openSSS：开源实现 3D TOF-PET 散射估计，推动定量 PET 研究与新型扫描仪设计

《EJNMMI Physics》：openSSS: an open-source implementation of scatter estimation for 3D TOF-PET

在正电子发射断层扫描（PET）成像中，散射校正对定量飞行时间（TOF）PET 成像至关重要，但现有散射估计算法存在局限。研究人员开发开源的 openSSS 算法，经 NEMA 体模和患者数据验证，其性能与参考数据及厂商平台相近，为定量 PET 研究和新型 PET 扫描仪设计提供支持。

　　正电子发射断层扫描（Positron Emission Tomography，PET）成像技术在现代医学中发挥着重要作用，它能通过对体内放射性示踪剂的分布进行成像，为疾病的诊断、治疗和研究提供关键信息。然而，在 PET 成像过程中，一个不可忽视的问题出现了 —— 散射。当 PET 探测到的光子在人体中发生散射时，就像原本笔直前行的士兵迷失了方向，导致测量的响应线（Line-Of-Response，LOR）出现偏差，最终使得图像质量大打折扣。想象一下，医生依靠这些模糊、不准确的图像进行诊断，就如同在迷雾中摸索，很可能会出现误诊或漏诊的情况。

而对于定量 TOF-PET 来说，散射的影响更为严重，散射部分通常占据了实际检测到的符合事件的 30% - 50%。这就好比一杯水中混入了大量杂质，严重影响了水质的纯净度。为了 “净化” 图像，准确的散射校正必不可少，它就像是给这杯 “水” 进行过滤，去除杂质，还原图像的真实面貌。但目前的情况却不容乐观，现有的散射估计算法大多是厂商专有的，就像被锁在保险箱里的秘密，无法公开获取用于研究。开源重建库虽然存在，如 CASToR（Customizable and Advanced Software for Tomographic Reconstruction）和 STIR（Software for Tomographic Image Reconstruction），但它们在 TOF 和定制几何结构的散射估计方面却无能为力，就像是缺了一把关键钥匙的锁。在这样的背景下，研究人员迫切需要找到一种新的解决方案，这便是开展这项研究的重要原因。

来自荷兰乌得勒支大学医学中心（UMC Utrecht）等多个机构的研究人员勇敢地迎接了这个挑战，他们致力于开发一种全新的开源散射估计算法。经过不懈努力，openSSS 这一开源的 3D 单散射模拟（Single-Scatter-Simulation，SSS）算法应运而生，并且发表在了《EJNMMI Physics》杂志上。这个算法意义重大，它为 PET 重建提供了临床级别的散射估计，就像为 PET 成像技术注入了一针 “强心剂”，极大地提升了开源重建库的功能，让研究人员能够在不受厂商限制的情况下，自由地开展透明的研究。同时，它还能与定制的扫描仪几何结构兼容，为新型 PET 扫描仪的设计和开发开辟了新的道路。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，利用单散射模拟算法，基于康普顿散射的物理光子模型和探测器几何结构，对散射概率进行精确估计。通过从衰减图中采样散射点，结合 Klein-Nishina 公式计算散射概率。其次，采用插值技术，根据少量的 LOR 和散射点样本，在完整的正弦图空间中进行插值，从而得到完整的散射分布。此外，还运用了图像域缩放方法，通过对归一化测量净真事件和估计散射进行简单反投影，对散射分布进行定量缩放。研究数据来源于模拟的 NEMA 体模数据以及临床患者数据，为研究提供了丰富的样本支持。

下面来看看具体的研究结果。在 GATE 蒙特卡罗模拟实验中，研究人员使用 Biograph Vision 600 扫描仪对 NEMA 体模进行模拟。结果显示，经过 openSSS 散射校正的重建图像与仅包含未散射真实符合事件的参考图像相比，二者十分相似。从对比恢复来看，平均偏差为 2.4 个百分点；背景均匀性方面，差异仅为 0.4 个百分点。这表明 openSSS 校正后的图像背景同样均匀，冷热区域的对比明显，就像一幅清晰的地图，各个区域一目了然。

在与飞利浦研究平台 “PURE” 的对比实验中，研究人员针对 UMC Utrecht 放疗 PET/MRI 扫描仪的几何结构，对模拟的 NEMA 体模数据进行处理。结果发现，openSSS 和 PURE 得到的重建图像在视觉上相似，背景变异性差异平均为 1.8 个百分点。不过，二者的活动分布存在差异，对比恢复平均偏差达到 3.7 个百分点，主要体现在热球中最小的球体上。同时，在背景区域，中心和外部区域的残留误差偏差为 2.8 个百分点。这说明虽然二者有相似之处，但在一些细节上仍存在差异，openSSS 还有进一步优化的空间。

在对西门子 Healthineers 原型重建平台的研究中，研究人员使用 Biograph mCT 临床扫描仪采集的患者数据进行重建。结果显示，openSSS 和西门子软件估计散射后重建的图像在视觉上等效，噪声水平相似，且没有条纹伪影或患者轮廓外的活动。在感兴趣区域（ROI），平均强度差异为 1.8 个百分点，这表明 openSSS 在临床数据处理上也能达到与厂商软件相近的效果，具备临床应用的潜力。

综合研究结论和讨论部分，openSSS 算法的开发和验证具有里程碑式的意义。它成功实现了对 TOF-SSS 算法的开源，在多种扫描仪几何结构上，其重建图像和指标与参考模拟数据以及厂商特定研究平台相比，偏差较小。这意味着 openSSS 具有良好的兼容性和可靠性，即使在没有对参数进行广泛优化的情况下，也能取得不错的效果。同时，openSSS 在图像域进行缩放的方式，巧妙地避开了正弦图稀疏和动态范围小的问题，为短时间采集和特殊几何结构的系统提供了更可靠的散射校正。此外，它对定制 PET 几何结构的适用性也得到了验证，尽管在处理不规则几何结构时存在一定的误差，但通过优化采样方案等方式，有望进一步提高其性能。总的来说，openSSS 为定量 PET 研究和新型 PET 扫描仪的设计提供了强大的支持，就像为医学影像领域打开了一扇新的大门，让我们在探索人体奥秘、攻克疾病的道路上迈出了坚实的一步。