TWI554251B

TWI554251B - Ｓｐｅｃｔ骨顯像的定量分析技術及在骨評估中的用途

Info

Publication number: TWI554251B
Application number: TW105100125A
Authority: TW
Inventors: 許百靈
Original assignee: 許百靈
Priority date: 2016-01-05
Filing date: 2016-01-05
Publication date: 2016-10-21
Also published as: TW201613531A

Description

SPECT骨顯像的定量分析技術及在骨評估中的用途

本發明是關於一種骨圖像的定量分析技術，特別是關於一種單光子發射型電腦斷層顯像(single photon emission computed tomography，SPECT)或單光子發射型電腦斷層顯像/X線電腦斷層成像(SPECT/CT)的影像處理技術，可對於核醫學單光子骨顯像藥物在骨頭內的攝取程度進行測量，並以定量指標進行表示，包括：骨對於顯像藥物的標準攝取值(standardized uptake value,SUV)、瘦體標準攝取值(standardized uptake lean body 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。

預防醫學是現今社會及醫界未來發展的趨勢，特別是老年人口急速增加，根據衛生福利部統計，國人膝關節退化的盛行率約15%，推估有350萬人飽受膝關節疼痛之苦，同時罹患骨質疏鬆症的人也年年大幅增加，在65歲以上老年人口中，每9人中有1人罹患骨質疏鬆症；每4名65歲以上女性就有1人罹患骨質疏鬆症；超過50歲女性，有40%的機率至少發生一次因骨質疏鬆引起的骨折，且每年因骨質疏鬆所導致的骨折約3萬人，其中因為種種原因造成死亡率高達5-25%。因此有效診療骨功能性疾病已成為保障老齡人口生活品質的重要醫療服務專案。在骨功能評估的臨床應用中，正電子發射型電腦斷層顯像(positron emission tomography,PET)或正電子發射型電腦斷層顯像/X線電腦斷層成像(PET/Computed Tomography,PET/CT)等醫學影像技術方法，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。以SPECT進行骨顯像的技術方法已被經常使用於評估骨的功能活度，相較於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，但由於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於顯像藥物的攝取程度，而無法與PET或PET/CT一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，對於SPECT骨顯像的發展產生嚴重的阻礙。

鑒於此，有需要發展一種骨SPECT及SPECT/CT顯像的圖像定量分析技術方法，以實現SUV、SUL和MTV定量指標的測定，並能夠將定量指標實際用於骨的評估。

本發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SPECT和SPECT/CT技術只能定性而無法定量分析的缺陷，並將這一新技術應用於骨的評估。

本發明所採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：(1)圖像採集步驟，利用SPECT或SPECT/CT採集骨疾病患者的圖像資料；(2)核素物理衰變校正步驟，根據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，並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 motion)，以自動重新對位元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)圖像空間解析度恢復步驟，通過移動點源距離准直器表面的變化，於投射圖像中測量和距離相關的點擴散函數(point spread function，PSF)，並建立點擴散函數矩陣，並將點擴散函數矩陣用於疊代圖像重建而重新恢復空間解析度；(7)雜訊去除步驟，通過分析(analytic)或小波(wavelet)濾波器用於疊代圖像重建中，以去除圖像中的雜訊；(8)骨代謝體積計算步驟，根據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係，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)，並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”中的骨代謝體積；(9)標準攝取值計算步驟，根據患者的體重和身高，以及患者的放射性注射劑量，計算出骨對於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後產生的變化。

經本發明所採用的技術手段，解決了利用SPECT和SPECT/CT定量測量骨標準攝取值的難題，並能夠使該技術用於骨傷的評估。

例證一

圖5顯示了一例左右腳膝關節骨傷患者的骨SPECT與CT融合圖像，SPECT顯像採用的是以^99mTc核素標記的^99mTc-MDP骨顯像劑，注射劑量為22.0mCi，患者體重為65公斤，身高160公分。依據本發明，圖像經物理校正後，右膝脛骨與左膝脛骨內測頂端可見明顯高攝取的濃聚點，右膝脛骨內測頂端的SUVmax與SULmax值分別為19.01與14.02、SUVmean與SULmean分別為11.46與8.81、MTV為7.12ml，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。

例證二

圖6顯示一名右腳踝關節骨傷患者，體重為60公斤，身高171公分，治療前患者接受^99mTc-MDP SPECT骨顯像，^99mTc-MDP注射劑量為24.8mCi，利用本發明技術，治療前右腳踝脛骨內測可見^99mTc-MDP高攝取的濃聚點，MTV為6.20ml，SUVmax與SULmax值分別為11.75與9.97、SUVmean與SULmean值分別為8.35與5.01。經中醫治療四個月後，患者再次接受^99mTc-MDP SPECT骨顯像進行複查，^99mTc-MDP注射劑量為20.8mCi，利用本發明技術進行變化評估，SUVmax與SULmax值分別為6.87與5.83、SUVmean與SULmean值分別為7.20與4.32、MTV為3.32ml。治療前後比對結果發現此處骨的MTV降低了46.5%，SUVmax與SULmax一致性降低了41.5%、SUVmean與SULmean一致性降低了13.7%，臨床的疼痛評估由6分降為1分，顯示該處疼痛程度獲得大幅度改善，因此認為骨傷治療前後的定量指標變化有意義。

1. 圖1顯示依據本發明實施的掃描間移患者移動校正步驟的流程圖。

2. 圖2顯示依據本發明實施得到的患者的組織衰減矩陣示意圖。

3. 圖3A顯示本發明實施中，無校正時的圖像。

4. 圖3B顯示本發明實施中，經雜訊去除的圖像。

5. 圖3C顯示本發明實施中，經雜訊去除、散射校正的圖像。

6. 圖3D顯示本發明實施中，經雜訊去除、散射校正、未經掃描間患者移動校正、組織衰減校正的圖像。

7. 圖3E顯示本發明實施中，經雜訊去除、散射校正、掃描間患者移動校正、組織衰減校正的圖像。

8. 圖3F顯示本發明實施中，經雜訊去除、散射校正、掃描間患者移動校正、組織衰減校正、空間解析度校正、核素物理衰變校正的圖像。

9. 圖4顯示依據本發明實施骨代謝體積計算步驟的流程圖。

10. 圖5顯示依據本發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、MTV為7.12ml(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。

11. 圖6顯示依據本發明實施得到一骨傷患者右腳踝脛骨治療前後定量指標的比對結果，可發現MTV(前：6.20ml；後：3.32ml)降低了46.5%，SUVmax(前：11.75；後：6.87)與SULmax(前：9.97；後：5.83)一致性降低了41.5%、SUVmean(前：8.35；後：7.20)與SULmean(前：5.01；後：4.32)一致性降低了13.7%。

本發明提供一種骨顯像的圖像定量分析技術，能夠獲得骨對於^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)，而通過本發明的新技術在SPECT或SPECT/CT中也可以實現。

首先，圖像採集步驟，利用SPECT或SPECT/CT採集患者的骨圖像。患者注射^99mTc標記的^99mTc-HDP或^99mTc-MDP骨顯像藥物後約4小時，啟動SPECT或SPECT/CT的雙探頭各旋轉180度，進行採集圖像資料。旋轉中，原始圖像資料由空間座標及旋轉角度表示。探頭可從右前斜位至左後斜位、前位至後位、左前斜位至右後斜位、後位至前位旋轉採集均可。採集步驟更包括使用通用128×128矩陣或高清256×256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)、採集總時間至20-30分鐘。採集資料可利用標準的醫療數位圖像傳輸協定(digital imaging and communications in medicine，DICOM)格式進行保存或傳輸，以用於後續的影像處理。

物理衰變校正步驟，根據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機架環繞于患者時，于對應轉動角度的時間點進行計算，以指數衰變模組(exponential decay model)計算校正係數，從而重新調整原始投影圖像中的放射性計數(counts)。

患者移動校正步驟，校正掃描間的患者移動(Inter-scan patient motion)。掃描間的患者移動為患者在SPECT和CT圖像採集間移動身體位置所造成的SPECT和CT錯位，因而影響後續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的分區，並從CT圖像中去除非骨區域與只保留骨區，重建後的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。

散射校正步驟，利用得自主峰能窗(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係估算原始圖像中的散射分量，並從原始圖像減去散射分量而進行散射校正。

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圖元單元的140keV衰減係數，通過圖像對應探頭的位置，以指數模型(exponential model)與線積分(linear integration)計算每個圖元單元對應探頭的衰減值而創建一個衰減矩陣，並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(x、y、z、Θ)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元，以提高組織衰減校正的準確性。

圖像空間解析度恢復步驟，利用移動點源在原始投影資料中的半高寬(full width of half max)變化，獲得與准直器距離相關的點擴散函數(point spread function,PSF)而建立點擴散函數矩陣，並將點擴散函數矩陣用於疊代重建而重新恢復圖像的空間解析度。對於配置不同型號的SPECT和SPECT/CT，可分別測量出一組PSF矩陣。PSF可借助分析函數(analytic functions)而建模。PSF矩陣隨後可被用於疊代重建中的前投射步驟，通過疊代恢復圖像的空間解析度。

雜訊去除步驟，將分析(analytic)或小波(wavelet)濾波器予植入疊代集成重建，以去除圖像中的雜訊。圖像的雜訊利用等效分析濾波器(equivalent analytic filter)在疊代重建中比對濾波後的原始圖像和前投射圖像的步驟中而予以過濾雜訊。作為替代性方案，原始圖像與前投射圖像的雜訊亦可在疊代重建過程中使用小波濾波器，同樣在疊代重建中在比對濾波後的原始圖像和前投射圖像的步驟中而予以過濾雜訊，其中小波濾波器以固定模式(stationary mode)對圖像進行基底展開，在不同階層(order)的展開係數長條圖中再以固定窗寬排除高頻的展開係數，並使用分析函數對展開係數進行過濾，之後再進行圖像重組。圖3A至圖3F分別表示患者未經物理校正的圖像(圖3A)；經雜訊去除的圖像(圖3B)，顯示有效去除圖像雜訊；經雜訊去除、散射校正圖像(圖3C)，顯示進一步提升影像對比度；經雜訊去除、散射校正圖像、組織衰減校正、但未經患者移動校正的圖像(圖3D)，顯示患者移動產生圖像左右不對稱與偽影；經雜訊去除、散射校正圖像、組織衰減校正、患者移動校正的圖像(圖3E)，顯示圖像左右骨骼對稱且均勻性較好；經雜訊去除、散射校正圖像、組織衰減校正、患者移動校正的圖像、空間解析度恢復及核素物理衰變的完整物理校正的圖像(圖3F)，顯示圖像對比度與解析度獲得提高，品質獲得明顯的改善。

骨代謝體積計算步驟，為了用物理校正後的圖像計算患者體內對於骨顯像劑的攝取值與範圍，需根據假體模型實驗獲得實際放射性濃度與圖像中畫素強度之間的線性關係，放射性濃度單位為(Bq/ml)，該實驗通過向假體模型注入已知^99mTc放射性濃度的核素溶液、並和重建後的模型圖像進行比對，以獲得此線性關係，為了簡便測量，該實驗使用具稱性結構假體模型進行測試。骨代謝體積計算以“感興趣區”中具最大攝取濃度的畫素為參考點，對圖像區域從一般直角坐標系轉換至球座標(spherical coordinate)，圖像中對r(半徑)方向進行濃度變化的梯度計算，並通過梯度的閾值範圍勾畫“感興趣區”中代表代謝體積的區域，再將代謝體積的區域經由球座標轉換至直角坐標，以計算“感興趣區”內的骨代謝體積，體積的單位以ml(毫升)表示，圖4顯示骨代謝體積的計算流程。

骨攝取值的計算步驟，骨標準攝取值的計算根據上述的線性關係與骨代謝體積以計算出物理校正後的圖像中“感興趣區”所對應的最大與平均藥物攝取濃度，並根據患者的體重、身高、以及顯像劑的注射劑量(單位為Bq或mCi)，計算出患者的骨SUV和SUL，SUV定義為“感興趣區”骨的放射性濃度(Bq/ml)×患者體重(g)/注射劑量(Bq)；SUL定義為“感興趣區”骨的放射性濃度(Bq/ml)×患者瘦體體重(g)/注射劑量(Bq)，其中瘦體重以波以爾(Boer)公式，依身高、體重與性別進行轉換。當然，本發明不限於此，也可以根據患者的其它生理參數而調整骨攝取值，例如，利用患者的骨質疏鬆度調整骨的標準攝取值。

評估步驟，根據物理校正後的圖像、患者的體重，瘦體體重和靜脈注射的顯像劑劑量，計算圖像的MTV、SUVmax，平均SUV(SUVmean)，SULmax，平均SUL(SULmean)等5個定量指標。於骨傷治療前先在骨的受傷處畫一適當體積的“感興趣區”(此感性區須包括最大標準攝取值)，隨後計算“感興趣區”內的MTV、SUVmax，SUVmean，SULmax與SULmean。經過治療後，如骨的SUVmax與SULmax、SUVmean與SULmean與MTV降低程度超過某些比例以上，認為骨傷治療前後的變化有意義。

Claims

一種骨圖像的定量檢測技術方法，特別是關於一種SPECT或SPECT/CT定量測量骨攝取的技術方法，定量指標包括標準攝取值、瘦體標準攝取值和骨代謝體積，以及此技術方法在骨評估方面的用途，本技術方法包含：圖像採集步驟，利用該SPECT或SPECT/CT採集骨傷患者的圖像；核素物理衰變校正步驟，根據SPECT探頭的轉動時間與核素的半衰期校正該SPECT圖像的物理衰減；散射校正步驟，利用散射能窗，對該SPECT圖像中的散射分量進行計算，並減去散射分量圖像而得到散射校正圖像；移動校正步驟，包含借助校正掃描間的患者移動，以自動重新對位該CT與SPECT圖像；組織衰減校正步驟，通過轉換該CT圖像或放射源透射圖像而建立組織衰減矩陣，以疊代法重建去除該SPECT圖像因人體組織衰減所造成對骨顯像藥物攝取量的低估；圖像空間解析度恢復步驟，通過移動點源距離准直器表面的變化，於投射圖像中測量和距離相關的點擴散函數，並建立點擴散函數矩陣，並將該點擴散函數矩陣用於疊代圖像重建而重新恢復空間解析度；雜訊去除步驟，通過分析或小波濾波器用於疊代圖像重建中，以去除該SPECT圖像中的雜訊；骨代謝體積計算步驟，根據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係，計算出物理校正該SPECT圖像中各畫素的骨顯像藥物攝取濃度，並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”中的骨代謝體積；標準攝取值計算步驟，根據患者的體重和身高，以及該患者的放射性注射劑量，計算出骨對於藥物的定量攝取指標，包括標準攝取值和瘦體標準攝取值；評估步驟，通過該定量攝取指標的變化量以評估骨治療前後產生的變化。
如申請專利範圍第1項中骨圖像的定量檢測技術方法，其中該掃描間患者移動校正步驟，更包含通過該CT圖像，利用亨氏單位在骨與其他組織的高差異程度，以多個閾值對圖像進行分區，分為骨與非骨兩區，並從該CT圖像中去除非骨區域與只保留骨區，重建後的該SPECT圖像經由自動移動與轉動的過程，與該CT圖像產生最大重疊吻合，重新自動對準該SPECT與CT圖像進而校正該掃描間的患者移動，其中校正包括使用位移和角度方向共多個維度。
如申請專利範圍第1項中骨圖像的定量檢測技術方法，其中該組織衰減校正步驟，借助轉換該CT圖像或放射源透射圖像而計算經圖像中每個畫素單元的140keV衰減係數，通過該圖像對應探頭的位置，以指數模型與線積分計算每個圖元單元對應探頭的衰減值而創建一個衰減矩陣，並在疊代重建中使用衰減矩陣校正組織衰減，其中衰減矩陣以多個參數記錄每條對應線的光子衰減的幅度。
如申請專利範圍第1項中骨圖像的定量檢測技術方法，其中該圖像空間解析度恢復步驟，利用移動點源在原始投影資料中的半高寬變化，獲得與准直器距離相關的點擴散函數而建立點擴散函數矩陣，並將點擴散函數矩陣用於疊代重建而重新恢復圖像的空間解析度，該點擴散函數借助分析函數而建模，該點擴散函數矩陣隨後被用於疊代重建中的前投射步驟，通過疊代恢復該SPECT圖像的空間解析度。
如申請專利範圍第1項中骨圖像的定量檢測技術方法，其中該雜訊去除步驟，將分析或小波濾波器予植入疊代集成重建，以去除該SPECT圖像中的雜訊，利用等效分析濾波器在疊代重建中比對濾波後的原始圖像和前投射圖像的步驟中而予以過濾雜訊，其中小波濾波器以固定模式對該SPECT圖像進行基底展開，在不同階層的展開係數長條圖中再以固定窗寬排除高頻的展開係數，並使用分析函數對展開係數進行過濾，之後再進行圖像重組，以去除該SPECT圖像雜訊。
如申請專利範圍第1項中骨圖像的定量檢測技術方法，其中該骨代謝體積計算步驟，以“感興趣區”中具最大攝取濃度的畫素為參考點，對圖像區域從一般直角坐標系轉換至球座標，圖像中對半徑方向進行濃度變化的梯度計算，並通過梯度的閾值範圍勾畫“感興趣區”中代表骨代謝體積的區域，再將骨代謝體積的區域經由球座標轉換至直角坐標，以計算“感興趣區”內的該骨代謝體積。
如申請專利範圍第1-5任一項中，該骨圖像的定量檢測技術方法適用於使用SPECT骨顯像藥物的SPECT或SPECT/CT顯像，以測量骨對於該藥物攝取的標準攝取值、瘦體標準攝取值和骨代謝體積。
如申請專利範圍第6項中，該骨圖像的定量檢測技術方法所測量的治療前和治療後對於骨的標準攝取值、瘦體標準攝取值和骨代謝體積的變化程度，可用於評估骨在治療前後的變化是否具意義。
如申請專利範圍第1-6任一項中，該骨圖像的定量檢測技術方法更可適用於任何使用^99mTc標記骨顯像藥物的SPECT或SPECT/CT顯像。