Spect骨顯像的定量分析技術及在骨評估中的用圖
【專利說明】
【技術領域】
[0001]本發(fā)明是關于一種骨圖像的定量分析技術，特別是關于一種單光子發(fā)射型計算機斷層顯像(single photon emiss1n computed tomography，SPECT)或單光子發(fā)射型計算機斷層顯像/X線計算機斷層成像(SPECT/CT)的圖像處理技術，可對于核醫(yī)學單光子骨顯像藥物在骨頭內的攝取程度進行測量，并以定量指標進行表示，包括:骨對于顯像藥物的標準攝取值(standardized uptake value，SUV)、瘦體標準攝取值(standardized uptake leanbody mass，SUL)和代謝體積(metabolic volume，MTV)，以及此技術方法在骨評估方面的用途。
【【背景技術】】
[0002]中國現(xiàn)己逐漸步入老年社會，骨良性疾病己成為老齡化人口的流行疾病之一，根據(jù)國家衛(wèi)計委的統(tǒng)計，中國60歲以上人口，60%罹患骨質疏松、骨關節(jié)與腰椎等相關骨良性疾病，全國發(fā)病率為1.6億，因此有效診療骨功能性疾病已成為保障老齡人口生活質量的重要醫(yī)療服務項目。在骨功能評估的臨床應用中，正電子發(fā)射型計算機斷層顯像(positronemiss1n tomography，PET)或正電子發(fā)射型計算機斷層顯像/X線計算機斷層成像(PET/Computed Tomography,PET/CT)等醫(yī)學影像技術方法，一致性使用SUV，SUL與MTV等定量指標對帶正電子顯像藥物(例如使用NaF正電子顯像藥物)在骨靶點的攝取程度進行測量，以準確評估骨的功能狀態(tài)。以SPECT進行骨顯像的技術方法已被經常使用于評價骨的功能活度，相較于PET與PET/CT骨顯像，雖然SPECT的技術方法具備成本低廉和技術簡便等特點，但由于圖像本身受物理嚴重干擾的限制，只能通過定性方式評估骨對于顯像藥物的攝取程度，而無法與PET或PET/CT—樣對顯像藥物的攝取量進行準確定量測量，因此SPECT骨顯像難以推展于新的應用領域，對于SPECT骨顯像的發(fā)展產生嚴重的阻礙。
[0003]鑒于此，有需要發(fā)展一種骨SPECT及SPECT/CT顯像的圖像定量分析技術方法，以實現(xiàn)SUV、SUL和MTV定量指標的測定，并能夠將定量指標實際用于骨的評估。
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【發(fā)明內容】
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[0004]本發(fā)明的目的是提供一種SPECT或SPECT/CT骨的SUV、SUL和MTV的定量分析方法，以克服傳統(tǒng)SPECT和SPECT/CT技術只能定性而無法定量分析的缺陷，并將這一新技術應用于骨的評估。
[0005]本發(fā)明所采用的技術手段為一種SPECT或SPECT/CT測量骨SUV、SUL和MTV的新技術方法，共包含:(I)圖像采集步驟，利用SPECT或SPECT/CT采集骨疾病患者的圖像數(shù)據(jù)；(2)核素物理衰變校正步驟，根據(jù)SPECT探頭的轉動時間與核素的半衰期校正圖像的物理衰減(isotope decay) ； (3)散射校正步驟，利用散射能窗，對圖像中的散射(scatter)分量進行計算，并減去散射分量圖像而得到散射校正圖像；(4)移動校正步驟，包含借助校正掃描間的患者移動(Inter-scan patient mot1n)，以自動重新對位CT與SPECT圖像；(5)組織衰減校正步驟，通過轉換CT圖像或放射源透射圖像而建立組織衰減矩陣，以疊代法重建去除圖像因人體組織衰減所造成對骨顯像藥物攝取量的低估；(6)圖像空間分辨率恢復步驟，通過移動點源距離準直器表面的變化，于投射圖像中測量和距離相關的點擴散函數(shù)(pointspread funct1n，PSF)，并建立點擴散函數(shù)矩陣，并將點擴散函數(shù)矩陣用于疊代圖像重建而重新恢復空間分辨率；(7)噪聲去除步驟，通過分析(analytic)或小波(wavelet)濾波器用于疊代圖像重建中，以去除圖像中的噪聲；(8)骨代謝體積計算步驟，根據(jù)事先測定的實際放射性濃度與圖像中畫素強度之間的線性關系，計算出物理校正圖像中各畫素的骨顯像藥物攝取濃度(單位:Bq/ml)，并通過坐標系轉換與濃度變化梯度的計算，使用閾值計算出“感興趣區(qū)”中的骨代謝體積；(9)標準攝取值計算步驟，根據(jù)患者的體重和身高，以及患者的放射性注射劑量，計算出骨對于藥物的定量攝取指標，包括SUV與SUL; (10)評估步驟，通過定量指標的變化量以評估骨治療前后產生的變化。
[0006]經本發(fā)明所采用的技術手段，解決了利用SPECT和SPECT/CT定量測量骨標準攝取值的難題，并能夠使該技術用于骨傷的評估。
【【附圖說明】】
[0007]圖1顯示依據(jù)本發(fā)明實施的掃描間移患者移動校正步驟的流程圖。
[0008]圖2顯示依據(jù)本發(fā)明實施得到的患者的組織衰減矩陣示意圖。
[0009]圖3A顯示本發(fā)明實施中，無校正時的圖像。
[0010]圖3B顯示本發(fā)明實施中，經噪聲去除的圖像。
[0011]圖3C顯示本發(fā)明實施中，經噪聲去除、散射校正的圖像。
[0012]圖3D顯示本發(fā)明實施中，經噪聲去除、散射校正、未經掃描間患者移動校正、組織衰減校正的圖像。
[0013]圖3E顯示本發(fā)明實施中，經噪聲去除、散射校正、掃描間患者移動校正、組織衰減校正的圖像。
[0014]圖3F顯示本發(fā)明實施中，經噪聲去除、散射校正、掃描間患者移動校正、組織衰減校正、空間分辨率校正、核素物理衰變校正的圖像。
[0015]圖4顯示依據(jù)本發(fā)明實施骨代謝體積計算步驟的流程圖。
[0016]圖5顯示依據(jù)本發(fā)明實施得到一骨傷患者的右膝脛骨內測頂端的SUVmax與SULmax值分別為 19.01 與 14.02、SUVmean 與 SULmean 值分別為 11.46與8.81、]\07為7.121111(毫升)，右膝脛骨內測頂端的SUVmax與SULmax值分別17.80與13.69、SUVmean與SULmean值分別為
11.76與9.05、MTV為9.25ml。
[0017]圖6顯示依據(jù)本發(fā)明實施得到一骨傷患者右腳踝脛骨治療前后定量指標的比對結果，可發(fā)現(xiàn)MTV(前:6.20ml;后:3.32ml)降低了46.5%，SUVmax(前:11.75;后:6.87)與SULmax(前:9.97;后:5.83)—致性降低了41.5%、SUVmean(前:8.35;后:7.20)與SULmean(前:5.01;后:4.32)—致性降低了13.7%。
【【具體實施方式】】
[0018]本發(fā)明提供一種骨顯像的圖像定量分析技術，能夠獲得骨對于99mTc-HDP或99mTc-MDP顯像藥物攝取的定量指標，包括SUV、SUL和MTV，這些定量指標以往只能在PET或PET/CT骨顯像中獲得(例如使用NaF正電子顯像藥物)，而通過本發(fā)明的新技術在SPECT或SPECT/CT中也可以實現(xiàn)。
[0019]首先，圖像采集步驟，利用SPECT或SPECT/CT采集患者的骨圖像?；颊咦⑸?9mTc標記的99mTc-HDP或99mTc-MDP骨顯像藥物后約4小時，啟動SPECT或SPECT/CT的雙探頭各旋轉180度，進行采集圖像數(shù)據(jù)。旋轉中，原始圖像數(shù)據(jù)由空間坐標及旋轉角度表示。探頭可從右前斜位至左后斜位、前位至后位、左前斜位至右后斜位、后位至前位旋轉采集均可。采集步驟更包括使用通用128 X 128矩陣或高清256X256矩陣、雙探頭各自轉動180°角度、圓形或非圓形旋轉軌道、雙能窗(主峰+散射能窗)、采集總時間至20-30分鐘。采集數(shù)據(jù)可利用標準的醫(yī)療數(shù)字圖像傳輸協(xié)議(digital imaging and communicat1ns in medicine，DIC0M)格式進行保存或傳輸，以用于后續(xù)的圖像處理。
[0020]物理衰變校正步驟，根據(jù)探頭的轉動時間與核素的半衰期，校正圖像的物理衰變。當SPECT機架環(huán)繞于患者時，于對應轉動角度的時間點進行計算，以指數(shù)衰變模塊(exponential decay model)計算校正系數(shù)，從而重新調整原始投影圖像中的放射性計數(shù)。[0021 ] 患者移動校正步驟，校正掃描間的患者移動(Inter-scan patient mot1n)。掃描間的患者移動為患者在SPECT和CT圖像采集間移動身體位置所造成的SPECT和CT錯位，因而影響后續(xù)組織衰減校正的準確性。掃描間患者移動校正借助患者的CT圖像，利用亨氏單位(Hounsfield Unit)在骨與其他組織的高差異程度，以多個閾值對圖像進行骨與非骨兩區(qū)的分區(qū)，并從CT圖像中去除非骨區(qū)域與只保留骨區(qū)，重建后的SPECT圖像經由自動移動與轉動的過程，與CT圖像產生最大重疊吻合，重新自動對準SPECT與CT圖像進而校正掃描間的患者移動，其中校正包括使用位移方向(x、y、z)和角度方向(σ、δ、θ)共6個維度。圖1表示自動校正掃描間患者移動的流程圖。
[0022]散射校正步驟，利用主峰能窗(140±10%keV或126_154keV)的原始圖像與散射能窗(118±12%keV或110-125keV)的散射圖像，通過散射分量與主峰能窗的三角形近似關系估算原始圖像中的散射分量，并從原始圖像減去散射分量而進行散射校正。
[0023]組織衰減校正步驟，借助轉換CT圖像或放射源透射圖像而計算經圖像中每個像素單元的140keV衰減系數(shù)，通過圖像對應探頭的位置，以指數(shù)模型(exponential model)與線積分(Iinear integrat1n)計算每個像素單元對應探頭的衰減值而創(chuàng)建一個衰減矩陣，并在疊代重建中使用衰減矩陣校正組織衰減，其中衰減矩陣以4個參數(shù)(x、y、z、9)記錄每條對應線的光子衰減的幅度(圖2)。如上述，組織衰減校正前需完成SPECT與CT的掃描間患者移動，進行兩圖像的正確對位，以提高組織衰減校正的準確性。
[0024]圖像空間分辨率恢復步驟，利用移動點源在原始投影數(shù)據(jù)中的半高寬(fullwidth of half max )變化，獲得與準直器距離相關的點擴散函數(shù)(po int spreadfunct1n，PSF)而建立點擴散函數(shù)矩陣，并將點擴散函數(shù)矩陣用于疊代重建而重新恢復圖像的空間分辨率。對于配置不同型號的SPECT和SPECT/CT，可分別測量出一組PSF矩陣。PSF可借助分析函數(shù)(analytic funct1ns)而建模。PSF矩陣隨后可被用于疊代重建中的前投射步驟，通過疊代恢復圖像的空間分辨率。
[0025]噪聲去