A Novel Marker-Based Registration Method for Simultaneous Preclinical PET/MR with a Non- Stationary PET Detector

技术摘要：一种针对非固定 PET 检测器的同步临床前 PET/MR 标记物驱动注册新方法

问题陈述
本研究解决了在临床前环境下，将同时采集的正电子发射断层扫描（PET）与磁共振（MR）图像进行注册时面临的挑战，特别是在 PET 检测器被改装并安装在 MR 扫描仪上的非固定场景下。具体而言，作者使用了一个安装在动物摇篮定位系统上的小型非固定 PET 检测器（RatCAP）。这种设置给标准注册带来了三个主要障碍：

1. 位置不稳定性： 检测器相对于 MR 磁场中心的位置随每次实验中摇篮的重新定位而变化（存在已知的轴向定位误差），这使得无法使用单一、一次性的校准体模。
2. 空间限制： PET 检测器内部的射频（RF）线圈内径过窄，无法在容纳实验对象的条件下同时放置双模态标记物。
3. 缺乏解剖对比度： 在许多临床前应用中，仅依赖基于图像强度的注册往往是不够的，因为 PET 和 MR 模态之间可能缺乏相互的解剖对比度。

方法论
作者提出了一种全自动的、基于标记物的注册流程，该流程通过动物摇篮内的一个固定几何参考点，将 PET 图像空间与 MR 图像空间解耦。该方法依赖于零回波时间（ZTE）MRI 序列，该序列能够对摇篮的塑料组件进行成像。该工作流涉及三个特定的仿射变换：

1. 通用校准 ($T_{P \to Cradle}$)：一次性校准建立了 PET 图像坐标系与摇篮坐标系之间的静态关系。这是通过同时对双模态体模（填充有 $^{18}$F-FDG 的注射器堆叠）和摇篮鼻锥轨道（NCT）进行成像来实现的。NCT 被修改为带有由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）制成的减法式“凹槽”（几何标记物），这种材料在 ZTE-MRI 中可见。PET 与 ZTE 图像使用具有互信息度量的先进归一化工具（ANTs）进行注册。
2. 实验特定校准 ($T_{Lab \to Cradle}$)：对于每次实验，需确定摇篮在实验室空间（磁场中心）中的位置。一段短时间的 ZTE 扫描（约 2.5 分钟）会同时捕捉到受试对象和 NCT 标记物。该扫描被刚性注册到预先获取的“Nct0”扫描（仅包含 NCT 标记物）中，以确定摇篮相对于实验室空间的当前位置。
3. 序列特定变换 ($T_{MRI \to Lab}$)：该变换直接源自 MR 图像头文件，将特定 MRI 序列的索引体素映射到物理实验室空间。

最终的 PET 与 MRI 注册通过级联这些变换实现：$x_{MRI} = T_{MRI \to Lab}^{-1} \cdot T_{Lab \to Cradle}^{-1} \cdot T_{P \to Cradle} \cdot x_{PET}$。

核心贡献

• 新型硬件集成： 设计并 3D 打印了一个经过修改的鼻锥轨道，其带有在 ZTE-MRI 中可见的减法几何标记物，从而消除了对占用空间较大的双模态标记物的需求。
• 自动化工作流： 一种全自动的注册流程，不需要人工干预、解剖特征匹配或针对每个受试者进行重复的双模态校准。
• 亚体素精度： 证明了即使在检测器在不同实验之间发生移动的情况下，只要检测器与摇篮标记物的几何关系保持不变，实现精确注册是可行的。

结果
作者通过系统的体模实验验证了该方法：

• 注册精度： 摇篮标记物（NCT）到实验室空间的实验特定注册实现了 $\pm 0.03$ mm (x 轴)、$\pm 0.06$ mm (y 轴) 和 $\pm 0.06$ mm (z 轴) 的空间误差。
• 共注册性能： 当将该流程应用于九种不同摇篮位置（包括平移和旋转）下的 PET 和 MR 体模图像时，最终的共注册误差低于 PET 体素大小。
• 定量指标： 映射到共同 FLASH MRI 空间后的注册 PET 图像的体素级标准差平均为 2.6%（强度归一化，第 95 百分位数），局部最大值为 5.4%。
• 效率： 所需的 ZTE 校准扫描仅需约 2.5 分钟，使其能够作为标准方案中的预扫描步骤。

意义与声明
论文声称，这是首次展示利用 ZTE 扫描的图像注册来自动化实现非固定、改装型临床前设置中同步采集的 PET 和 MR 扫描共注册的案例。作者强调，这种方法为空间受限或检测器位置不固定的 PET/MR 系统提供了一种实用且具有成本效益的解决方案。

研究谨慎地指出，验证过程完全是在受控条件下通过体模进行的。作者承认，未来仍需评估在活体动物中的鲁棒性，因为受试者运动或呼吸可能会引入影响注册步骤的伪影。结论指出，该方法是实现在这些特定受限环境下达到亚体素精度的“实用方法”。