P E T/C T图像基于C T衰减校正伪影的实验研究

陈泽龙，谢康宁，漆家学，钱根年，赵春雷，陈 杰

P E T/C T图像基于C T衰减校正伪影的实验研究

陈泽龙，谢康宁，漆家学，钱根年，赵春雷，陈 杰

目的：研究不同浓度泛影葡胺溶液在不同CT扫描条件下对PET/CT图像质量的影响。方法：向5个乳胶容器中分别注入体积分数为5%、10%、15%、20%和40%的口服泛影葡胺溶液，依次将其密闭置于圆柱形水模内进行PET/ CT成像。利用CT扫描数据对PET图像进行衰减校正，并比较不同管电压CT扫描条件下PET图像的差异。结果：体积分数为15%、20%和40%的泛影葡胺充盈区在经CT衰减校正的PET图像上表现为高浓聚伪影，标准摄取值比本底均有不同程度的升高，而体积分数为5%、10%的泛影葡胺充盈区则无明显伪影，反映了随着泛影葡胺浓度的升高CT衰减校正伪影随之增强；对于体积分数为40%的口服泛影葡胺溶液，随着CT扫描所使用的管电压的升高，经CT衰减校正的PET图像上的伪影随之减弱，标准摄取值降低。结论：体积分数大于15%的泛影葡胺溶液在PET/CT成像中标准摄取值升高，图像表现出伪影；PET/CT成像中CT扫描所采用的管电压越高，高浓度泛影葡胺溶液产生的伪影越弱。

PET/CT；伪影；标准摄取值；图像质量

0 引言

在过去的10 a里，PET/CT在临床上得到了广泛的应用，尤其是FDG-PET/CT在肿瘤的定性、分期、定位及癫痫病灶的定位等方面，为临床医生的正确诊断和治疗作出了重要贡献[1]。PET/CT采用CT的透射扫描数据计算衰减校正系数，其优点是将整个检查时间缩短了近40%[2]，同时CT扫描数据还可以提供诊断信息，但也存在一定的局限性，尤其对于体内带有金属植入物的患者或者是口服高浓度对比剂的患者，容易在PET/CT图像上形成伪影，对医生的诊断造成困扰[3]。本实验通过向GEDiscoveryLSPET/ CT校准用水模内置入装有不同浓度泛影葡胺溶液的橡胶容器并进行PET/CT成像，研究不同浓度泛影葡胺溶液在各种CT扫描条件下的图像表现及SUV值的差异，探讨高密度材料对基于CT衰减校正的PET/CT成像的影响，为正确认识高密度材料植入物在临床PET/CT显像中造成的伪影提供依据，同时也为PET/CT显像口服阳性对比剂提供指导。

1 材料与方法

1.1 成像模型的制作

采用GE Discovery LS PET/CT校准用密封水模（如图1所示），水模高21 cm，直径20 cm，容积为5 640 mL。用乳胶材料自制5个圆柱形容器，直径约

2.0 cm，通过水模上靠近侧壁的小孔依次分别置入水模内，水模内预先注入约占容积80%的纯净水。往5个乳胶容器中依次分别注入体积分数为5%、10%、15%、20%和40%的口服泛影葡胺溶液100 mL，然后将乳胶容器密封，同时将小孔密封，通过水模上另一个小孔往水模中注入活度为1.2 mCi（1 Ci=3.7×1010Bq）的18F-FDG，将水模密封并摇匀，再打开小孔注入纯净水，以排除水模内的气体并再次密封水模。

图1 GE Discovery LS PET/CT校准用密封水模

1.2 成像方法

采用我院2003年引进的GE Discovery LS PET/ CT扫描仪，将已制作好的密封水模置于检查床视野中心，水模长轴与检查床长轴平行。首先进行常规CT扫描，管电压设置为120kV，管电流设置为220mA，层厚为5 mm，重建厚度为5 mm，螺距为1.0；常规CT扫描结束后进入PET采集序列，根据水模高度设置为1个床位、二维方式采集，采集时间为4 min。之后将管电压分别设置为80、100和140 kV，其他参数不变，再进行同样的PET/CT采集序列扫描，得到4组采集数据。分别对置入装有不同浓度泛影葡胺溶液乳胶容器的水模进行上述同样参数的数据采集，共得到20组相关数据。

1.3 图像重建及分析

重建方式为有序子集最大期望值迭代法（ordered subsets expectation maximization，OSEM）。对应一定浓度泛影葡胺溶液的水模利用4次CT扫描数据分别对PET采集数据进行衰减校正，获得不同CT扫描条件下的衰减校正（attenuation correction，AC）图像和不带衰减校正（no attenuation correction，NOAC）图像；在4组重建图像中选取水模同一位置横断面图像，在横断面图像同一位置勾画感兴趣区（region of interest，ROI），测量并记录不同CT扫描条件下经CT衰减校正的PET图像ROI的SUV值。选择120 kV条件下扫描的不同浓度泛影葡胺溶液CT横断面图像并勾画ROI，记录各ROI的平均CT值。

1.4 统计学分析

采用SPSS11.0统计软件，计量资料数据以x±s表示，多组间比较采用方差分析，CTAC图像SUV值与泛影葡胺溶液浓度的相关性采用Pearson相关分析，P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

（1）水模PET/CT横断面AC图像显示放射性分布均匀，像素放射性计数差别＜4%；NOAC图像呈现中央低周边高的不均匀状态，像素计数差别将近160%（如图2所示）。

（2）120 kV扫描条件下不同浓度泛影葡胺充盈区的CT值及NOAC计数率见表1。随着泛影葡胺浓度增大CT值也增大，而NOAC计数率则基本不变。

（3）不同浓度泛影葡胺充盈区在不同CT扫描条件下的CTAC图像ROI的SUV值见表2。在同一CT扫描条件下，SUV值随着泛影葡胺体积分数的增高而升高。当泛影葡胺的体积分数为5%或10%时，泛影葡胺充盈区表现为边沿模糊的“冷区”；而当泛影葡胺的体积分数达到15%、20%和40%时，泛影葡胺充盈区逐渐表现为“热区”，且随着浓度的增高，“热区”表现越明显（如图3所示）。对于体积分数为40%的泛影葡胺充盈区，随着管电压值的升高，SUV值则逐渐减小，图像上表现为“热区”的强度逐渐变淡。

图2 水模PET图像

表1 120 kV扫描条件下不同浓度泛影葡胺充盈区CT值及NOAC计数率

表2 不同CT扫描条件下不同浓度泛影葡胺充盈区SUV值（±s，n=20）

表2 不同CT扫描条件下不同浓度泛影葡胺充盈区SUV值（±s，n=20）

不同浓度泛影葡胺 80 kV 100 kV 120 kV 140 kV P值本底 0.83±0.05 0.83±0.06 0.83±0.06 0.82±0.05 ＞0.05 5% 0.23±0.06 0.23±0.07 0.22±0.06 0.22±0.05 ＞0.05 10% 0.57±0.03 0.55±0.05 0.45±0.06 0.35±0.07 ＜0.05 15% 0.97±0.07 0.96±0.06 0.83±0.05 0.71±0.05 ＜0.05 20% 1.65±0.06 1.43±0.06 1.20±0.05 1.10±0.06 ＜0.05 40% 2.78±0.04 2.56±0.05 2.21±0.06 2.03±0.04 ＜0.05

3 讨论

与CT透射型扫描不同，PET属于发射型扫描。

由于同位素的不稳定，正电子放射性核素在人体内衰变放射出正电子，被放射出的正电子在人体组织内穿行几毫米以后与负电子发生湮灭反应生成2个互为180°反方向的511 keV γ光子并被PET探测器探测从而成像[4]。实际上，在这个过程中只有少数的γ光子能够沿着最初的发射方向穿透介质到达探测器，其余大部分在介质中穿行时被反射、散射及吸收了，文献报道，从人体中心发出的511 keV γ光子只有约5%能够到达探测器而被探测到[5]。γ光子在到达探测器前的衰减与光子在介质中的穿行距离和介质材料的原子序数及密度有关。由于采用符合探测，有效放射性计数量低，因此γ光子在介质中的衰减影响不能忽略，需要对其进行校正。传统的PET校正方法是采用外加放射源对介质进行扫描得到介质的衰减系数，再利用该系数对511 keV γ光子的衰减进行校正。但是这种方法使整个扫描时间延长了近50%并且图像噪声很大[5]。PET/CT出现以后，CT透射扫描不仅提供了精确的解剖定位信息，而且为PET成像提供了衰减校正数据。本研究中，在非衰减校正图像上可以清楚地看到放射性分布呈现中央低、周边高的不均匀状态（如图2所示）。

由于CT扫描发射的是X光子，它是能量范围40～140 keV的广谱射线[5]，在人体组织中主要发生光电效应，而光电效应的发生率与原子序数相关，高原子序数材料的光电效应发生率明显高于低原子序数材料；而γ光子在人体组织中主要发生康普顿散射，康普顿散射的发生率只与电子密度相关，因此CT透射扫描发射的X线对高原子序数材料如骨组织的衰减明显高于低原子序数材料如软组织的衰减，而511 keV γ光子在软组织和骨组织中的衰减几乎没有差别。因此需要将CT透射扫描得到的线性衰减系数转化为511 keV γ光子的衰减系数，由于计算方法的问题，在转化过程中会产生误差，这种误差在PET图像上表现为组织的放射性浓聚，即过度校正伪影。本研究中，体积分数分别为15%、20%和40%的泛影葡胺充盈区CTAC图像分别表现出了不同程度的浓聚伪影，泛影葡胺浓度越高，其CT值越大，图像的伪影越明显。而体积分数为5%和10%的泛影葡胺充盈区（CT值1 084 HU）CTAC图像表现为边沿模糊的“冷区”，这也印证了Beyer等关于局部CT值＜1 000 HU时不会产生PET伪影的研究报道[6]。临床PET/CT检查中患者口服阳性对比剂的体积分数均小于5%（一般2%），因此一般不会产生伪影。研究中我们还发现，对于体积分数为40%的泛影葡胺充盈区，CT扫描设置的管电压越高，“热区”的强度越弱，与文献报道一致[7]。因此PET/CT扫描中采用较高的管电压有利于减小高密度材料造成的影响。

图3 120 kV扫描条件下不同浓度泛影葡胺充盈区CTAC图像、NOAC图像和CT图像

临床PET/CT显像中部分患者体内或者体表携带金属植入物，如心脏起搏器、义牙、人工关节等，其CT值在2 000 HU左右或者更高，经CT衰减校正后在PET图像上表现为高放射性浓聚灶[8]，与本研究中体积分数为15%、20%和40%的泛影葡胺充盈区形成的伪影原理相同。在本研究中，40%的泛影葡胺充盈区NOAC图像表现为“冷区”，说明CTAC图像上的浓聚灶是个伪影，18F-FDG并没有在该处浓聚。由临床上对于高密度材料形成的浓聚灶以及参考相应非衰减校正图像可见，相应位置无异常放射性浓聚，提示该处为CT衰减校正伪影（如图4所示）。另有研究表明，金属伪影的产生和程度与所用的重建方法和金属移植物的形状有关，在滤波反投影（filtered backprojection，FBP）重建图像上，金属伪影位于金属的中心，而炎症伪影放射性浓聚分布在周边[9]。

CTAC的关键在于如何将低能级宽能谱的X线衰减系数准确地转换为高能级单一能量的511 keV γ光子的衰减系数。目前CT衰减校正算法主要有5种：（1）比例缩放法（scaling）；（2）分割法（segmentation）；（3）双值组合法（hybrid）；（4）双线性法（bilinear）；（5）双能CT法。临床上采用比较多的是双线性法[10]。高密度材料由于对X线的过度衰减，使CTAC图像的SUV值偏高，主要原因是：所使用的CT衰减校正方法对高原子序数材料的衰减值计算存在不足。随着CT衰减校正方法的不断改进和新的应用软件的开发，新的PET/CT在消除高密度材料所产生的CTAC图像伪影方面有了很大的改善，而双能CT法由于其校正精度最高，成为目前研究的热点。

4 结语

图4 体内心脏起搏器导致的伪影

CT衰减校正伪影是PET/CT显像比较典型的一类伪影，在临床PET/CT成像中主要表现为口服对比剂和体内金属植入物形成的伪影，这类伪影一般通过重建非衰减校正图像可予以鉴别。随着衰减系数转换算法的不断改进，新型PET/CT对于高密度材料的成像已基本消除伪影的影响。随着晶体材料的不断更新和重建算法的不断改进，相信PET/CT显像在未来会有更加广阔的发展前景。本研究结果均是在实验理想条件下得到的，临床PET/CT成像存在多种影响因素，其显像效果应从多方面进行考虑。

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（收稿：2013-10-12 修回：2013-12-29）

PET/CT Images Based on CT Attenuation Correction Artifact

CHEN Ze-long1,2,XIE Kang-ning1,QI Jia-xue1,QIAN Gen-nian2,ZHAO Chun-lei2,CHEN Jie2
（1.School of Biomedical Engineering,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China; 2.Department of Medical Imaging,Fuzhou General Hospital of Nanjing Military Area Command,Fuzhou 350025,China）

Objective To study the influence of different concentrations ofmeglumine solutions on PET/CT image quality with different CT protocols.Methods Meglumine solutionswith concentrations of 5%,10%,15%,20%and 40%were injected into five latex vessels,thenwere sealed intoa cylindricalwaterphantom.Thephantom wasscanned by PET/CTwith differentCT tube voltages,followed by a conventionalattenuation correction procedure.Comparison was finallymade among the imagesofdifferent tube voltages.Results Therewere artifacts in the areas filled withmeglumine solutionswith the concentrationsof15%,20%and 40%.Standard Uptake Value(SUV)grew higher than the background with varying degrees.However,therewereno apparentar- tifactswhen the concentration of themeglumine solution was5%or 10%.It's could be concluded thatCT attenuation correction artifactbecame apparentwith the increased concentration ofmeglumine solutions.For themeglumine solution with the concen- tration of 40%,as CT voltage rose the CT attenuation correction artifacts on PET images becamemuch less apparent,and the SUV decreased.Conclusion The SUV on the PET/CT images ofmeglumine solutionswith concentrations ofmore than 15%is higher than the background,and there are artifacts on the images.The artifact for high-concentrationmeglumine solution gets lessapparentwith the increase of the CT voltage,when PET/CT scanning performed.[Chinese Medical Equipment Journal， 2014，35（3）：81-84]

PET/CT;artifact;standard uptake value;image quality

R318.6；TH774

A

1003-8868（2014）03-0081-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.03.081

全军后勤科研计划项目面上课题资助（CWS11C148）

陈泽龙（1979—），硕士研究生，工程师，研究方向为PET/CT显像设备和正电子放射性药物的制备和研发，E-mail：czel@163.com。

710032西安，第四军医大学生物医学工程系（陈泽龙，谢康宁，漆家学）；350025福州，南京军区福州总医院医学影像中心（陈泽龙，钱根年，赵春雷，陈 杰）

谢康宁，E-mail：jingxm2008@fmmu.edu.cn