黄克敏，冯彦林，梁伟棠，李 林，冯叶霞，邓大浪，贺伟平

(佛山市第一人民医院核医学科，广东 佛山 528000)

近年来，随着SPECT/CT在临床的广泛应用、计算机技术的进步以及各种校正技术的完善，SPECT已可测量绝对放射性活度(kBq/cm3)或标准摄取值[1]。与PET比较，SPECT系统分辨率相对较低，其定量计算结果更易受衰减、散射、部分容积效应以及重建算法和重建参数等的影响[2]。本研究通过模型实验，探讨不同重建算法及有序子集最大期望值法(ordered subset expectation maximization, OSEM)迭代次数和子集数对SPECT/CT定量计算结果的影响。

1 材料与方法

1.1 仪器与设备 采用Siemens Symbia T16 SPECT/CT仪，低能高分辨准直器，空间分辨力6.76 mm，平面灵敏度87 k/(s·MBq)，配16排螺旋CT。采用Jaszczak圆桶模型(内无插件)和NEMA/IEC体模(美国DATA SPECTRUM公司)，内置热区球体插件直径分别为10、13、17、22、28、37 mm，容积分别为0.52、1.15、2.57、5.57、11.49、26.25 ml。

1.2 Jaszczak模型显像 将圆桶模型注入放射性浓度为70.76 kBq/ml的99Tcm溶液，采用椭圆轨迹进行跟踪采集，矩阵128×128，放大倍数1.35，20秒/帧，共120帧。采用双能窗，主能窗130～150 keV，散射窗110～130 keV，窗宽15%，步进式360°采集。采用相同采集条件重复进行3次数据采集。CT扫描参数为120 kV，150 mAs，层厚10 mm，螺距1.0。采用三维OSEM(3-dimensional OSEM, 3D-OSEM)重建图像，6子集，8次迭代，采用CT衰减校正和散射校正，获得每次显像的断层图像。

1.3 系统容积灵敏度(Svol) 在SPECT和CT融合图像中勾画容积为3 000 ml的容积感兴趣区(volume of interest, VOI)，Svol计算公式为[3]：

(1)

(2)

R为重建图像VOI的总计数除以显像时间(min)，T0为图像开始采集时间，Tcal为活度测量时间，Tacq为图像采集总时间，T1/2为核素半衰期。Svol的单位为单位活度的每分钟计数(counts per minute/kBq, cpm/kBq)。

1.4 IEC体模显像 采用IEC体模，对其热区球体内分别注入放射性浓度为764 kBq/ml的99Tcm溶液，其本底溶液放射性浓度为64 kBq/ml，热区/本底比值为11.9。图像采集参数同Jaszczak模型显像。首先采用3D-OSEM进行图像重建，参数同Jaszczak模型显像，然后选择2D-OSEM(6子集，8次迭代)以及滤波反投影(filtered-back projection, FBP)重建，截止频率4.5，陡度因子15，获得不同重建算法的断层图像。采用3D-OSEM重建算法，固定子集16，迭代次数分别为1、2、4、8、12、16、20、24、28、32，固定迭代次数为8，子集数分别为1、2、4、6、8、10、12、16进行图像重建，获得OSEM不同重建参数的断层图像。

图1 IEC体模不同重建算法轴位同一层面图像比较 A.CT图像; B.FBP重建图像; C.2D-OSEM重建图像; D.3D-OSEM重建图像 图2 采用3D-OSEM重建，固定子集为16，选择不同迭代次数重建图像的比较 A～E.迭代次数分别为1、4、8、16、32

(3)

1.6 数据分析 将特定球体的绝对放射性活度(绝对定量值)与其通过活度计测量的真实放射性活度值(真实值)进行比较，计算不同大小球体的定量误差：定量误差(%)=(绝对定量值-真实值)/真实值×100%。

1.7 统计学分析 采用SPSS 17.0统计分析软件。3种重建算法间各球定量误差的比较采用单因素方差分析,两两比较采用LSD-t检验，球体定量误差与球体容积、迭代次数和子集数的相关性采用Pearson相关分析，P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

利用Jaszczak圆桶模型显像3次后，重建图像的Svol为(13.32±0.24)cpm/kB。IEC体模不同重建算法轴位同一层面图像见图1，对于不同大小球体，3D-OSEM和2D-OSEM重建图像质量明显优于FBP重建图像。不同重建算法中，不同大小球体的绝对定量值及定量误差见表1。3D-OSEM、2D-OSEM和FBP各球体定量误差均随球体容积的减小而增大(r=-0.831、-0.831、-0.826，P均<0.05)，其中3D-OSEM和2D-OSEM重建图像各球体的平均定量误差(-46.05%和-55.34%)明显小于FBP(-90.90%)。3种重建算法间不同大小球体平均定量误差的差异有统计学意义(F=8.850，P<0.05)，其中3D-OSEM小于2D-OSEM重建[(351.83±197.69)kBq/ml vs (422.83±163.54)kBq/ml，P<0.05)]，2D-OSEM小于FBP重建[(422.83±163.54) vs (694.50±36.03)kBq/ml，P<0.05)]。

表1 不同重建算法中不同大小球体的定量值(kBq/ml)及定量误差(%)

注：各球体的真实活度值为764 kBq/ml

采用3D-OSEM重建图像，固定子集为16，选择不同迭代次数重建的图像见图2，目测不同容积球体图像对比度及球体的清晰程度随迭代次数的增加而明显改善；不同容积球体定量误差随迭代次数的变化见图3，各球体定量误差均随迭代次数的增加而减小，两者呈负相关(r=-0.721、-0.681、-0.691、-0.711、-0.845、-0.893，P均<0.05)，但较大球体(5.57、11.49、26.25 ml)在迭代次数为1～8时其定量误差变化明显，12～32时其变化趋于平稳；较小球体(0.52、1.15、2.57 ml)在迭代次数为1～16时其定量误差变化明显，20～32时其变化趋于平稳。

采用3D-OSEM重建图像，固定迭代次数为8，不同子集数重建图像的比较见图4，目测不同容积球体图像质量随子集数的增加而明显改善；不同容积球体定量误差随子集数的变化见图5，各球体定量误差均随子集数的增加而明显减小，两者呈负相关(r=-0.670、-0.694、-0.717、-0.852、-0.956、-0.998，P

图3 采用3D-OSEM重建图像，固定子集为16，不同大小球体定量误差随迭代次数的变化

图4采用3D-OSEM重建，固定迭代次数为8，选择不同子集数重建图像的比较 A～E.子集数分别为1、4、8、12、16

图5 采用3D-OSEM重建图像，固定迭代次数为8，不同大小球体定量误差随子集数的变化

均<0.05)，但较大球体(5.57、11.49、26.25 ml)在子集数为1～6时其定量误差变化明显，8～16时其变化趋于平稳；较小球体(0.52、1.15、2.57 ml)在子集数为1～16时定量误差随子集数的增加而持续减小。

3 讨论

近年来，随着图像重建技术和各种校正技术的进步，SPECT重建图像质量不断提高。尤其SPECT/CT的出现，基于CT的衰减校正使重建图像中的衰减伪影明显减弱。由于SPECT重建图像提供的是放射性计数分布图，进行定量时必须经一系列转换计算，才可获得以单位体积内活度(kBq/cm3)为单位的绝对定量值[3]，目前，多项研究[4-6]结果均获得了小于10%的定量误差。本研究基于3D-OSEM重建、CT衰减校正、散射校正，在无部分容积效应校正的情况下，容积为26.25 ml球体的定量误差为-14.79%。

目前，PET和SPECT的重建算法可分为解析算法和迭代算法。不同算法对PET和SPECT图像质量的影响已有较多研究[7-9]。传统解析算法(如FBP算法)不能对图像进行校正，抗噪声能力较差，对于不完全采样的数据及较小的病灶难以获得满意的重建图像。本研究FBP重建图像质量明显差于OSEM重建图像，且因不能进行有效的衰减校正和散射校正，各球体的平均定量误差为-90.90%，不适合用于临床定量计算。迭代法可根据成像条件引入与空间几何有关或与测量值大小有关的约束条件，如可进行探测效率归一化、空间分辨不均匀、衰减、散射等校正，在相对不完全采样、低计数等情况下可发挥其高分辨的优势，尤其3D重建技术可进行深度响应校正以及空间分辨率恢复等，提高了断层图像质量及定量精度。本研究中，3D-OSEM重建时7个不同容积球体的平均定量误差为-46.05%，明显优于2D-OSEM时的-55.34%以及FBP时的-90.90%。

OSEM算法将投影数据分为若干个子集，每次重建时使用一个子集对投影数据进行校正，重建图像更新一次，所有子集均对投影数据校正一次，称为一次迭代[10]。在理想状态下，重建图像分辨率将随迭代次数的增加而增加，但噪声也逐步被放大，同时子集水平的选取对重建图像的收敛速度以及重建图像的质量有很大影响。子集水平越大，重建图像的收敛速度越快，主要恢复图像高频元素信息；子集水平越小，图像的收敛速度越慢，主要恢复图像低频元素信息。研究[11-12]表明，选择迭代重建中不同迭代次数和子集将严重影响重建图像质量。本研究中，不同容积球体定量误差均随迭代次数和子集数的增加而减小，但不同容积球体间的变化出现明显差异，较大球体定量误差的变化在迭代次数>8和子集数>6后趋于平稳。较小球体定量误差的变化在迭代次数>16后趋于平稳，而随子集数的增加持续减小。因此，对于定量计算重建图像最佳迭代次数和子集的选择，应根据不同噪声状态和不同病灶大小对分辨率和噪声折中选择。对于较大病灶以及高噪声图像，应选择相对低的迭代次数和子集数，以减少重建图像的噪声，对于较小病灶以及低噪声图像，应选择相对高的迭代次数和子集数，以恢复重建图像的分辨率。

本研究表明，基于CT衰减校正和散射校正的3D-OSEM重建可获得相对较高的定量精确性，而因FBP重建的定量误差较大，不适合用于绝对定量计算。OSEM迭代次数和子集数也会显著影响SPECT/CT定量计算结果，其最佳迭代次数和子集数的选择应根据图像的噪声状态、病灶大小、临床需求等进行选择。本研究只探讨了不同大小球体在不同重建算法和OSEM重建参数时定量计算结果，未考虑部分容积效应、噪声状态以及测量误差等的影响，其对SPECT/CT定量计算结果的影响还有待进一步探讨；且本研究结果只适用于本机型。

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