文摘

客观的。这项工作的目的是评估自适应阈值算法的健壮性和可靠性的生物目标体积估计将重建参数。方法。在一项多中心研究中,球体的幻影不同直径(6.5 - -57.4毫米)充满了¹⁸F-FDG在不同target-to-background比率为:2.5(-70年)和扫描不同采集时间(2 - 5分钟)。图像重建算法使用不同的迭代次数和postreconstruction transaxial平滑。确定最优阈值(TS)体积估计的百分比最大强度截面面积的球体。多元回归技术被用来确定有关预测TS。结果。模型适合高(的美好R²:0.74—-0.92)。为最重大的一个预测是TS。扫描仪,除了双子扫描仪,应用是一个独立的预测TS。扫描仪不同模型之间的显著差异观察,但不是同一个模型的不同扫描仪。交叉验证的收缩很小,表明优秀的模型估计的可靠性。结论。整合postreconstruction过滤应用在北京电视台估计的自适应阈值算法允许获得健壮和可靠的方法应用到各种不同的扫描仪,没有scanner-specific个人校准。

1。介绍

在过去年的coregistration¹⁸F-fluorodeoxyglucose正电子发射断层扫描(¹⁸F-FDG PET)图像和计算机断层扫描(CT)图像获得了越来越感兴趣的分期和治疗计划肿瘤放射治疗的几个网站。然而,标准化的方式将宠物信号转换成目标卷还没有可用的(1]。

开发了新的半自动和自动分割方法暗示梯度,区域增长,集群、统计方法和其他方法2- - - - - -9]。而指这些有前途的方法,应该指出,这些新方法受到广泛的图像预处理的需要(如边缘检测)。此外,大多数的这些新算法并不普及,所以他们使用目前开发商和限制,因此,他们不是独立验证。

PET扫描除了目视检查,患有interobserver可变性(10)、阈值方法被广泛用作宠物生物目标分割方法在临床实践中体积(电视台)描述为放射治疗计划。自适应阈值方法基于contrast-oriented轮廓线算法已经被许多团体独立开发和验证在头部和颈部的病人数据,在肺癌淋巴结(11- - - - - -13]。这些方法都是基于幻影测量获得“真正”的体积之间的关系和阈值应用到宠物图像。

这些threshold-volume曲线对PET / CT扫描仪之前获得不同target-to-background比率(创业),目标维度,postreconstruction平滑(14]。之前它已经证明了发射扫描时间(ESD)和背景活动集中,相关的图像噪声,不预测(PET图像的阈值水平15]。此外,提高分割算法不受不同条件的衰减和散射可能遇到不同的解剖区(16)和迭代重建算法的收敛程度(14]。

虽然自适应阈值方法适用于每个PET扫描仪,通常假设获得的参数的值在模型构建系统依赖这样一个特定的校准每个宠物系统是必需的。另一方面,较低的硬件相关的解决问题的办法的宠物市场细分可以提供一个健壮的算法,容易与图像获得可用不同的扫描仪模型不需要个人的以往任何优化图像质量。

我们的假设是可以实现这一目标将在我们的算法的重建参数对阈值测定的影响。来验证这个假设,我们首先开发了一个原始方法适应阈值(TS)用于估计北京电视台在PET图像。该方法结合了PET重建参数影响阈值测定。其次,我们研究了在多中心试验中该方法的鲁棒性对各种扫描仪模型,重建设置,和收购条件:采用多变量方法研究TS的依赖,定义的边界¹⁸F-FDG吸收对象特性(对比、大小),采集参数(扫描时间),和重建模式(重建算法、迭代次数和数量的postreconstruction平滑)在11个最先进的PET / CT扫描仪安装在八个不同的机构。最后,我们评估的可靠性回归模型通过使用split-sample分析。

2。材料和方法

2.1。幻影

测量进行NEMA IEC身体幻影集(数据频谱公司,希尔斯堡惨案,NC)。这个幽灵包含6共面球体,内部直径10 (ID), 13日,17日,22日,28日和37毫米。一套补充2 microhollow球体的6.5和8.1毫米1球的57.4毫米,ID是定位在底部的幻影。实验设置如图1与球体id(毫米),最大截面区域()(毫米²),卷(mL)。相同定位的幻影是确保通过激光定位器和童子军CT采集。

2.2。PET / CT扫描仪

十一PET / CT扫描仪用于鲁棒性研究:n。2发现圣(S1, S2) [171,n。发现STE (S3) (18),n。发现600 (S4, S5) [19发现,n。690 (S6) [20.)(通用电气医疗集团,密尔沃基,WI), n。1放映机HI-REZ (S7) [211)和n。放映机TRUEV (S8) [22)(西门子医疗解决方案,诺克斯维尔,TN), n。1双子座XL (S9)和n。2双子座特遣部队(S10, S11) [23)(飞利浦医疗系统,克利夫兰,哦)。技术特点和物理性能的PET / CT扫描仪数据来自工厂和/或以前的出版物和报告在表1。

2.3。幻影收购

IEC幻影的背景充满了3 kBq /毫升活动的浓度¹⁸F-FDG。一种标准协议旨在为每个扫描仪模型生成下面的收购。

(一)九个不同为(2.5:1,4:1,8:1,16:1,25日:1、35:1,47:1,55:1,70:1),由剂量校准器和稀释,在不同成像采集会话。测量为测定在重建图像的最大像素强度在感兴趣的区域(ROI)包围目标的横截面积,除以平均像素强度球体周围的ROI。这些为范围从70到2.5,全范围内观察到病人。

(b)四种不同的ESD(2、3、4和5分钟)是提供独立的复制实验。

2.4。PET图像重建

2.4.1。发现圣,放映机HI-REZ,放映机TRUEV

这些系统使用一个2 d Fourier-rebinning(前)有序子集期望最大化(OSEM)算法与所有修正(散射,随机的,死亡时间、衰减和正常化)纳入迭代重建计划。在这些系统中,用户可以指定的迭代次数和独立的子集和transaxial postreconstruction高斯平滑,通过过滤器半宽度(应用)用毫米表示的。

2.4.2。600年发现STE和发现

3 d - 600系统使用一个完全d-osem算法修正纳入迭代重建方案。重建设置上面的一样,唯一的区别是轴向滤波器是一个意味着滤波器可用内核的1:2:1,1:4:1,1:6:1。

2.4.3。发现690

3 d - 690系统使用一个完全d-osem算法修正纳入迭代重建方案。此外,新的重建算法d - 690是可用的,这增加了标准配置的航班信息(TOF)和/或一个3 d模型的d - 690宠物点扩散函数(PSF)。TOF的激活和/或PSF不需要任何新参数的设定相比使用3 d-osem算法(数量的子集,迭代次数,重建的视野(FOV),图像矩阵,和轴向和transaxial提交过滤器)。在这项研究中,TOF和PSF的信息都包含在重建计划。

2.4.4。双子座XL

该系统使用一个全3 d line-of-response(卤)基于迭代重建算法提出了最大似然算法(RAMLA) [24]。是固定的迭代次数(2迭代和33子集)和重建协议包含一个可修改的参数,可以调整图像的质量设置为正常,光滑,或尖锐。

2.4.5。双子座特遣部队

本系统采用TOF最大似然采用重建算法(TF-MLEM) [24]。重建协议包含三个可修改的参数,可以设置为调整图像的质量:第一个是迭代次数(3迭代和20个或3子集迭代和33子集);第二个是一个所谓的松弛参数,可以设置1之间,0.7和0.5和控件的大小变化,每次迭代使得图像。第三个参数,内核TOF的宽度,可以设置由用户在两个级别(双子座TF手册)25]。

类型的重建算法,迭代算法的收敛性,和postreconstruction平滑法应用于图像的不同从临床收购协议在每个机构用于放射治疗计划。总的来说,在每一个扫描仪,收购的最大理论独立的组合参数可用于后续的模型拟合9球为×4 ESD = 324。8.1和6.5毫米球并不总是包括在分析,因为它们不是在所有幻影收购清晰可见。重建模式可用于模型拟合的数量取决于扫描功能:重建参数的细节与体素重建图像的大小和数据点的数量实际上是用于模型拟合每个扫描表所示2。

2.5。图像分析

TS确定的比例最大强度截面面积的球体。目标区域的横截面选择中间的球体,这构成了最大截面的球体。TS的价值观是完全基于明显的活动集中在图像,而不是已知的活动实际上放在球体。找到TS值,产生了一个区域最佳匹配的真正价值,横截面在衰减修正autocontoured片不同TS在步骤的1%,直到该地区不同取决于小于10毫米²而其已知的物理值。

分析是由一个自动程序,EyeLite RT v.1.1 (g²,维琴察,意大利),以避免影响运营商的roi尺寸和最小化roi的运营商定位的影响。在后台操作员放置六17毫米直径roi的球体周围的区域。这6个roi的平均强度被用作背景值(BG)。ROI分析只对视觉检测领域:这占差异理论和实验数据点为每个扫描器收集。

2.6。统计分析

为每个组合等效迭代数量()和ESD (),以下变量进行评估:横截面定义为目标,定义为,定义为应用。

多元线性回归分析来定义之间的关系最好的TS ()(提供最准确的球体横截面积),,。多元回归模型用于配合 在哪里,,,回归系数估计和吗误差项。假设TS和独立变量之间的线性相关已经证明在Brambilla等人在Matheoud et al。14,15]。然而,非线性目标函数甚至指标函数根据不同的参数范围可以追究配件TS。

额外变量,反映出的特征重建协议的扫描仪,插入在模型中作为独立的预测因子。轴向平滑被认为是690年发现和体元维度对生物运动描记器插入Hi-REZ,而松弛参数和TOF内核宽度占在双子座双子座TF,分别。

逐步向前选择被用作选择变量和策略数据被用作标准选择一个模型。为每一个回归模型拟合优度表达使用调整确定系数()。拟合优度报告在每个阶段的模型构建部分。保留一个变量在模型的标准和一个至少0.01的增量为了小心谨慎包括冗余变量进入模型。的重量不同的独立变量解释TS量化通过标准化回归系数。

回归模型的可靠性评估通过split-sample分析(26]。使用这种方法,所有观察每个扫描仪模型被随机分配到两组之一,培训组或抵抗组。回归模型派生的使用培训组和样品方多重相关获得了。然后培训组的预测方程被用来计算预测值的抵抗组织。最后,单变量的相关性(交叉验证相关)获得这些预测值之间和抵抗组中观察到的反应。回归模型的可靠性是利用交叉验证的收缩系数表示。作为一个标准,收缩值小于0.10被认为是表明一个可靠的模型。

为了比较不同的多个回归TS作为的函数独立变量为两个不同的扫描仪,额外的哑变量,编码为每个扫描仪,在模型中插入。一个回归模型是由池数据来自两个扫描仪和插入这哑变量作为一个预测。的标准保留这个变量在模型中指定的。

统计分析了使用软件Statistica 6.0 (Statsoft Inc .,塔尔萨OK)。

3所示。结果与讨论

3.1。多元线性回归

图2显示了平均TS的情节与横截面区域的粗分组为每个扫描模型。

TS与预测变量情节只安装了横截面面积> 133 mm²在临床相关量的范围由1到100毫升。133毫米的横截面积²(对应于一个球体ID 13毫米,约的双重应用扫描仪)被选为分隔符的数据由于扫描仪的分辨率特性。

后(1最好),回归方程,总结获得的结果与TS在多元回归模型预测变量为每个扫描表报告3与相应的参数的值。在第三列的表3多-模型拟合的报道,而最后一列显示了排名的独立预测因子的标准化回归系数和TS方差解释为每个预测。

发射扫描时间和迭代算法的收敛程度从未TS的重要预测因子。这提供了一个确认之前报道的发现。在690年发现的轴向平滑,体素的大小在放映机Hi-REZ,放松双子座扫描仪,内核的飞行时间的宽度修正双子座特遣部队没有TS的重要预测因子。

模型的善良健康,评估确定系数高,从最小的0.74 0.92 690年发现的最大发现600和放映机Hi-REZ。最相关的变量与部分TS预言是创业占74%到91%的TS可变性。在690年发现的情况下,创业只占TS变异的40%,尽管它仍然是最好的个人因素。第二是平滑的数量transaxial平面显示额外的应用)大致解释从1到5%的TS可变性。唯一的例外是双子座扫描仪,该参数不能由用户不同,690年发现,其贡献是显著增加TS变异的29%。最后出现了病变大小()在690年发现只扮演了一个独立的角色,TS双子座扫描仪占5% - -8%的变化。

回归直线的比较从两个扫描仪获得相同的模型(发现圣,600年发现,和双子座TF)没有任何相关证据的区别。测试的假设一致的回归直线的两个DST扫描仪提供了()。这统计很小(大),所以我们不拒绝因此没有统计依据相信两条线不重合。测试报告在表的细节4。此外,额外的的“扫描仪”哑变量作为TS的预测方差低于< 0.001。类似的结果被发现D600和GTF扫描仪(没有显示)。因此,回归分析的结果通过池扫描仪的所有测量相同的模型被发表在表3。

3.2。回归模型的可靠性

回归模型可靠性研究的结果被发表在表3。交叉验证总是低于0.07的收缩,很小,表明一个优秀的可靠性估计。相关的一个重要方面的可靠性评估模型包括考虑不同分数的形式,只有坚持使用情况下,当训练样本方程被用来计算预测值。“unstandardized剩余工资”可接受各种残留分析。最有帮助的需要单变量描述性统计如盒须图中描述数据3。在我们的例子中几大残差存在,但他们既不足够令人难以置信也不影响需要进一步调查。

在我们的调查中,我们得到的校准曲线11 PET扫描仪(八款车型,三家制造商,和八个站点)提高算法申请PET-based轮廓。这八种扫描仪类型调查在这个研究在闪烁晶体不同,扫描电子、和重建方法。回顾性图像分辨率的方法恢复如PSF-reconstruction或TOF测量也在本研究的特点。

目前,有相当大的变化的方式执行标准的PET / CT扫描在不同中心(27,28]。因此,没有机会多中心标准化的扫描仪和所有成像协议使用。相反,我们选择直接将自适应阈值算法的重建参数可以由用户选择和相关的TS的决心。这将提高该方法的鲁棒性,避免执行个体在每个中心的校准算法。值得注意,回归的比较从两个扫描仪获得相同的模型没有任何相关证据的区别,至少在三个扫描仪模型测试。这会带来另一个相关结果;即公司的重建参数回归模型的校准曲线在一个特定的扫描仪模型不需要在每个站点上获得的。相反,它可以一次无关紧要的和应用的具体扫描仪被利用,是相同的模型。

3.3。比较与先前发表的论文

我们所知只有三个研究迄今已发表在PET / CT扫描技术的集成来自不同医院放疗治疗计划。在第一项研究中,轮胎式压路机et al。29日)为算法用于评价头颈部肿瘤。这个目的只有小球体的数量从2到16毫升(即。,球体ID小于3厘米)。为确定剂量校准器,范围从2到12。作者表现幽灵三扫描仪测量相同的制造商(放映机Accel、西门子)配备Pico 3 d扫描仪(2)或标准(1扫描仪)探测器电子学。相同的采集和重建协议。研究不同参数对重建结果的影响PET原始数据重建不同的迭代的数量(从2到64)= 5毫米的固定平滑的半最大值宽度。他们发现标准摄入值(SUV)阈值的扫描仪配备标准电子明显不同于其他两个扫描仪,需要至少16次迭代以产生可靠的SUV的阈值。我们的结果支持这些发现。一方面,回归行之间没有显著差异相同类型的扫描仪配备类似的电子产品,而扫描仪的校准曲线的不同类型明显不同(图2)。另一方面,迭代的数量不是TS的一个重要预测,如果这个数字是保持高于一定水平推荐的生产和需要有良好的图像质量。

在另一项研究中,Hatt et al。30.)评估算法的鲁棒性和可重复性创业相比,模糊c均值聚类和模糊本地适应性的贝叶斯算法。作者进行伪测量四个不同的PET / CT扫描仪(飞利浦双子座和双子座TF、西门子放映机和通用电气发现LS)使用一个标准的收购协议有两个为(4和8)和三个ESD(1、2和5分钟)。宠物原始数据使用常规临床重建图像重建和两体素的大小体积扫描仪。他们报告更高的模糊鲁棒性局部自适应贝叶斯算法在所有细分方法提供的可重复性很高的变化可以忽略不计的< 5%相比,与手工描述。然而,随着被相同的作者,为了评估为方法的鲁棒性应用自适应阈值使用的参数优化其他扫描仪图像数据集获得西门子生物运动描记器,这是一种误导,因为创业的方法是系统的依赖。相反,采用scanner-model具体校准曲线,类似的意思是分类错误(~ 10%)和可变性(~ 5%)已经获得了创业为本地的模糊自适应算法和贝叶斯方法。通过第一原理,包含postreconstruction平滑(不考虑研究Hatt)应该增加自适应阈值算法的准确性和鲁棒性可能导致结果甚至优于通过先进的图像分割方法。值得注意,为变量的回归系数据Hatt双子座TF非常类似于一个获得相同的变量在当前工作(= 61.4和59.3),也考虑到两个回归模型是不相同的。这提供了,虽然间接,进一步确认scanner-model特定方法的鲁棒性的推导TS校准曲线。

在过去研究Schaefer et al。31日)评估校准一种自适应阈值算法的越野车在11个中心配备5西门子放映机,5飞利浦双子座,西门子ECAT艺术扫描仪。他们报道只有细微的差别在相同类型的扫描仪校准参数,相同的成像协议被使用,而比较不同类型的扫描仪发现了显著差异。此外,他们报道中没有明显的统计学差异SUV阈值计算为每个站点的使用“特定站点”校准既不属于相同类型的扫描仪在不同的站点也没有扫描仪不同类型在不同的网站。我们的结果支持这些发现只有部分。在我们的研究中采集和重建参数变化和相关参数纳入“因地制宜”算法,没有必要强迫各个中心采用固定协议的图像采集和图像重建。牢记这相关的差异,也在我们的研究中校准曲线相同类型的扫描仪之间没有显著差异,而比较不同类型的扫描仪发现了显著差异。相反,测量(图2)和TS(表计算3)在不同类型的扫描仪明显不同。例如,测量TS平均在整个光谱的采集和重建参数更大的目标(球体> 133毫米²)发现690 (S6)和600 (S4-5)被发现%与分别为()。这种差异在很大程度上反映了hot-contrast恢复能力不同的扫描仪,在690年发现的情况下,强调通过引入PSF技术在重建进程。

3.4。研究优势和局限性

北京电视台的定义的方法有几个优点,即使这项研究的结果必须解释的一些限制。

我们的方法是可行的在临床环境中在这些病变呈现一个统一的放射性示踪剂吸收,至于不同的肿瘤病变。在这种情况下,该方法可以有效提取功能生物标记和使用PET成像在图像引导放疗治疗。作为一个代表性的例子,图4显示了该方法的应用到头部和颈部肿瘤病人,一个候选图像引导放射治疗。在这些患者中,北京电视台可以用来优化放疗治疗从功能成像的信息优势。

肺肿瘤病变的影响运动最近使用多元回归技术整合在一个自适应阈值算法与目前的研究[32]。虽然病变的影响运动并不包括在这项研究中,我们认为结论关于平滑的效果和对阈值为在移动目标的情况下仍然适用。

阈值技术不考虑肿瘤异质性的变化。这种动机的调查先进不是基于阈值分割技术。当指这些重要的示踪剂浓度不均匀分割方法应该指出,直到它们进一步发展和确认,自适应阈值分割方法,将用于大多数诊所和因此需要准确的特点。

此外,它必须指出,在我们的工作电视台只安装了横截面大于133毫米²。这个选择是合理的,一些研究发现严重错误的体积估计肿瘤体积< 2毫升对应于横截面< 192 mm²(sphere-equivalent截面而言)33- - - - - -35]。

4所示。结论

本研究表明,提出的自适应阈值方法的校准曲线之间没有显著的不同在不同的地点相同类型的扫描仪。掺入postreconstruction高斯平滑的算法避免了系统的优化过程的需要。加之展示高水平的可靠性的方法,可以提供健壮和可靠的工具来辅助医生最初想在分段上生物卷摄影图像。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

作者要感谢Tecnologie Avanzate TA Srl不断提供支持的实现研究。