孔径中心，横切面与扫描床垂直，确保所有微球中心在同一扫描平面。CT采用低剂量（CARE Dose 4D）扫描条件，管电压120 kV；PET图像选用列表（LM）模式采集，采集时间60 min；其他采集参数均参照临床PET/CT扫描。

图像重建：原始数据分别在使用PSF技术和非PSF技术（noPSF）的条件下进行重建。noPSF组重建算法采用3D迭代法（Iterative3D），PSF组使用True-X高清重建算法。True-X算法为西门子Biograph64 Truepoint PET/CT设备在迭代算法的基础上增加了PSF技术［7］。上述2种类型重建算法的迭代次数均为3次，子集数为21。重建体素大小分别选用常规4 mm体素（矩阵168×168）和2 mm体素（矩阵336×336）。根据重建条件将图像分为4组，分别为常规组（noPSF+V4mm）、单独使用PSF技术和小体素组（PSF+V4mm与noPSF+V2mm）以及联合使用PSF技术和小体素组（PSF+V2mm）。

4. 数据处理

遵循美国电气制造商协会（National Electrical Manufacturers Association，NEMA）的NU 2-2018标准［8］勾画感兴趣区（ROI）。

选取球心共面的中心层面并勾画ROI，将微球ROI的直径与其物理内径偏差控制在小于1 mm。在本底区域分别勾画12个和微球大小一致的ROI，使ROI边缘与体模及微球边缘距离大于10 mm以降低容积效应的影响。依照同样方法在距离中心层面±1 cm和±2 cm的层面勾画本底ROI，共有5个层面，每个层面有12个本底ROI，共勾画60个本底ROI（如图1所示）。

4.1 对比度

计算微球对比度（Q）采用公式（1）：

式中j为ROI直径，QH，j为微球对比度，CH，j为微球计数，CB，j为本底平均计数，αH为微球放射性浓度，αB为本底放射性浓度，实验中αH/αB等于4。

4.2 背景变化率

计算背景变化率（N）采用公式（2）：

式中j为本底ROI直径，SDj为背景区域ROI计数的标准差。

4.3 信噪比

计算信噪比SNR采用公式（3）：

4.4 清晰度

清晰度VS测试采用公式（4）：

式中Aj为微球的像素大小。VS基于Rose［9］公式计算，反映了人类视觉对图像质量以及物体大小的判断能力。

5. 统计学分析

采用SPSS 25.0软件进行统计学分析。2组间采用独立样本t检验，分析比较图像的对比度（Q）、背景变化率（N）、信噪比（SNR）、以及清晰度（VS）。以P＜0.05为差异有统计学意义。

结 果

在其他重建条件一致的情况下，PSF技术对图像对比度的提升效果较明显（P≤0.001），同时也会增加较小微球的背景变化率；较小体素重建图像的背景变化率的提升效果明显（P≤0.001），对比度结果影响不明显。单独使用PSF技术和小体素重建组不同尺寸微球的图像信噪比和清晰度均有所提升（P＜0.05）。联合使用PSF技术和较小尺寸体素重建，图像的对比度、信噪比和清晰度均有显著提升，微球直径越小，提升效果越显著；对于背景变化率，直径较大微球有明显下降趋势，直径较小微球的背景变化率有所增加。

1. 对比度

根据公式（1）计算得到热区对比度，其中PSF+V2mm组图像平均对比度均高于其他重建组（图2A），较noPSF+V4mm组对比度平均增长了12.53%，其中直径≤17 mm的微球平均增长了19.44%，直径＞17 mm的微球平均增长了5.63%。①noPSF+V4mm组与PSF+V2mm组比较，2组间差异有统计学意义（t=-7.684，P≤0.001）；②PSF+V4mm组与PSF+V2mm组比较，2组间差异无统计学意义（t=-1.796，P＞0.05）；③noPSF+V2mm组与PSF+V2mm组比较，2组间差异有统计学意义（t=-6.446，P≤0.001）。

2. 背景变化率

根据公式（2）计算得到背景变化率，其中PSF+V2mm组图像平均背景变化率均低于其他重建组（图2B），较noPSF+V4mm组降低了6.27%，其中直径＞17 mm的较大微球降幅较明显，为9.02%。①noPSF+V4mm组与PSF+V2mm组比较，2组间差异有统计学意义（t=4.376，P＜0.05）。②PSF+V4mm组与PSF+V2mm组比较，2组间差异有统计学意义（t=13.246，P≤0.001）；③noPSF+V2mm组与PSF+V2mm组比较，2组间差异无统计学意义（t=0.847，P＞0.05），其中直径≥17 mm的微球有明显下降趋势，10 mm和13 mm微球的背景变化率有所增加。

3. 信噪比

根据公式（3）计算得到微球的信噪比，其中PSF+V2mm组图像平均信噪比高于其他重建组（图2C），较noPSF+V4mm组增长了19.96%，其中直径≤17 mm的微球平均增长了23.81%，直径＞17 mm的微球平均增长了16.11%。①noPSF+V4mm组与PSF+V2mm组比较，2组间差异有统计学意义（t=-8.170，P≤0.001）；②PSF+V4mm组与PSF+V2mm组比较，2组间差异有统计学意义（t=-5.404，P＜0.05）；③noPSF+V2mm组与PSF+V2mm组比较，2组间差异有统计学意义（t=-4.142，P＜0.05）。

4. 清晰度

根据公式（4）计算得到清晰度，其中PSF+V2mm组图像清晰度均高于其他重建组（图2D），较noPSF+V4mm组增加了19.97%，其中直径≤17 mm的微球平均增加了23.66%，直径＞17 mm的微球平均增加了16.28%。①noPSF+V4mm组与PSF+V2mm组比较，2组间差异有统计学意义（t=-3.882，P＜0.05）；②PSF+V4mm组与PSF+V2mm组比较，2组间差异有统计学意义（t=-3.295，P＜0.05）；③noPSF+V2mm组与PSF+V2mm组比较，2组间差异有统计 学意义（t=-2.945，P＜0.05）。

讨 论

PET系统软件及硬件的技术革新使得PET图像质量得以显著提高，比如PSF、飞行时间（TOF）等技术的应用都能够显著改善PET图像质量，贝叶斯新惩罚似然算法（BPL）重建也有助于提高小病灶的检出率［10-11］。但如何将新技术与临床应用密切结合来获得更高质量的图像是目前研究的热点问题［12］。本文重点探讨PSF技术与小体素重建联合应用对于图像质量的影响。

实验中以NEMA PET体模进行模拟扫描，以微球模仿不同大小的病灶。为模拟临床条件下PSF技术和体素大小对图像质量的影响，本实验中所使用的采集条件和重建参数均和临床PET/CT检查尽量保持一致，未考虑采集条件和重建时所采用的迭代次数、子集数等参数对重建图像质量的影响。结果表明，联合使用PSF技术和小体素重建，PSF技术的深度补偿效应和小体素重建的优势都得以体现，二者可起到互补作用，重建图像的对比度、信噪比和清晰度均有显著改善。同时PSF技术的应用也会增加较小微球图像的背景变化率（图2B），尽管噪声增加，但信噪比和清晰度（图2C、2D）得到了显著的提升，在临床工作中需要做出有针对性的选择。

相比于CT、MRI，18F-FDG PET的劣势在于对较小病变和具有复杂精细结构的病灶的显示不良，而原发性肿瘤的定位、以小细胞肺癌和非小细胞肺癌为主的淋巴结的分期、乳腺癌颈部和腋窝淋巴结的检出等，对患者的术前指导和术后治疗计划至关重要［13-14］。对于此类患者，除了全身常规扫描外，针对特定部位可优化补充PSF和小体素重建协议，不会额外增加扫描时间和辐射剂量。已有临床研究证实对于分化或低分化甲状腺癌的淋巴结复发定位，联合应用PSF技术和小体素重建可提高淋巴结的检出率，对于临床的诊断和后期治疗意义重大［15］。

综上所述，PSF技术和小体素重建二者联合使用可显著提高PET/CT图像质量，微小感兴趣区更为显著。这有助于较小病灶尤其是亚厘米级、具有复杂精细结构的病灶检出，对于PET/CT临床应用具有重要意义。