文摘
为了从宠物图像中提取定量参数,几个物理效应,如光子衰减,散射,部分体积必须考虑。这项工作的主要目标是评价光子的衰减小动物和两个衰减校正方法的实现基于x射线CT图像分割产生的废气。第一种方法的准确性的射束硬化效应研究采用蒙特卡洛模拟。鼠标,各自迥异的幽灵是为了评估衰减校正的计数浓度增量和恢复统一活动。两种方法被应用于小鼠和大鼠获得图像等放射性示踪剂前的,11C-acetate,68年Ga-chloride,氟化钠。提议的方法的准确性是评价心脏和肿瘤组织使用前的图片和在肝、肾和脊柱组织使用乙酸,氯,氟化钠图像,分别。在活的有机体内动物研究的结果表明,除了骨扫描,差异提出的方法在大鼠和小鼠的3%约10%。总之,这两种方法都提供相同的结果;然而,有效的方法有几个优点不太耗费时间和简单的实现。
1。介绍
正电子发射断层扫描是一种定量成像技术,能够提供准确的放射性示踪剂浓度每体素值重建体积。放射性药物的浓度是很重要的,因为知识,结合适当的数学模型,它允许评估几个感兴趣的生理参数,如灌注、葡萄糖代谢率,和受体密度(1]。为了获得准确的量化放射性示踪剂浓度,必须考虑几个物理因素,如衰减(AC) [2),散射(3),和部分体积校正(PVC) (4]。在这部作品中,注意力都集中在衰减修正小动物PET图像,这是众所周知的是有关人类患者(5),但也可能是重要的小动物。衰减校正被广为讨论的文献对人类PET和SPECT研究;然而,只有一些论文关注交流小动物(6- - - - - -11]。
有几种方法来获得衰减地图可以用来正确宠物图像衰减。主要分为两类:传输和transmissionless方法。
第一类方法是基于传输图像的采集的主题。最常用的方法是基于递送的图像使用,例如,旋转或环形的来源,分段递送的形象,x射线CT图像。传输扫描可以在巧合和单执行模式。
一个非常简单的方法包括使用一个环形源周围的对象和获取传输图像在巧合模式;然而,由此产生的图像可以很嘈杂。另一种方法是使用一个旋转杆来源;在这种情况下,散射和随机的巧合减少因为只有响应(那时)共线的线源被接受。棒源通常是非常活跃的,因此,探测器源附近的展品高死时间导致一个重要的损失数量(13]。同样的问题也发生在单光子源的情况下;为了获得优质递送的图像使用一个全3 d扫描仪,点光源,必须使用非常高的放射性浓度。这个问题可以解决,使用平行,单光子,点光源14,15]。然而,单模收购方法也有几个缺点:大量散射组件是包含在递送的形象,和能量衰减地图缩放是必要的,因为不同的光子能量的递送的来源。例如,发出662 keV光子。在这种情况下,衰减地图可以分段递送的图片,和已知的衰减系数在511 keV分配给每个分割区域(16,17]。最后和传播最常用的分类方法是基于CT图像的采集。近似地描述的方法,511 keV能量比例衰减系数是必要的。
传输方法时更准确估计衰减地图,因为他们考虑到尺度对象的衰减系数。每个人也有几个缺点;他们更耗时,麻醉的动物有很长一段时间,还会接收transmissionless方法相比更大剂量的辐射。递送的PET图像不遭受coregistration问题引入构件衰减地图,但是他们会很吵。为了减少噪音递送的宠物图片,介绍了细分,但其他问题与时间和剂量仍。
Transmissionless方法进行手动或自动描述身体的边缘直接发射图像内的衰减系数假设均匀分布对象(18,19),或通过自动使用模糊聚类图像分割算法(20.]。Transmissionless方法少准确描述边缘和提供一个详细的衰减地图,但是他们不太耗费时间的优点,不要增加剂量的动物,允许无噪声衰减地图。此外,coregistration过程不是必需的,因此对图像构件衰减地图不太敏感。
在这个工作中,提出了两种衰减校正方法:CT-based方法和基于分割的宠物transmissionless AC方法数据。我们首先估计衰减效应的大小在小动物使用老鼠和老鼠的幻影。为了实现基于x射线方法,我们校准的小动物CT扫描仪,我们获得了一个函授CT - 511 keV衰减系数。为了评估的准确性对beam-hardening CT-based方法,我们进行了蒙特卡罗模拟对各自迥异的对象。随着CT扫描将收购时间或剂量添加到动物,我们建议进一步基于PET图像的分割方法。宠物数据分割可能无法提供精确的衰减地图,因为根据使用的放射性示踪剂,身体边缘并不总是划定。我们获得的图像使用等放射性示踪剂前的,乙酸,氯,氟化钠和评估的准确性对CT-AC PET-based方法。
2。方法和材料
2.1。光子的衰减
众所周知,传播511 keV光子穿越物质表达的指数律制定如下: 在哪里和是传播和入射光子将,是光子的路径通过对象,然后呢是线性衰减系数图。
指数项,我们称之为,的概率是一个光子到达探测器。在宠物,如果至少有一个事件是无法检测到两个湮没光子被吸收的对象。在这种情况下,为每个卤降低事件的数量。一个毁灭事件记录的概率是由每个光子的概率的乘积到达探测器,由以下方程表示: 在哪里是投影角,径向位置。我们可以看到在2),总长度的概率取决于两个湮没光子的路径在宠物的对象是物体厚度沿卤。的价值有关投影角度和径向位置。方程描述测量预测是减毒拉东变换,制定如下: 在哪里在角投影数据吗和本代表原始活动集中的形象,是一个函数衰减系数映射,代表了啦。
2.2。系统描述
PET图像获得的探索Vista临床PET层析x射线摄影机(通用电气(General Electric) [21]。扫描仪可以获得宠物图像使用三种不同的能源windows(100 - 700、250 - 700和400 - 700 keV)。就我们的目的而言,所有图片都是获得使用400 - 700 keV能量窗口。扫描仪探测器系统包括36个探测器块,安排在两个戒指的直径11.8毫米。每个块都是一个数组的1.45毫米平方phoswich晶体:镏硅酸钇LYSO晶体的7毫米深度光耦合到一个8毫米深度钆晶体正硅酸盐(GSO)。这种设计允许获得深度的交互信息(22]。横向和轴向的视野(FOV)等于6.9厘米和4.6厘米,分别。没有修正随机和散射进行了研究。所有的图片都用2 d-osem算法重建(23傅里叶rebinning)后(前)24]。CT图像获得使用探索轨迹小动物CT断层扫描(通用电气(General Electric)。管电压80千伏,电流是在450年μa系统的特征是固定阳极钨靶源。x射线探测器CCD阵列耦合到碘化铯闪烁晶体(CsI)。扫描仪可以获取和重建图像与不同像素装箱,因此,不同分辨率水平(27 - 93μ米)。transaxial FOV维度在93年收购= 8厘米μm分辨率。轴向FOV是相同的所有收购协议,它等于4.5厘米。就我们的目的而言,所有图片都是使用93收购μm分辨率。图像与Feldkamp锥束重建算法(25]。
2.3。衰减校正方法
所有的图像与探索获得Vista attenuation-corrected使用CT和SE方法如后所述。CT-AC和SE-AC方法的原理图是显示在图1和2。
2.3.1。CT-AC方法
CT AC方法是基于一个胡锦涛和相应的线性衰减系数之间转换511 keV。CT图像地图是有用,因为他们提供详细的衰减系数。当使用CT图像的最重要的问题是射束硬化的效果。为了研究CT AC方法的准确性,我们使用PeneloPET,蒙特卡罗代码宠物模拟基于佩内洛普[27]。的几何形状和构成rat-phantoms和探索Vista扫描仪都实现匹配那些受雇于真正的收购。我们只选择模拟rat-phantom因为射束硬化效应比如何在这种情况下更重要的对象。CT-based衰减校正图像与图像模拟没有衰减材料。在两个图像,概要文件和感兴趣的区域(ROI)进行分析。CT的校准程序是由使用微型CT的插入QC幻影76 - 430核的同事。插入气缸有不同的密度值和线性衰减系数在511 keV。数据发布的国家标准与技术研究所的表1(26]。CT-AC使用Matlab实现,更准确地说,宠物和校准衰减地图图像向前分别为了执行根据减毒拉东变换衰减校正(见(3))。
各缸的CT图像和一个小(ROI)收购了在图像来计算胡的平均值。衰减系数在511 keV绘制的测量,并进行二次适合数据。
2.3.2。分割放射图像的交流方法
图像分割的排放进行全局阈值通过Matlab代码,为了获得一个2级的图像,对应于空气和软组织。幻影的PET图像轮廓总是清晰,因此,细分是很容易执行。在动物宠物图片,身体边缘的检测取决于biodistribution放射性示踪剂的注入。评估SE方法的适用性、宠物图像用不同的放射性示踪剂。
2.4。幻影数据
为了评估光子衰减的影响宠物图像和前一节中描述的衰减校正方法的准确性,幻影的一些研究。两个圆柱幻影直径不同,充满了不同浓度的氟脱氧葡萄糖(fdg) PET和CT扫描模式:(我)如何幻影,充满了统一活动浓度;(2)各自迥异的幻影,充满了统一活动浓度;(3)各自迥异的幻影与热范围内(球体背景比率等于4)。
注射器的30毫米直径30 cc作为如何幽灵,而圆柱幻影直径50毫米和80毫米的长度是作为各自迥异的幻影。鼠标,各自迥异的幽灵满心的溶液配合活动浓度约为1兆贝可/ cc和0.5兆贝可/ cc,分别。几种沸石与少量的浸泡fdg(约5兆贝可/ cc)被固定在两个幻影为了使用它们作为框标coregistration过程(28]。对于每一个幽灵,一个20分钟的PET扫描和CT采集进行了6分钟。为了使PET和CT,这两个图片是coregistered使用刚体变换实现酰胺(29日]。
为了测量获得的改进与AC,概要文件和ROI分析进行。恢复值房车每个AC方法计算以下方程: 在哪里,投资回报率AC-CT,投资回报率AC-SEROI的平均值绘制在未修正的图像,AC-CT, AC-SE图像,分别。为了评估形状恢复,我们也计算概要的平面度(即。,the relative difference in the number of counts between the edges and the centre of an uniform phantom) with the following formula: 在哪里是最大的,最小的计数资料。热领域的各自迥异的幻影是用来模拟一个宠物热损伤的形象。恢复值房车在球体为每个AC方法进行评估。
2.5。动物的数据
为了测试衰减校正方法尤其是SE-AC动物图片,PET和CT扫描的小鼠和大鼠进行了使用不同的放射性示踪剂,在所有的动物研究机构的伦理委员会批准:(我)1鼠和2小鼠注射fdg(肿瘤和心脏研究);(2)3进一步老鼠注射氟化钠,乙酸,氯。
所有动物麻醉有3% - -5%的七氟醚和1 l / min的氧气在尾静脉注射与活动大约30、50兆贝可分别。宠物收购20分钟一次吸收后被执行时间根据放射性示踪剂。大约一个小时的吸收fdg和氟化钠的研究,大约30分钟氯收购。的被收购后立即注射醋酸图像。CT扫描的6分钟就为每个动物宠物收购后执行。PET和CT图像coregistered为了执行交流。分割过程应用于每个宠物的形象,和动物测试SE-AC方法研究不同的放射性药物。为了比较这两种方法,执行CT-AC每个图像。我们分析图像执行概要文件在一个特定的解剖区域的轴向片有关放射性示踪剂使用,在解剖ROI计算平均值。因此,我们计算了恢复值根据(4)和评估有效交流方法的心,脊柱,肝脏和肾脏前的,氟化钠,乙酸,分别氯。
3所示。结果
3.1。CT图像校准
在本节中介绍了CT图像校准的结果。校准函数(图3)是由以下方程: 在哪里511 keV的衰减系数,胡(谁)是CT测量数量的形象,符合系数,,。相关系数等于0.993。
3.2。蒙特卡罗模拟法评价CT-Based衰减地图
在本节中,真实和虚拟的宠物图片,轴向片CT-AC校正前后。更准确地说,图4显示了初始宠物transaxial片和CT-AC图像各自迥异的幻影。概要文件追踪在如图6。他们显示计数增加约40%,根据计算平面度(5)纠正和未修正的图像约1%和22%,分别。图5显示了轴向片模拟宠物图像和没有衰减。概要文件追踪整个模拟图像(见图7)展示一个增量的数量和形状的复苏。在这种情况下,这个概要文件在未修正的图像的平面度等于23%,和订单的数量增加而衰减也为40%。然后,模拟预测相同的行为对于衰减与CT-AC过程,从而验证CT-AC方法。
(一)
(b)
(一)
(b)
3.3。幽灵的研究
数据8和9显示配置文件追踪整个中心的transaxial片的预处理和postcorrected图像如何幻影充满了集中统一的活动。可以看到,有一个显著的改善后的图像均匀性AC。特别是,资料显示,增量的巧合和形状恢复。表2总结了计数测量ROI的中心部分,概要的平坦的原始宠物,CT-AC, SE-AC幻影研究图像。
房车获得的值(4)显示鼠标——和各自迥异的幽灵明显复苏。CT-based之间的差异和SE-based AC房车是少于2%和3%的老鼠和老鼠幻影,分别。概要文件追踪整个图像和平面度值显示图像预处理和postcorrected之间有所改善。在各自迥异的幻影,我们观察到典型的工件拔火罐。交流后,拔火罐消失和计数恢复是很明显的。在前一节中解释说,收购一个老鼠幻影包括一个热门领域。图10显示配置文件在炎热的球体。数(计算使用的恢复(4)在热领域关于CT-AC的原始图像,和SE-AC方法是显示在表2。两种方法之间的差异大约是7%。
3.4。动物研究
在本节中,衰减校正的结果小动物图片注射放射性示踪剂。图11显示了一个示例的CT图像,分割的宠物形象,以及它们之间的叠加。
(一)
(b)
(c)
在每一个图表,显示一个轴向的动物形象显示谱线轮廓的位置。此外,对于每个动物的研究中,一个表总结具体ROI的平均值项未修正的和纠正图像显示。RV计算(4)是在每个表。粗线追踪在原始未修正的图像,和虚线和完整的线追踪整个SE-based CT-based交流图片,分别。谱线轮廓的位置在PET图像的右侧图所示。
图12整个鼠标肿瘤显示了配置文件。这个概要文件的峰值右侧肿瘤是相对的。可以看到,经济复苏的重要交流图像具有重要意义。表3显示计数测量在一个ROI内肿瘤。同样的分析心脏的宠物老鼠的形象,以验证SE-AC方法量化的示踪剂的性能在左心室心肌和吸收。图13显示了轮廓跟踪在鼠标的心。这两个峰的AC图像恢复,此外,他们非常相似。更准确地说,在桌子上4,我们显示计数的平均值在心肌和左心室的三张图片和相对恢复值两种交流方法计算(4)。房车从两种方法获得的差异小于3%。
为了评估衰减对心脏的影响老鼠图片,同样的分析心肌和左心室进行心脏fdg PET图像的老鼠。图14说明了档案追踪在老鼠的心脏。在表5计数的平均值的矫正和修正图像,显示相对房车。SE-AC和CT-AC方法之间的差异小于9%。作为讨论的部分2.3。2,当使用配合,可以清楚地看到动物的边缘,因此,执行宠物图像的分割得到衰减地图。
为了研究SE-AC方法与其他放射性药物的使用,我们也交流方法的性能进行了评价乙酸,氯,氟化钠的图像。为每个这些放射性药物,一张桌子和线路纵断面图所示。表6显示计数的平均值计算使用一个ROI画在鼠肝醋酸形象和相对房车与两种交流方法获得。这两种方法的区别是11%左右。图15显示配置文件在大鼠肝脏醋酸的形象。SE-AC方法也提供了良好的结果醋酸的图像。
图16和表7显示的两种交流方法的结果氯的形象。注意,档案跟踪整个两个交流图片非常相似;房车两者之间的交流方法的差异大约是7%。分割的氟化钠图像创建衰减地图更难获得。区别RV CT-AC和SE-AC方法计算达到20%。概要图所示17,结果如表所示8。
4所示。讨论
放射性示踪剂浓度,以达到准确的估计修正衰减,散射,部分体积效应是必要的。我们的主要目标是评估衰减在小动物PET图像的重要性。平均而言,我们的研究结果表明,数衰减校正后恢复对未修正的图像约为20%(40%)的小鼠(老鼠)图像。两种交流方法进行评估,即CT-based和segmented-emission-image-based AC。
类似的结果也通过El阿里和他的同事们(30.]。在他们的工作,他们在小动物进行衰减校正显示一个低估真正的活动浓度约为10% - -20%。他们还表明,PET-based CT-based衰减补偿方法提供类似的结果在宠物制服AC方法可以应用只有更少的准确性是可以接受的。
在我们的研究中,我们获得了几个幻影,老鼠,老鼠图片。我们还测试了SE-AC图像获得使用等放射性示踪剂前的,氟化钠,乙酸,氯。
为了实现CT-AC方法,我们进行了通用电气的探索轨迹CT系统的校准将CT数字在511 keV衰减系数。因此,我们能够创建衰减地图在正确的能量。的x射线CT系统采用多能,beam-hardening效应可能导致构件影响CT图像的质量,因此衰减地图的准确性。出于这个原因,我们进行了蒙特卡罗模拟,以评估CT-AC和MC模拟之间的区别。平坦的区别真正的CT-AC宠物图像和AC模拟图像显示,3%在CT-AC射束硬化的影响有一个微不足道的影响力。
为了测试这两个交流方法,我们获得了一些幻影。如何幻影充满统一活动集中收购量化的重要性衰减效应和测量形状恢复。我们还获得各自迥异的幻影均匀充满中,我们观察到一个明显改善平面度值。SE-AC和CT-AC方法之间的差异小于3%计数恢复和不到2%的平面度值。
为了量化计算的复苏后左心室心肌和交流,我们收购了老鼠和老鼠图片使用配合。结果表明,SE-AC方法会导致不同的计数恢复约3%和10%为老鼠和老鼠CT-AC方法,分别。我们也评估数量的恢复在小鼠乳腺肿瘤显示的差异房车对CT约1.5%的交流方法。SE-AC方法的准确性也评估老鼠图片获得乙酸,氯,氟化钠。RVCT之间的区别和RVSE测量肝脏醋酸图像是大约11%。执行的ROI分析氯图像肾脏导致CT-AC和CT-AC之间的差异约7%。脊柱的ROI分析约20%的氟化钠画面显示不同的房车。这略高于CT-AC和SE-AC使用时的区别氟化钠图像是由于更多的困难在轮廓描述错误的分割过程,也使得当分配在骨骼组织氟化钠扫描软组织的衰减系数。体内研究表明,RV值通过使用比CT-AC SE-AC普遍低下,除了肿瘤小鼠研究RV值对AC方法非常相似。
5。结论
本文的主要目的是展示SE-AC提供可比的结果越复杂和耗时CT-AC方法。我们证明这几个放射性示踪剂用于临床成像等前的,乙酸,氯,氟化钠。SE-AC方法,然而,一些局限性和可能失败时使用的是非常具体的示踪剂。在这种情况下,必须应用CT-AC方法。
正如所料,AC鼠比鼠标图片更重要。在动物身上进行的所有研究,我们观察房车CT-AC和SE-AC方法之间的差异小于10%,除了氟化钠图像偏差为20%。在所有情况下,房车估计从SE-AC小于CT-AC的一个估计。总的来说,我们可以得出结论,SE-AC计数复苏的方法提供了良好的定量估计,与那些从CT-AC获得。这是重要的考虑SE-AC的优点:它需要更少的时间在标准方法基于CT图像,因为CT图像采集和,因此,不需要coregistration过程;它不添加剂量的动物,这是非常重要的,需要反复的研究;小动物时它还可以使用CT扫描仪不可用。
信息披露
作者透露,他们没有直接金融与任何商业身份在论文中提到的。
确认
作者要感谢radiopharmacy人员提供他们的实验中使用的放射性示踪剂和西尔维亚Trespidi博士帮助动物处理。本研究部分基金会支持的德尔蒙特di博洛尼亚和Regione伊米莉亚Romagna-SPINNER财团。