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抽象的

本研究的目的是研究在分子放射治疗中177LU SPECT / CT成像处理中实施的有序子集期望最大化（OSEM）重建更新的影响。NEMA IEC身体幻孔用于量化五种不同尺寸的可再填充球体中的活性。通过具有临床采集协议的混合双头SPECT-CT成像系统（Symbia T2，Siemens Medical System，Germany）获得图像，并使用商业3D OSEM算法（Flash 3D）重建。在重建过程中，考虑了不同的迭代和子集的值以及3D高斯重建滤波器和散射和衰减校正。
活动恢复系数来自总重建计数与每个OSEM更新的每个球体之间的真实活动的比率导出。恢复系数和平均分数误差（即加权根均方误差）被评估。
与此同时，还研究了177万空间分辨率和死区时间，作为关于活动恢复系数的讨论。
球体的结果≤5.5ml体积大显着影响部分体积效应，导致最小球体的活动估计偏差。两个最小球体的依赖于OSEM更新的加权分数误差依赖于OSEM更新，从85％到79％和60％至50％，指的是8个子集-8迭代的值和16个子集10个极端的迭代。没有死亡时间被发现。
迭代和子集的选择取决于对象大小来研究和上所需的图像质量。无论如何，使用固定数量的迭代和子集对象对具有卷≥5.5毫升的对象是正确的，达到重建量的总数量收敛，但需要使用校正因子来补偿部分体积效应。对于具有卷的物体≤5.5ml，量化变得具有挑战性。

关键词

剂量测定，PRRT，分子放射治疗，osem

介绍

在分子放射疗法（MRT）中，患有散发或不可切除的肿瘤的患者用放射性药物治疗，所述放射性药物旨在定位癌细胞。这种方法旨在为肿瘤的辐射提供辐射，从而导致健康器官的毒性最小。表达生长抑制菌素受体的神经内分泌肿瘤（净）目前表达了大大增加的发病率，使MRT与177LU标记的生长抑素类似物进行了一种有希望的方法[1,2]。最近在177次审判中得到了良好的临床证据，用于177次审判[3]。
单光子发射计算机断层扫描（SPECT）在网的MRT中起重要作用，因为它目前用于计算精确和精确的MRT规划的患者特异性剂量测定的主要模态，如关节EANM / MIRD所指出的定量177LU SPECT的指南适用于MRT（MIRD PAMPHLET No.26）[4]。
此外，2013年12月5日的新EC指令表明，必须针对所有放射治疗技术（包括MRT）单独计划和核实给关键组织的剂​​量，并要求成员国在2018年2月之前介绍立法执行合规性。因此，准确的个性化的MRT规划是必需的。
新的SPECT / CT系统及其改进的3D成像定量精度允许对患者解剖学的完整和详细重建，并与2D平面成像相比，无抗脱基机吸收面积的清晰定位[5,6]。因此，这导致肿瘤，治疗计划和给药放射性药物的生物分布研究的定位。后者信息对于评估MRT的目标的临床医生已经实现了临床学家。在这方面，在感兴趣的体积（VOI）内需要准确的SPECT活性定量，这在临床和研究应用中评估治疗反应的重要任务[7-13]。
关于临床SPECT量化[14]，迭代重建算法[15]是现有技术，通常推荐它们。它们在SPECT / CT图像形成链中至关重要，以及与目标VOIS和定量方案一起，它们代表SPECT / CT系统中的活动量化中的三个主要成分。订购的子集预期最大化（OSEM）算法[16]是在开发的各种迭代重建方法中使用的最广泛应用，以加速重建速度。据报道了患者成像以及患者特异性剂量测定患者常用的放射性核素算法对患者的放射性核素算法进行了几项研究。一些更相关的出版物包括在SPECT中进行定量校正技术的改进，定量图像重建技术的准确性评估[21-25]和使用机器特异性的SPECT / CT系统之间分辨率的比较重建算法[26-28]。在这些研究中，设定了在SPECT图像重建中使用的OSEM重建参数（即，子集，S和迭代，i），以便在各种所考虑的vois中达到稳定的计数值。
在相同的论文中，它强调，成像特性是界定的：所选择的迭代和子集的组合，源分布，采集计数统计，物理劣化效果（分散，衰减和准直器 - 检测器响应）并严格对象依赖。因此，根据具体的临床目标（例如，治疗剂量测定法而不是诊断），需要优化这些参数以获得重建图像的最佳图像质量，其目的是对剂量测定来执行对SPECT图像的可靠定量分析目的。
依照最近的一项欧洲核医学协会发布的指导性文件(EANM)[29],本研究的目的是找出最优的组合迭代和子集用于商业OSEM算法,为了建立的定量准确性临床患者SPECT成像研究。为此，一项实验研究使用了177Lu-DOTATOC，该药物在意大利雷吉欧·埃米利亚ASMN医院的一项基于肽受体放射性核素治疗(PRRT)的临床试验中常规使用(EUDRACT: 2013-002605-65)。使用商用3D OSEM算法(Flash 3D，西门子医疗解决方案，德国)重建层析SPECT幻影图像，具有准直器特定的分辨率恢复、基于ct的衰减校正和基于能量窗的散射校正。子集和迭代的组合是根据偏差和分数误差来评估的。本研究是关于OSEM更新对SPECT/CT成像过程的影响。同时研究了177Lu空间分辨率和死区时间。

材料和方法

SPECT / CT采集与重建

SPECT / CT扫描是在Symbia T2 Gamma-Camera（西门子医疗系统，德国）上获得的3/8英寸Nai（TL）检测器和中型能量低渗（MELP）准直器，灵敏度约为13.9 CPS/ MBQ（对于我的准直器有67ga）从工厂数据表中提取。在步骤和拍摄模式下获取断层摄影投影图像，超过360°和30秒/框架的64视图。缩放为1，设定了330 mm（围绕幻像表面）的圆形旋转和128x128像素的图像矩阵，导致4.8mm像素尺寸图像。在获取中，177LU的两个主导光框的能量窗口在113KeV±7.5％和208.4KeV±7.5％中设定，如Grassi等[30]所述。关于较低的能量PhotoPak，采用TEW散射校正，并将下散射窗设定在87.58kev至104.53kev（使用默认窗口重量为0.5），同时从121.47kev到130.51kev（使用默认窗口重量为0.9375）。关于较高的能量光块，采用露水散射校正，较低的散射窗口为171.60kev至192.40kev（使用0.75的默认窗口重量）[30]。
在SPECT获取之后，使用130kV和30 MAS光束（临床参数）和平滑的重建内核（B08S;西门子医疗解决方案，德国Siemens Medical Solution，Germany）产生幻影的X射线CT扫描。将重建的切片厚度设定为5mm。
Siemens E-Soft工作站（Syngo Mi，Application 32B，Siemens Medical Solution，Germany）进行了SPECT / CT图像和成像分析的重建。通过专有的迭代闪光3D重建算法重建图像，包括衰减的校正（基于来自自动登记的SPECT / CT图像的CT值的能量外推），对散射的补偿（借助于多个能量窗口方法估计，并入重建）和完整的准直器 - 检测器响应[30]。
在这项研究中，只考虑了幽灵。相机设置的采集设置如图1所示。
使用从两个迭代的步骤，使用2,4,8和16个子集来使用从1到20的多个迭代来执行图像的迭代重建。最后，用完全宽度为1像素（4.8mm）的3-D高斯函数过滤重建图像[22]。

图1。收购设置六个放射性球进入NEMA IEC身体幻影^TM值在SPECT / CT成像系统中获得。

幽灵

通过提供由数据谱公司（Hillsborough，USA）提供的一些球形插入物（内部容积5640ml）的圆柱形虚拟体的探测器的死区时间效应。它提供了一组6个中空球体（体积为98,27,19,11.5,5.6,2.57ml），其填充有177级的放射性溶液（3,44mbq / ml，即：337,93，分别为65,40,19,9mbq）并置于放射性背景（0,38 MBQ / ml）。在腐烂的同时获得此幻影（约3.5个半衰期）。对于每个球体，相对于不同时间点直接在其CT图像上直接吸引球形VOI，并且在体模拟后的时间的时间内分析总计数。类似地，绘制了全身重建计数的功能，其功能在幻影中注射的真实活动。
为了测试伽玛相机的177LU系统的断层摄影空间分辨率，准备了额外的幽灵。它是一种圆柱形虚拟体，其中牢固地放置了填充有放射性溶液的三个毛细管（长75mm，内径1.2mm）：管在中心位置固定，而剩余的两个管子置于3厘米的距离距中央位置6厘米，即使不在同一轴上。每个毛细管完全填充有30 MBQ的177次的活性。对于不同的OSEM更新，空间分辨率被评估为每条毛细管三个计数轮廓上的FWHM（半最大宽度）值的平均值。
为研究重建算法更新对量化的影响，使用了NEMA IEC Body PhantomTM（数据谱公司，Hillsborough，NC，USA），最初为宠物扫描仪设计。它由体形水填充腔组成，固定在其中50.46,11.46,5.56,2.56,5.56,2.56和1.15ml的五个可填充的球形插入物上固定在使用预钻孔和螺纹孔的塑料棒上。所有的球体填充有177Lu水溶液，并在剂量校准器中一逐一测量：活性浓度在7.5和8.8mbq / ml之间，并且这些值用于标准化以下数据分析。幻影腔的背景体积为9.71升，充满了非放射性水。
虽然宠物应用NEMA建议留下2个最大的球体冷，对于SPECT应用，所有球体都充满了放射性（与PET相比，通过较差的系统空间分辨率驱动的选择。

数据分析

通过Siemens提供的处理工作站上的体积分析工具分析了每个重建图像。对于模体内的每个球体，在CT图像上绘制其中心平面，并且在CT图像上绘制了球形VOI（基于中央位置的固定直径而产生的固定直径），以匹配的几何尺寸每个球体的内部。然后，SPECT图像叠加在CT和总重建计数上（厘米）， 意思 （Cmean）以及标准偏差（CSTD.记录了像素计数。为了使溢出从球体区域的记录计数中的泄漏最小化并从相邻的球体溢出（由于VOI的初始手动定位），并且优化SPECT和CT图像的残余误解，每个VOI被一个体素移位处于负x，y和z方向。然后，对于所考虑的迭代和子集的每个组合，可以计算测量数据的平均值。
在没有部分体积效应的情况下，可以使用通用方程来定义校准系数[31]：
（1）
其中CM和AT的值是指感兴趣区域中的测量计数和真实活动值。它是针对我们的SPECT / CT扫描仪计算的，并以Grassi等人显示。[30]。
无论如何，对于受部分体积效果（PVE）影响的较小物体，需要考虑恢复系数（RC）因子，定义为球体体积的函数，如[31]：
（2）
am（vi，j）是由CF值获得的重建活动，由OSEM更新的特定组合（j）的第i个Vi的第i个vi的I-Th球体，并且在（vi）处是相同的真实活动第i个球体。在（vi）衰减如下更正[30]：
（3）
在哪里A0是球体体积中的初始活动（VI.），T0.收购开始时间，tcal.活动校准时间，T1/2177从的半衰期和TACQ.是收购时间。括号中的第一个术语从校准到采集开始时间的时间来校正放射性衰减。第二项校正采集时间，而第三术语计算在获取期间考虑指数衰减的平均计数，这里，通过剂量校准器中的直接测量来确定每个球体的A0。
根据先前等式获得的数据，我们计算了每个球体的活动的根均方误差（RMSE）作为[28]：
（4）

在哪里B（vi，j）是活动估计中的偏差定义为：
（5）
计算卷VI的第i个球体，并考虑了OSEM更新。所有球体的活动估计中的平均分数误差（即加权RMSE，W.RMSE），计算为：
（6）
这里，K.是指在重建图像中设置的子集和迭代的乘积（即等效迭代，ei = s·i）FK.为其权重因子。

结果

在图2中，相对于探测器的死区时间效果的结果被绘制为在幻像图像上测量的总重建计数，而在幻像中注入的真实总活动（与R2 = 0.99的线性回归）。没有检测到死亡时间效应。此外，通过与许多指数衰减配合曲线一样测试球体的物理半时间，并且完全保守（1％内的误差和平均R ^ 2 = 0.99）。
在表1中，报告了不同数量的子集和迭代（从4到16个子集和4到18个迭代）报告了估计的断层摄影空间分辨率。
为了建立OSEM参数选择与SPECT重建中恢复浓度的部分体积效应之间的关系，我们在每个球体内的总数的变化作为增加迭代和子集的函数来测量了每个球体内的总数。结果如图3A-E所示。获得每个数据点的值作为在每个球体上绘制的六个Voi的平均值。可以看出，对于最大的球体，图表（图3a，b，c）显示了典型收敛的曲线形状：按照OSEM对象依赖的收敛，快速增加，然后朝着渐近的渐变方法较慢属性[32]。已经看到，随着目标卷的增加，需要更高数量的子集，以更快地达到总计融合，随着不同的实现的变化而降低。对于较小的球体的情况，最后一个结果是不同的（图3d，e），其中总重建计数是相当多样的，并且即使对于大量的迭代（> 20，结果，也可以增加更高的更新而不达到收敛）。从相同的图表中可以推断，8个迭代和子集≥4似乎被认为是总计融合的起点，其较小的球体除外，​​必须考虑更多数量的子集。
用于计算RC的结果，如公式（2）中所述，如图4所示。这里，计算的RC的曲线显示为每个球体的研究中使用的整个重建参数的函数。该图提供相对于给定直径的球体的重建图像的PVE的信息，并且还允许计算缺乏真正的活动。如图所示，8次迭代可以被认为是最大球体的活动重建中的良好选择（图3a，b），但是亚群≥8而不是4，而不是先前假设。对于相同的子集，但是更大的迭代，对于第三个较大的球体也是如此（图4c）也是如此，而PVE对于所有数量的OSEM更新（图4d，e）考虑的剩余球体显然是明显的。
作为子集与迭代乘积的函数，计算了每个球的加权分数误差，IE。，EI，用来估计与重构算法相关的误差。结果如图5所示，其中wr（归一化到真实活动的RMSE）被绘制为EI的功能。在该图中，每个球体的数据是指通过本研究中考虑的OSEM更新获得的最高加权因子，即EI = 64,80,132和160.对于EI的固定选择，归一化wr由于图3中报道的PVE依赖于球体体积。这对于两个较小的球体清晰可见（wr> 60％），从64 ei开始，随着EI值的增加，往往会降低。

图2。死区时间效应评估，其中幻象中的总计数符合幻像中注射的真实总活动。

图3。每个球体中的总数与4,8和16个子集的迭代次数。球形内径：（a）36mm，（b）28mm，（c）22mm，（d）17mm，（e）13mm。

图4。恢复系数与4,8和16个子集数量的迭代次数。球形内径：（a）36mm，（b）28mm，（c）22mm，（d）17mm，（e）13mm。

图5。作为等效迭代（EI）的函数，加权根平均平方误差（WRMSE）标准化为真实活动。

表格1。用三个热毛细管（置于视野的中心，距离中心3cm和6cm的中心）进行的分辨率测量，填充有177从圆柱形虚拟体，充满冷水。报告空间分辨率估计（mm），标准偏差（mm）和百分比噪声。

2021版权燕麦。保留所有权利

		中央	3cm.	6cm.
4 s4i	平均	17,92	15,12.	14,73
	英石。开发。	0,02	0, 11	0, 26
	噪音％	0, 10	0,73	1,77
4S10i.	平均	13,44	11,40	10,97
	英石。开发。	0, 06年	0, 06年	0,07年
	噪音％	0, 44	0,53	0,61
4S18i.	平均	10,27	9日,99年	9,49
	英石。开发。	0, 16	0,07年	0, 19
	噪音％	1,57	0,72.	1,95
8S4I.	平均	12,87	11,73.	11,39
	英石。开发。	0, 09年	0, 04	0, 28
	噪音％	0,67	0, 32	2,47
8S10I.	平均	10,41	9日,81年	9,18.
	英石。开发。	0,75.	0, 46	1, 10
	噪音％	7,16.	4,73.	11,94
8 s18i	平均	9日,73年	8,55	8,27
	英石。开发。	0,92	1,32	0,94
	噪音％	9,48	15,43	11,39
16S4I.	平均	12,15.	10,46	9,33
	英石。开发。	0, 47	0,92	0, 40
	噪音％	3,86	8,75	4,34
16s10i.	平均	94	8,50	8,01
	英石。开发。	0,65	1、14	1, 09年
	噪音％	7,29	13,42	13,58
16S18I.	平均	8,78	8,40	8,04
	英石。开发。	0,60	1,41	1,40
	噪音％	6,84	16日,80	17日,38

讨论

我们的作品的目的是调查OSEM更新对177LU SPECT重建的影响，并根据宠物NEMA IEC身体幻影的对象卷的函数来计算与OSEM参数相关的错误。所获得的结果表明，OSEM更新的选择对于SPECT中的活动量化的目标非常重要。应该强调我们的研究考虑：1）只有球形卷;2）将插入物放置在虚线内的固定位置;3）插入件与SPECT / CT检测器相似;4）将插入物放入寒冷的背景中。这些选择显然远离器官运动的临床情况，并因此存在未固定的病变位置，以及周围的背景活动负责溢出的组织。这些假设是理想的，并且代表了真正影响由于PVE引起的信号损失的因素的简化。然而，它们在对对病变活动量化的影响的调查中至关重要。
如表1所示，同时增加分辨率的固定值的迭代次数，但分辨率提高，但噪声也增加。如果迭代号是固定的，则相同，而子集变化。从工厂数据表中，分辨率为12.5毫米（距离10厘米，中等能量准直器，带67Ga），但没有提供关于所采用的测量方法的信息。我们的临床放射性同位素177路的结果表明，我们的系统分辨率优于67GA的工厂数据表中报告的系统，它显示了对所选择的OSEM更新的强烈依赖。使用最高的迭代和子集数字（在我们的情况下，使用最高的迭代和子集数（16个子集和18次迭代）来实现最佳测量的空间分辨率值。实际上，当临床病例中的球体或病变最接近探测器时，可以获得整体最佳的空间分辨率（8 mm）（在我们的情况下距中央位置6厘米）。通常，但这主要是在临床比赛中的耗时分析来决定，通过固定数量的迭代和子集来重建SPECT图像，而不考虑尺寸和感兴趣的体积的位置。
我们的研究结果表明，适当的OSEM更新选择是有用的两个原因：1）对于大量更新，即使重建噪音水平较高的噪声水平，对于大量更新（直径大小为特定同位素的分辨率限制）是可检测的。图像（大约17％，整体最佳分辨率为8mm）;2）病变可检测性与物体更靠近探测器一样较高。
因此，选择固定数量的迭代和子集可能是剂量测定目的的缺点。如图3所示，不同病变的相同OSEM更新的选择不能充分达到所考虑的卷内的总数量收敛。
不同球形大小的对象不会达到任何固定数量的OSEM更新的收敛，即OSEM更新的选择是依赖于对象大小，并且与系统空间分辨率有关。因此，在处理不同体积和不同几何形状的患者病变的潜在情况下，使用相同数量的OSEM更新的选择可能是需要针对较小卷的特定OSEM更新的限制性。对于大于5.5ml的卷，即位球体的体积（图3A-C），要采用的亚空闲数量和迭代的数量分别不小于4和8。
使用相同选择的OSEM更新对于vois小于5.5ml，例如这项研究中的两个最小的领域，因此由于部分体积效应的主导地位，不会达到总计数收敛（图3 D-E）。因此，应影响对象中的真实活动的估计。在这种情况下，由于SPECT模态的空间分辨率有限，但量化变得具有挑战性，特别是临界。考虑到图3，这是清楚的。例如，使用EI = 64的值，可以使用8个子集和8个迭代获得，而且可以使用16个子集和4个迭代来获得。从图4开始，可以看出，对于OSEM参数的这两种可能的组合，RC相对于每个VOI的偏置在球体的体积下降时上升。反过来，这将导致最大球体达到1的RC值，并且对于同一OSEM EI的较小球体小于1。在Hippeläinen的工作中也显示了类似的趋势等等。[9]．那个小组用与我们相同型号的伽玛相机进行了一系列的幻影测量，采用了类似的采集和重建方案。然而，他们并没有研究迭代次数和子集数量的函数响应的变化。他们只考虑了由15次迭代和16个子集给出的EI，研究了仅衰减补偿、仅散射补偿以及衰减和散射同时补偿的影响。
因此，我们的结果表明，球体较小（因此，总计差异化），活动估计中的误差更大（图5），范围从3.7％（最大体积）到35％（球体积为5.56毫升以较高的子集和迭代的少数值和迭代的小值，85％（最小体积），从3.7％（最大体积）到20％（球体积为5.56毫升），并且在较高的子集和迭代的值下为79％（最小体积）。即使EI量非常高，检测到小于4-5ml的球形的WRMSE /（真实活动）比的额外增益。
即使是最近的研究[33]关于177LU定量的精度评估表示，如前所述，相应的等效迭代和低滤波器尺寸的高值相似的信号的相似增加。通过在22mm球体中定量的活性之间的比率评价，并且在37mm球中定量的活性。本研究采用的方法更具分析，具体称为一系列不同尺寸的球体。
应当注意，如果病变具有不规则形状，则可能不安全地假设体积等效球的RC值。在临床病例中，活性定量可能受到器官运动和/或患者在数据采集期间呼吸的影响。此外，不应忘记这些RC曲线是扫描仪特定的（IE。，依赖于系统空间分辨率，准直器，晶体厚度，源点到检测器距离，能量窗口设置等）和类似的实验应该在不同供应商的扫描仪上进行类似的实验，以导出类似的信息，以便建立最佳的OSEM更新选择。
目前的研究表明，在聚焦于病变和器官剂量测定的MRT试验中，需要PVE补偿来获得177Lu的准确定量，以达到剂量测定的目的。当需要在SPECT图像上绘制病变或小器官时尤其如此。在空间分辨率、图像噪声和临床原因之间的良好折中，我们在腹部检查中确定了EI值80，包括8个子集和10次迭代，就像我们的177Lu剂量试验中最合适的一样。

结论

目前工作的目的是研究在177Lu SPECT/CT成像中OSEM算法设置对治疗剂量测量的影响。作为对象体积的函数，我们评估了特定选择的OSEM更新的量化精度。观察到迭代和子集的数量有很大的依赖性，特别是对于小体积物体(体积小于5.5 ml)。
作者建议临床病例应根据病变的具体大小和形状仔细优化重建参数。这在SPECT成像中尤其如此，在SPECT成像中，各种功能研究以及不同的放射性同位素标记用于临床实践的特定放射性示踪剂都是存在的。因此，医生建议采用患者和病灶特定的重建参数，以便在诊断和治疗中实现更高的病变检测和更准确的活动量化。
本文的方法可以成功扩展到其他同位素（IE。，99MTC，111IN，131I，......）旨在在核医学研究中获得更定量的准确成像。
最伟大的作者的兴趣是朝向放射性核素治疗中的剂量测定目的强烈相关的量化，这涉及一些常用的放射性核素。其中，它不包括简单的成像同位素99MTC，尽管它被认为是鉴于其理想的单张PhotoPak的金标准。
从这个角度来看，将这项工作的方法应用到更流行的99mTc成像将是一件有趣的事情，这将很好地表明在理想的成像特性下，采集和重建协议能够做到什么，而177Lu肯定不能。

参考

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