编者按
近日，中国科学院深圳先进技术研究院胡战利研究员、黄振兴副研究员团队与河南省人民医院王梅云教授团队基于联影一体化PET/MR 设备开发了一种融合全脑空间定位技术的低剂量PET高清成像方法，相关研究成果以“Accurate whole-brain image enhancement for low-dose integrated PET/MR imaging through spatial brain transformation”为题发表于医学成像领域权威期刊IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics（IF = 6.7）[1]。结果表明，该研究所提出的方法通过有效融合代谢、解剖和全脑定位信息可显著提高低剂量全脑PET成像质量，对于提升脑部相关疾病的早期诊断和干预能力具有重要意义。
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研究背景
Research Background
大脑是人体的指挥核心，控制着感知、认知等关键功能。一体化PET/MR设备通过同步采集PET和MR图像，为大脑解剖结构和功能代谢信息提供了全面视图，成为神经系统疾病诊断和脑科学研究的重要双模态影像工具。然而，放射性示踪剂的使用可能增加患者的辐射暴露风险，而降低剂量则可能导致图像噪声增加和对比度下降，进而影响PET图像的定量准确性。基于此，该研究提出了一种融合全脑空间定位技术的低剂量PET高清成像方法，旨在不牺牲图像质量的前提下有效降低患者的辐射风险。
图 1. 短时大剂量辐射的人体医疗反应（左）以及全脑功能分区定位（右）。
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研究方法
Research Method
研究利用Freesurfer 软件提取全脑空间定位信息，并通过交叉注意力机制实现PET（代谢信息）、MR（解剖信息）和全脑空间定位信息的高效融合，继而构建深度学习网络框架探索低剂量PET图像和标准剂量PET图像之间的映射关系。整个工作流程如图2所示。为了验证所提出的方法的优势，该研究选择了几种常用的深度学习方法（CNN、REDCNN、REDCNN3D、UNet和UNet3D）进行对比分析，并采用峰值信噪比（PSNR）、结构相似指数（SSIM）和Pearson相关系数（PCC）3个常用定量指标对生成的PET图像质量进行评价。此外，该工作还进行了基于不同脑区的感兴趣体积（VOI）分析，采用PCC和t检验评价所选VOI中所合成的PET图像与ground truth（GT）在标准化摄取值（SUV）分布方面的相关性和一致性。
图2. 研究所提出的方法（Proposed）的工作流程。（A）从T1WI图像中提取脑空间定位信息的过程;（B）PET降噪过程；（C）三维神经网络的细节展示；（D）空间脑变换模块的细节展示。
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研究结果
Research Results
研究首先通过视觉评估对不同方法在轴状位、冠状位和矢状位上生成的PET图像进行了比较，结果如图3所示。总的来说，其他深度学习方法的结果过于平滑，缺乏清晰的细节特征，而该研究所提出的方法（Proposed）能够有效保留脑区的沟回细节和抑制图像噪声，显著提升了低剂量全脑PET成像的图像质量。此外，研究发现其他深度学习方法对应的SUV值较低，而该研究所提出的方法（Proposed）可保持与GT的高度一致性，这在减少误诊方面具有重要意义。进一步，定量结果表明该方法（Proposed）对应的PSNR、SSIM和PCC分别为41.96 ± 4.91 dB（p<0.01）、0.9654 ± 0.0215（p<0.01）和0.9915 ± 0.0047（p<0.01），在所有方法中取得了最好的表现（表1）。
图3. 不同方法在轴状位、冠状位和矢状位上生成的PET图像的视觉评估结果。红色圆圈表示ROI，黄色箭头表示该研究所提出的方法（Proposed）优于其他方法的区域。
表1. 不同方法在测试集数据中对应的PSNR、SSIM和PCC值（mean ± std）。最好的结果用粗体表示。
为了深入评估不同方法在特定脑区的表现，该研究选定了八个具有代表性的脑区，并运用小提琴图对各脑区的SUV数据分布进行了可视化展示，结果如图4所示。综合比较发现，与其他深度学习方法相比，该研究所提出的方法（Proposed）在这些脑区的SUV分布与GT极为接近，凸显了该方法在定量准确性方面的显著优势。
图4. 不同方法在不同脑区中对应的SUV分布小提琴图。
此外，为了进一步探究不同方法在特定脑区的准确性，研究团队还特别针对左丘脑（Left-thalamus-proper）和右腹侧深部核群（right-ventral DC）进行了相关性和一致性分析，如图5和图6所示。分析结果显示，该研究所提出的方法（Proposed）与GT之间展现出了极高的相关性和一致性，这不仅验证了该方法在特定脑区成像上的优越性，也为深入研究这些脑区的代谢和功能提供了强有力的支持。
图5. 不同方法在左丘脑（Left-thalamus-proper）中与Ground Truth（GT）的相关性评估结果。
图6. 不同方法在右腹侧深部核群（right-ventral DC）中与Ground Truth（GT）的一致性评估结果。
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研究展望
Research Prospect
该研究基于一体化PET/MR设备开发了一种融合全脑空间定位技术的低剂量PET高清成像方法，有效解决了低剂量PET成像过程中的图像质量保真问题，对脑部相关疾病检测和代谢异常分析具有重要意义。未来，这种高效的低剂量脑部PET成像方法有望在更多临床场景中展现其独特优势，在实际应用中发挥重要的临床和产业价值。
