使用模拟异常骨结构的脑灌注 SPECT/CT 对衰减校正的影响：Chang 和 CT 方法的比较
摘要
脑灌注 SPECT 具有衰减、散射和分辨率下降等物理现象，会损害数据采集的准确性。Chang 和 CT 方法已广泛应用于衰减校正 (AC)，并表明使用没有骨骼或具有正常骨骼结构的脑模型进行 AC 的效用。然而，尚未评估异常骨结构的不均匀 AC，例如钻孔手术后的术后骨缺损。因此，我们评估了 2 种 AC 方法之间异常骨结构的不均匀 AC 的影响。
方法：
我们创建了 5 个模拟异常骨结构（如额骨、枕骨和右颞骨缺损以及有骨和无骨）的脑模型，比较了包含散射、衰减的 3 维有序子集期望最大化 (OSEM) 的影响, 和分辨率恢复校正, 得到了 3 个重建处理图像: OSEM (non-AC; NAC)、OSEM (Chang) 和 OSEM (CTAC)。OSEM (NAC)、OSEM (Chang) 和 OSEM (CTAC) 对 5 个脑模型的平均计数通过感兴趣区域的计数曲线和计数比进行评估。
结果：
有骨的 OSEM (NAC) 和 OSEM (Chang) 的计数比无骨的高约 7%，而 OSEM (CTAC) 的计数比率相似。OSEM（NAC）和OSEM（Chang）有骨缺损的额叶或枕叶计数比无骨缺损的额叶或枕叶高5%~10%；然而，OSEM (CTAC) 具有几乎相同的额叶或枕叶，有和没有骨缺损。
结论：
我们进行了一项模拟有和没有骨缺损的体模研究，以证明脑计数在 2 种不同的 AC 方法之间的影响。虽然 Chang 方法由于使用了统一的衰减系数而没有纠正骨缺损的影响，但 CTAC 方法无论是否存在骨缺损都能正确进行 AC。
脑灌注 SPECT 包括物理现象，例如数据采集时的衰减、散射和分辨率下降，这些都会损害图像质量。因此，许多研究人员提出了纠正这些物理现象的技术。据报道，衰减校正 (AC) 技术为此使用了 Sorenson、Chang、透射 CT 和 CT AC (CTAC) 方法。
Chang 方法是日本最常用的交流技术之一。虽然 Chang 方法涉及使用均匀衰减系数进行校正，但头部具有不均匀的结构，例如颅骨、脑室以及白质和灰质。此外，Chang 方法没有考虑头部固定器的影响。林等人。据报道，与 CTAC 相比，Chang 方法由于颅骨的影响而低估了脑血流量 (CBF)。此外，Ishii 等人。有报道称枕叶计数减少约 10%，这是由于 Chang 方法中头部固定器引起的衰减。CTAC 是为了改进 Chang 方法的问题而开发的，其中可以包括校正头部的不均匀结构。然而，单独的 SPECT 和 CT 采集的 CTAC 可能会导致配准错误，这会损害图像质量和脑灌注 SPECT 中 CBF 的定量准确性。SPECT 和 CT 扫描的结合得到了广泛的应用。石井等人。报告了使用 SPECT/CT 设备对头部固定器的影响使用非均匀 AC 的效用。
尽管已经使用脑模型和正常骨结构的临床研究评估了不均匀 AC，但尚未评估大脑 SPECT 上异常骨结构的不均匀 AC。脑灌注 SPECT 广泛用于烟雾病、脑梗塞、癫痫、脑出血和动静脉畸形的诊断和治疗评估。除了放射和药物治疗外，这些疾病的治疗方法还包括开颅手术和钻孔手术等手术。一些接受术后开颅手术和钻孔手术以降低脑压的患者仍有骨缺损。对于使用脑灌注 SPECT 进行开颅和钻孔手术的术前和术后评估，SPECT 图像可能会由于骨丢失导致的衰减差异而改变脑计数分布，从而降低治疗评估的准确性。本研究旨在证明在颅骨结构异常的情况下，AC 在脑 SPECT 中的 Chang 和 CT 方法之间的影响。
材料和方法幻象设计
Hoffman 3 维脑模型（Biodex Medical Systems, Inc.）覆盖有硫酸钙（厚度，~18 mm）以模拟头骨。130 kVp的CT管电压和99 Tc的硫酸钙的μ值140 keV分别设置为600 Hounsfield单位和0.24 cm -1。此外，在模型中创建了 3 个异常颅骨结构，模拟额骨、枕骨和右侧颞骨缺损（缺损宽度，~20 mm），以模拟钻孔手术后的颅骨缺损（图 1）。幻影充满了99mTc 溶液浓度为 1.65 MBq/mL。因此，总共获得了 5 个模拟额骨、枕骨和右颞骨缺损以及有骨和无骨的脑模型。
图1。霍夫曼 3 维脑部模型模拟了钻孔手术后的头骨。幻影被硫酸钙（厚度，~18 cm）覆盖以模拟头盖骨。三个颅骨结构异常的模型模拟了额骨、枕骨和右侧颞骨缺损（缺损宽度，~2 cm）。
采集协议和图像重建
SPECT 图像是用配备低能量高分辨率准直仪的双头 γ 相机（Symbia T6 混合 SPECT/CT 系统；西门子日本）获取的。99m的photopeak窗口Tc 设置为以 140 keV 为中心的 21% 能量窗口，用于散射校正的低子窗口设置为光峰窗口 (120-129 keV) 的 7%。采集参数是一个 128 × 128 矩阵（缩放因子，2.29；像素大小，2.1 mm），采用 360° 圆形轨道（旋转半径，190 mm）的连续模式和 90 个步距角 4° 的投影。采集时间被调节，使得前视图中的平均脑计数为每像素 30-40 个计数，这是参考临床图像决定的。使用以下参数获得CT扫描：管电压为130 kVp，管电流和时间的乘积为50 mAs，切片厚度为5.0 mm。
SPECT 数据使用 Flash3D 算法重建，该算法在 3 维有序子集期望最大化 (OSEM) 中结合了 AC、散射和分辨率恢复校正，从中获得了 3 个重建处理图像：OSEM（非 AC；NAC）、OSEM (Chang) 和 OSEM (CTAC)。子集数和迭代数分别为 18 和 15，所有方法中高斯滤波器的半峰全宽 (FWHM) 均为 10.5 mm。假设均匀衰减系数为0.150 cm -1，使用Chang方法进行AC 。使用多能窗口法进行散射校正。
形象评估
通过计数曲线和计数比评估来自 OSEM (NAC)、OSEM (Chang) 和 OSEM (CTAC) 的 5 个模式模型的脑计数。在缺损和对侧正常骨之间的直线上设置计数曲线（额枕骨缺损：额叶和枕叶线；右侧颞骨缺损：包括丘脑的左右颞叶线），这是通过同侧正常骨的最大脑计数标准化（图 2A 和 2B）。
图 2。 大脑图像设置轮廓曲线线和感兴趣区域的插图。计数轮廓曲线设置在通过缺损和对侧正常骨之间的直线上：左右颞叶线，包括具有横向图像（A）的丘脑和具有矢状图像（B）的额叶和枕叶线。(C) 在丘脑和额叶、枕叶、右侧和左侧颞叶上设置的感兴趣区域以计算计数比。
使用丘脑与颞叶的比率评估有骨和无骨的脑模型，该比率是根据在右侧和左侧的丘脑和颞叶上测量 13 × 13 mm 的感兴趣区域的正方形形状的平均脑计数计算的连续 7 个脑图像切片的侧面（图 2C）。此外，使用从缺损侧和对侧正常骨侧之间的额叶、枕骨、右侧和左侧颞叶中的感兴趣区域计算的计数比来评估有和没有骨缺损的脑模型，这些区域是根据公式 1 计算的.  方程。1其中 A 是右颞骨缺损的右-左叶比，额骨缺损的额叶与枕叶比，或枕骨缺损的枕叶与额叶比。B 和 C 分别是正常骨侧和有缺陷骨侧的平均脑计数。
统计分析
使用 Wilcoxon 符号秩检验在有和没有的模型之间分析丘脑与颞叶、左右颞叶、额叶与枕叶和枕叶与额叶比之间的计数比。骨或那些有和没有骨缺损的人。在所有分析中，P值小于 0.05 被认为表明具有统计学意义。
结果
OSEM (NAC)、OSEM (Chang) 和 OSEM (CTAC) 的计数曲线如图 3所示。OSEM (Chang) 方法的右颞叶侧计数略有不同，有和没有右颞骨缺损。然而，OSEM (CTAC) 方法显示几乎相同的计数（图 3A）。同样，OSEM (Chang) 方法的其他骨缺损也有不同的归一化计数比，有和没有骨缺损。然而，OSEM (CTAC) 方法显示出几乎匹配的值（图 3B 和 3C）。
图 3。
有和没有骨缺损的轮廓曲线的比较。这些图形显示了右侧颞骨 (A)、额骨 (B) 和枕骨 (C) 的有和没有骨缺损的脑叶轮廓曲线。较低的像素数表示右颞叶 (A) 和额叶 (B 和 C)，而较高的像素数表示左颞叶 (A) 和枕叶 (B 和 C)。此外，左侧、中间和右侧的图形分别显示 OSEM (NAC)、OSEM (Chang) 和 OSEM (CTAC)。黑色箭头显示有和没有骨缺损的部分。
OSEM (NAC)、OSEM (Chang) 和 OSEM (CTAC) 之间的丘脑与颞叶的比率分别为 0.82 ± 0.04、1.24 ± 0.06 和 0.94 ± 0.05（无骨）和 0.89 ± 0.05、1.33 ± 0.06 和0.93 ± 0.08 与骨头，分别（图 4）。此外，有骨的OSEM（NAC）和OSEM（Chang）比无骨的体模高约7%，差异有显着性（P = 0.005）。然而，OSEM (CTAC) 的比率几乎相等。
图 4。
比较 3 种方法中带骨和不带骨的丘脑与颞叶的比率。左侧、中间和右侧的图形分别显示 OSEM (NAC)、OSEM (Chang) 和 OSEM (CTAC)。
OSEM（NAC）、OSEM（Chang）和OSEM（CTAC）的计数比如图5所示。OSEM (NAC)、OSEM (Chang) 和 OSEM (CTAC) 的右到左颞叶计数比分别为 1.05 ± 0.03、1.06 ± 0.02 和 1.04 ± 0.02（无右侧颞骨缺损）和 1.12 ± 0.02 、1.14 ± 0.02 和 1.02 ± 0.07，右侧颞骨缺损（图 5A）。在OSEM（NAC）和OSEM（Chang）方法中，右侧颞叶有骨缺损的计数比无骨缺损的左侧颞叶高约7%，差异有显着性（P= 0.02)，而 OSEM (CTAC) 具有相似的计数比。OSEM (NAC)、OSEM (Chang) 和 OSEM (CTAC) 的额枕叶比和枕额叶比分别为 1.11 ± 0.04、1.14 ± 0.06 和 1.22 ± 0.03，无额骨缺损; 1.18 ± 0.14、1.25 ± 0.16 和 1.21 ± 0.11，有额骨和骨缺损；0.90 ± 0.03、0.88 ± 0.04 和 0.82 ± 0.02 无枕骨缺损；枕骨缺损分别为 0.99 ± 0.10、0.95 ± 0.10 和 0.82 ± 0.05（图 5B 和 5C）。当使用 OSEM (NAC) 和 OSEM (Chang) 时，发现有骨缺损的额叶和枕叶的计数率比没有骨缺损的额叶和枕叶高 5%–10%；然而，OSEM (CTAC) 的额叶或枕叶计数几乎相同，有和没有骨缺损。此外，OSEM (NAC) 和 OSEM (Chang) 在比较有和没有枕骨缺损的体模时，以及比较有和没有额骨缺损的体模时的 OSEM (Chang) 显示出显着差异（有和没有枕骨缺损的 OSEM [NAC]枕骨缺损评估；P = 0.03，OSEM [Chang] 额和枕骨缺损评估；P = 0.04）。
图 5。有和没有骨缺损的脑叶计数比的比较。图表显示左右颞叶比 (A)、额叶比枕叶比 (B) 和枕叶比额叶比 (C)，有和没有骨缺损。此外，左侧、中间和右侧的图形分别显示 OSEM (NAC)、OSEM (Chang) 和 OSEM (CTAC) 校正值。
有和没有右侧颞骨缺损的横向和μ-map图像如图6所示，有和没有额叶或枕骨缺损的矢状和μ-map图像如图7所示。
图 6。通过3种方法获得的SPECT图像，以及有和没有骨缺损的μ-map图像。上下图像显示无骨缺损和右侧颞骨缺损的脑灌注图像。黑白箭头表示骨缺损区域和模拟骨。
图 7。通过3种方法获得的矢状SPECT图像，以及有和没有骨缺损的μ-map图像。上、中、下图像分别显示无骨缺损、额骨缺损和枕骨缺损的脑灌注图像。额骨和枕骨缺损位于所示矢状切片的整个区域（白色箭头）。
讨论
脑灌注SPECT图像受到物理和几何现象的影响，必须对这些现象进行校正才能准确地成像脑灌注分布。由于头部和衰减材料（例如桌子或头部支架）的结构不均匀，Chang 方法可能会导致定量精度出现误差。 CTAC 的开发是为了纠正非均匀结构的衰减，以改善 AC 中的误差。但是，如果 SPECT 和 CT 图像是分开获取的，则区域 CBF (rCBF) 值可能会因配准错误的影响而发生变化。拉尔森等人。有报道 CTAC 图和 SPECT 图像使用界标的配准精度，CTAC 图和 SPECT 图像的不匹配为 1-3 mm，导致 rCBF 值的误差高达 6.3%。因此，CTAC 图和 SPECT 图像必须正确配准。结合 CT 和 SPECT 扫描仪的 SPECT/CT 系统被广泛使用，因此与使用单独的 SPECT 和 CT 扫描仪进行成像相比，配准伪影显着减少。因此，我们使用 CT 和 SPECT 联合扫描仪评估了脑灌注 SPECT 模拟颅骨异常颅骨的衰减影响，但未评估配准错误的影响。
在 OSEM (NAC) 和 OSEM (Chang) 之间，有骨和无骨的模型之间的归一化计数差异约为 7%。许多以前的体模研究是使用没有骨头的脑体模进行的，这可能会导致定量分析期间的测量误差。因此，使用人体头部的模拟骨骼结构进行了一项体模研究，以匹配临床研究中评估的参数。
当比较有骨缺损和没有骨缺损的脑计数时，发现使用 OSEM (NAC) 时，骨缺损侧的脑计数比没有骨缺损的高 5%–10%，这表明骨缺损的影响脑计数缺陷。由于均匀衰减系数校正，具有和不具有骨缺损的 OSEM (Chang) 的脑计数表明与 OSEM (NAC) 相似的趋势。因此，Chang 方法不能准确校正骨骼和灰质和白质等非均匀衰减材料；特别是，有和没有骨缺损的脑计数受到强烈影响，如图 3所示。此外，由于头部支架的衰减，枕叶的 OSEM (NAC) 和 OSEM (Chang) 的脑计数低于额叶，这与之前的研究显示出相似的趋势。然而，OSEM (CTAC) 产生的脑计数几乎匹配，有无骨缺损；此外，CTAC 可以准确校正头架的衰减。因此，无论是否存在骨缺损，OSEM (CTAC) 都可以准确地校正脑计数的 AC。特别是，我们建议使用带有 OSEM (CTAC) 校正的脑灌注 SPECT 来对具有异常骨结构的区域进行成像。
这项研究有一些局限性。首先，虽然我们的模型可以模拟大脑外的骨骼结构，但它不能像 Iida 等人开发的 3 维大脑模型那样区分岩骨和蝶骨。而他们的 3 维脑模型无法模拟异常的骨骼结构。因此，我们使用了覆盖有硫酸钙的脑模型，其优点是可以改变骨缺损的位置，并且我们可以使用模拟额骨、枕骨和右颞骨缺损的脑模型来证明骨衰减的影响。其次，我们无法进行临床评估来验证我们的发现。Patlak 图法广泛用于脑灌注 SPECT 的定量分析，使用99mTc 剂，并且 rCBF 值是使用 Lassen 校正算法从参考和区域的脑计数比率计算的。如果参考区域和区域区域有骨结构和没有骨结构的差异，则使用 Chang 方法通过衰减校正计算的 rCBF 将不进行校正，而使用 CTAC 方法进行校正，因为这种方法可以证明脑 SPECT 的准确 AC在骨骼结构异常的头部。这些局限性需要得到解决，结果需要在未来的研究中得到验证。
讨论
我们对有和没有骨缺损的头部的大脑 SPECT 进行了模拟研究，以证明两种不同的 AC 方法之间大脑计数的影响。尽管由于衰减系数一致，Chang 方法无法纠正骨缺损的影响，但 CTAC 方法可以正确执行 AC，而不管是否存在骨缺损。
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发表于 2022-4-7 10:36:51
