正则化最大期望值重建算法中β值对PET图像质量和定量分析的影响

学术论著
①国家癌症中心 国家肿瘤临床医学研究所中心 中国医学科学院北京协和医学院肿瘤医院深圳医院核医学科 广东 深圳 518116②国家癌症中心 国家肿瘤临床医学研究所中心 中国医学科学院北京协和医学院肿瘤医院核医学科 PET-CT中心 北京 100021*通信作者：********************
作者简介：陈炜，男，(1993- )，本科学历，技师，从事核医学与PET/CT图像处理研究工作。

[文章编号] 1672-8270(2021)11-0027-05 [中图分类号] R816 [文献标识码] A
Influence of β value on image quality and quantitative analysis of PET in the BSREM reconstruction algorithm/CHEN Wei, GENG Jian-hua, LU Hong-hui, et al//China Medical Equipment,2021,18(11):27-31.
[Abstract] Objective: T o assess the influence of β value of reconstruction algorithm of block sequential regularized expectation maximization (BSREM) on image quality and quantitative analysis of hot sphere in positron emission tomography (PET) and to explore how to reconstruct the appropriate β value of the model image and the accuracy of that on quantitative analysis of hot sphere with different diameter. Methods: The phantom of image quality of American National Electrical Manufacturers Association (NEMA) was adopted to implement PET image acquisition, and BSREM algorithm was adopted to reconstruct image. The coefficient of variance (CV) of background, target-to-background ratio (TBR), contrast noise ratio (CNR) of PET image were assessed. And hollow globules with 6 kinds of diameters included 10 mm, 13 mm, 17 mm, 22 mm, 28 mm and 37 mm in phantom, hot sphere recovery coefficient (HRC) and volume recovery coefficient (VRC) that could be perfused by fluid also were assessed. Results: In BSREM algorithm reconstruction, the CV value decreased while the TBR and CNR enhanced with the increasing of β value. The TBR value of 10mm hot sphere appeared platform stage of keeping relative stable trend and CNR value started to slowly decreased when β value was larger than 300. And HRC decreased but VRC increased with increasing of β values of all hot sphere. TBR of hot sphere with 10 mm diameter was 0.48 and VRC of that was 1.34 when β value was 300. The HRC mean of other 5 hot spheres which diameter were larger than 13mm was 0.72 (0.65-0.72), and VRC mean of that was 0.99 (0.86-1.05). Conclusion: In the reconstruction of BSREM algorithm of phantom image, the image has better CV , TBR and CNR when β value was 300, and there is difference in the quantitative determination of β value for HRC and VRC of hot sphere with different diameters.
[Key words] Positron emission tomography/computed tomography (PET/CT); Block sequential regularized expectation maximization (BSREM); Image quality; Quantitative analysis
[First-author’s address] Department of Nuclear Medicine, Shenzhen Hospital, National Cancer Center, National Clinical Research Center for Cancer, Cancer Hospital, Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College, Beijing 100021, China.
[摘要] 目的：评估正电子发射断层扫描(PET)中正则化最大期望值(BSREM)重建算法β值对图像质量和热灶定量分析的影响，探讨模体图像重建合适的β值及其对不同直径热灶定量分析的准确性。

方法：采用美国国家电气制造商协会(NEMA)图像质量模体进行PET图像采集，并用BSREM算法重建图像。

评估PET图像本底变异系数(CV)、靶本比(TBR)、对比噪声比(CNR)，模体中直径为10 mm、13 mm、17 mm、22 mm、28 mm和37 mm的6个直径不同的空心小球、可灌注液体的热灶恢复系数(HRC)和体积恢复系数(VRC)。

结果：BSREM算法重建中随β值的增大，CV值降低，而TBR和CNR升高；当β值＞300时，10 mm热灶TBR呈现保持较为稳定趋势的平台期，CNR开始缓慢下降。

所有热灶随β值增大，HRC下降，而VRC 升高；β值为300时，直径10 mm热灶的TBR为0.48，VRC为1.34；其余5个＞13 mm的热灶HRC均值为0.72(0.65～0.72)；VRC均值为0.99(0.86～1.05)。

结论：模体图像BSREM算法重建中的β值为300时，图像具有较好的CV、TBR和CNR，β值对不同直径热灶的HRC和VRC的定量测定存在差异性。

[关键词] 正电子发射计算机断层扫描(PET/CT)；正则化最大期望值法(BSREM)；图像质量；定量分析DOI: 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2021.11.007
陈 炜① 耿建华② 卢洪辉① 张廷杰① 刘 明① 罗小毛① 梁 颖①②*
正则化最大期望值重建算法中β值对PET图像质量和定量分析的影响
中国医学装备2021年11月第18卷第11期 China Medical Equipment 2021 November V ol.18 No.11
收稿日期：2021-02-05
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学术论著
正电子发射断层扫描(p o s i t r o n e m i s s i o n tomography，PET)在肿瘤的诊断、临床分期及疗效评价起到极其重要的作用，定量分析是PET优势之一，临床常用的PET定量指标为标准化摄取值(standard uptake value，SUV)。

定量值影响因素较多，重建算法是其主要影响因素之一。

一种新的重建算法正则化最大期望值(block sequential regularized expectation maximization，BSREM)算法已应用到临床PET中，显著提高PET的成像质量同时提高定量指标的准确性[1]。

在BSREM重建过程中，不同β值的选择对图像的本底变异系数值(coefficient of variance，CV)、靶本比(target-to-background ratio，TBR)、对比噪声比(contrast noise ratio，CNR)、热灶恢复系数(hot sphere recovery coefficient，HRC)和热灶体积比值的分析有一定的影响[2-3]。

BSREM重建中β值对HRC和热灶体积比值方面定量分析的研究影响少有报导。

本研究采用美国国家电气制造商协会(National Electrical Manufacturers Association，NEMA)图像质量模体PET成像探讨BSREM算法中不同β值对不同直径热灶的图像定量指标的影响，以为临床诊断的精准定量提供依据。

1 材料与方法
1.1 设备与材料
采用Discovery MI型PET/CT(美国GE公司)，实验模体采用NEMA图像质量模体(美国SDC公司)。

1.2 研究方法
NEMA图像质量模体内含直径为10mm、13mm、17mm、22mm、28mm和37mm的6个直径不同的空心小球、可灌注液体的热灶，其真实体积(V
真实
)分别为0.52ml、1.15ml、2.57ml、5.57ml、11.49ml和26.52ml。

本研究在NEMA图像质量模体的6个热灶和腔体内均注射18F-氟代脱氧葡萄糖(18F-fluorodeoxyglucose，18F-FDG)溶液，并去除模体肺插件。

模体腔体内放射性活度为5.3kBq/ml，热灶与腔体放射性活度比值为4∶1。

测试时模体内的溶液之比放射性活度(A)达到20.046kBq/ml。

1.3 图像采集
采用Discovery MI型PET/CT，NEMA IEC 模体采集范围为1个床位，采集时间为10min，PET 轴向视野为14.73mm，矩阵为256×256，采用三维飞行时间(time of flight，TOF)技术模式，重建算法为Q.Clear(BSREM)；提供CT衰减校正，
管电压为120kV，自动管电流为100～180mA，噪声指数为12，X射线管旋转时间为0.8s，螺距为0.984∶1；并重建β值为50、100、150、200、250、300、350、400、450和500的图像。

1.4 图像分析
图像质量评估采用CV值[4]、TBR[5]及CNR[6]。

定量分析研究采用HRC[7]、测量体积与真实体积比值[体积比值(volume recovery coefficient，VRC)]。

应用GE后处理工作站AW 4.7，用Volume Viewer软件，选取热灶小球中心层面，在本底均匀区画12个感兴趣区域(region of interest，ROI)，其直径均为37mm，然后测量每一个ROI内的最大计数、平均计数、标准差和面积。

在PET/CT采集站上用Qustom QC软件，同样选取热灶中心层面，自动提取6个热灶的感兴趣区体积(volume of interest，VOI)，VOI像素提取阈值为软件默认的42%[8]。

测量每个VOI内的最大计数、平均计数、标准差和体积。

图像质量评估参数计算为公式1～5：
CV=STD
本底
/AVG
本底
(1)
TBR=AVG
热灶
/STD
mean-本底
(2)
CNR=(AVG
热灶
－AVG
mean-本底
)/STD
mean-本底
(3)
HRC=AVG
热灶
/A
热灶
(4)
VRC=V
测量
/V
真实
(5)
式中STD
本底
为本底ROI的标准差；AVG
本底
为本底
ROI平均计数的均值；AVG
热灶
为VOI的平均计数；
STD
mean-本底
为ROI标准差的均值；A
热灶
为热灶的比放射性活度。

2 结果
2.1 β值对CV的影响
CV值随着BSREM算法中β值的增大而降低，图像颗粒感减轻。

当β值为50～150时，CV值呈现速降趋势，即噪声水平明显下降；β值为150～300时CV 值下降趋缓，即噪声水平略有改善；β值＞300时，CV值近似平台，噪声改善不明显，见图1。

2.2 β值对TBR和CNR的影响
TBR和CNR随β值的增大逐步升高，即热灶轮廓更光整。

此外随β值增大，TBR和CNR改善越显著。

β值＞300时，不同直径热灶的TBR、CNR变化趋势有所差异。

模体内最小直径的热灶为10mm、热灶β值＞300时，TBR呈现平台，CNR缓慢下降，表现为轮廓越来越模糊。

其余5个热灶在β值＞300时，
中国医学装备2021年11月第18卷第11期正则化最大期望值重建算法中β值
对PET图像质量和定量分析的影响-陈炜等
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中国医学装备2021年11月第18卷第11期 正则化最大期望值重建算法中β值
对PET 图像质量和定量分析的影响-陈 炜 等
注：图中CV 为图像的本底变异系数值，ROI 为感兴趣区域，1～12为12个感兴趣区域
图1 相同采集时间不同β值下12个本底ROI
本底变异系数值的变化
TBR、CNR均升高，并且热灶的体积越大其TBR、CNR升高越明显，根据上述结果β值为300时，可以兼顾到PET图像质量的CV、TBR和CNR，见图2和图3。

注：图中TBR 为靶本比；H1～6分别代表直径为10 mm 、13 mm 、17 mm 、22 mm 、28 mm 和37 mm 的热灶小球
图2 相同采集时间不同β值下对应的靶本比的变化
注：图中CNR 为对比噪声比H1-H6分别为直径为10 mm 、13 mm 、17 mm 、22 mm 、28 mm 和37 mm 的热灶小球
图3 相同采集时间
不同β值下对应的对比噪声比的变化趋势
2.3 β值对HRC 和VRC 的影响
定量分析中，β值越小活度定量测定越准确，体积定量越准确。

HRC随着β值增大而下降，热灶直径越大，HRC越高且随β值下降越平缓。

β值为300时，模体内最小直径的热灶为10 mm，热灶HRC为0.48，直径13 mm、17 mm、22 mm、28 mm和37 mm
热灶平均HRC为0.72(0.65～0.78)，见图4。

注：图中H1-H6分别代表直径为为10 mm 、13 mm 、17 mm 、22 mm 、28 mm 和37 mm 的热灶小球
图4 相同采集时间不同β值下
对应的热灶活度恢复系数的变化趋势体积定量分析中VRC随β值的增大而增大，不同直径小球体积变化趋势存在差异。

10 mm热灶随β值的增大呈现速升趋势，其中β值为50～300时，VRC缓慢升高，其中150～200时更接近于1(0.93～1.12)；β值＞300时，VRC呈现速升趋势，热灶轮廓越来越模糊。

β值为300时，VRC为1.34；直径为13 mm、17 mm、22 mm、28 mm和37 mm的5个热灶VRC均值为0.99(0.86～1.05)，见图5。

注：图中H1-H6分别为直径为10 mm 、13 mm 、17 mm 、22 mm 、28 mm 和37 mm 的热灶小球
图5 相同采集时间
不同β值下对应的体积比值的变化趋势
3 讨论
PET从分子层面获得生物体代谢的功能性信息，
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是肿瘤的诊断、临床分期和疗效评价的重要手段[9]。

PET有常用的两种重建算法，即滤波反投影(filtered back projection，FBP)法和迭代法，有序子集最大期望值(ordered subsets expectation maximization，OSEM)法迭代[10]是常用迭代算法。

BSREM算法增加信噪比，可以使图像达到完全收敛状态，从而实现PET显像更精准的定量化分析[11-12]。

BSREM算法是在OSEM基础上嵌入内降噪正则化功能发展而来的一种新型重建算法，其包括点扩散函数(point spread function，PSF)的建模和通过使用噪声抑制惩罚项对图像噪声的控制，使本底背景区域更加的细腻，热灶边缘模糊，增加热灶的信噪比，使图像达到完全收敛状态和更精准的定量化分析[13-14]。

在BSREM重建过程中由β值单个参数控制，该参数确定惩罚项的强度，不同β值对图像质量和定量化分析有一定的影响。

Ross等[11]证实BSREM算法相对于传统的OSEM 算法，可有效提升PET图像质量，降低噪声，与本研究结论相同；并比较OSEM与BSREM算法对NEMA IEC模体人体躯干模体及临床图像质量影响，结果显示BSREM不仅显著提升PET图像的信噪比，更好的控制并降低噪声，在临床定量分析更加准确。

在BSREM算法中，β值作为噪声抑制惩罚因子，控制噪声和正则化惩罚项的相对强度，减少相邻图像像素之间的差异，并在OSEM的基础上提供精确的定量分析和更高的信噪比。

Sah等[15]通过对41例患者病例进行BSREM和OSEM重建，其研究结果显示，BSREM能更好的检出微小病灶，并且随病灶尺寸大小和检查部位的不同，BSREM中的噪声抑制修正因子β值选择不同。

本研究结果显示，选择不同的β值对不同直径大小的病灶检出是有影响的，β值越大对小病灶的检出越难，其原因是部分溶剂效应造成。

Reynés-Llompart等[16]对11例临床患者和NEMA模体PET图像进行OSEM-TOF和BSREM-TOF的重建，对提出的背景变异(background variability，BV)进行分析，其结果显示BSREM算法中背景噪声变化都随β值的增大而降低。

与本研究数据结果相仿，随着β值的增加CV逐渐减小，表明降低图像噪声，使图像变的更加细腻。

此外，本研究结果中当β值＞300时，CV值曲线在β值＞300时达到平台期，即随β值增加对图像噪声改善不再明显。

TBR和CNR是PET图像质量的重要标准，TBR 是描述靶区与本底浓度之间的关系，类似于SNR，CNR是描述两种组织类型之间的信噪比差异。

CNR
是优于TBR的一个质量指标。

本研究结果显示，TBR、CNR随着BSREM算法中β值的增加而升高，PET图像质量变得细腻，热灶边缘轮廓逐渐模糊，考虑是因为随β的增大，热灶的锐利度降低，部分容积效应增大[17]。

由此可见，增加过多的噪声惩罚抑制因子β值对病变的检出能力会有负面影响。

本研究结果显示，随着BSREM算法中β值的增加，不同直径热灶TBR和CNR变化趋势存在差异。

直径为10mm热灶的CNR在β值为300时达到最好，β值＞300后CNR开始缓慢下降。

Reynés等[16]研究中也有类似结果，10mm、13mm和17mm的3个最小热灶的CNR、TBR在β值为300时达到最大，此后随着β值的增大CNR、TBR出现下降的趋势；其余较大热灶CNR随β值的增大而升高。

与本研究结果存在差异的是13和17mm热灶随着β值的增大TBR、CNR变化趋势不一致，可能与扫描设备灵敏度有关。

Reynés等[16]的实验中所采用的仪器设备型号为GE Discovery IQ，搭载的PET探测器为锗酸铋(Bi
2
O
3
-GeO
2
，BGO)晶体，其主要原因是与本研究设备PET探测器SiPM晶体不同，BGO晶体探测器灵敏度远低于SiPM晶体，而且Howard等[18]采用GE Discovery IQ型号的PET/CT，得出当β值在150时能显著改善图像质量，β值因PET探测器种类不同而存在着差异[18]。

以往研究多集中在FBP、OSEM、OSEM-TOF等不同重建方式及BSREM算法中不同β值对图像质量的影响，对定量研究少有报道。

精准定量分析在肿瘤的定性定位诊断有重要的意义[19]。

本研究结果显示，定量分析中β值越小活度定量测定越准确，体积定量越准确。

且不同直径热灶的定量分析存在差异；当β值为300时，37mm热灶的HRC为0.78，更近于1；而10mm 的HRC为0.48，约为真实值的1/2。

此外，β值为300时，在不同直径热灶VRC中，Reynés-Llompart等[16]
在临床研究结果显示病灶SUV
max
随β值的增大而减小，肿瘤代谢体积(metabolic tumor volume，MTV)增加，与本实验研究定量分析结果相仿；β值增大，图像变的平滑，部分容积效应增加，使得图像失真，由于部分容积效应的影响，从图像上得到的热灶放射性浓度比实际值低，并且使图像上的热灶大小与真实大小不同，这不仅使图像模糊，而且使定量指标(如标准摄取值)失真，影响诊断[20]。

图像热灶的“溢出效应”从而造成了热灶的HRC和VRC随着β值的增大而
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对PET图像质量和定量分析的影响-陈炜等
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减小。

由于核医学图像噪声高的特点，对较小的病灶部分容积效应造成的偏差远大于噪声的影响，因此热灶体积越小，部分容积效应影响越大，受β值影响越明显[21]。

4 结论
在BSREM算法中当β值为300时，PET/CT图像具有较好CV值和TBR、CNR，β值对不同直径热灶小球的恢复系数和体积恢复系数的定量分析存在差异。

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