PET/CT顯像中呼吸運動對肺結節SUV的影響及其校正

王瞳　邢海群　郭寧等

[摘 要] 目的：研究正電子發射斷層/計算機斷層（PET/CT）顯像中呼吸運動對肺陽性病灶標準攝取值（SUV）的影響及校正方法。方法：用模型模擬呼吸運動進行PET/CT顯像，研究呼吸運動對陽性球狀灶SUV的影響，提出數學校正方法，并通過臨床病例分析進行驗證。結果：與靜止時PET圖像比較，呼吸運動時采集的陽性球狀灶SUV降低，但體積（VPET）相應增大，而其內的總放射性（TR=SUV平均×V）保持不變。臨床上，PET所示病灶為呼吸運動疊加的結果，而高速多排螺旋CT所示的病灶體積（VCT）與真實體積比較接近，因此建立了通過公式SUV校正=（SUV測量×VPET）/VCT進行校正的方法。結論：PET/CT顯像中肺結節的SUV因呼吸運動而被低估，可通過所建簡便方法進行校正。

[關鍵詞] 正電子發射斷層/計算機斷層；標準攝取值；呼吸運動；校正方法

中圖分類號：R817.4 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5200（2014）05-018-04

[Abstract] Objective： This study was designed to investigate the impact of breathing on evaluation of positive lung nodules and establish a correction method for positron emission tomography/computed tomography （PET/CT）. Methods： Model studies are adopted to simulate breathing. Its influence on the standardized uptake value （SUV） of positive nodules on PET/CT images were analyzed by correlating with the images obtained in static status. A mathematic correction method was established and verified through case analysis. Results： Compared with the PET images under static status， the average SUVs under breathing status decreased， whereas the nodule volume （V） increased correspondingly and the total radioactivity （TR=SUVmean×V） remained the same. Because the volume measured on the high-speed multi-detector CT was relatively accurate， the decreased SUVs on clinical PET images with breathing influence could be corrected using a formula： SUVcorrected = （SUVmeasured × VPET） / VCT. Conclusion： A mathematic method is preliminarily established to correct the breathing-related underestimation of the SUVs of positive lung nodules on PET/CT images.

[Key words] positron emission tomography/computed tomography；standardized uptake value；breathing；correction method

1 前言

PET/CT是目前臨床最為先進的醫學影像診斷方法之一，在腫瘤、心腦血管病和神經系統疾病方面具有廣泛應用，尤其是應用于腫瘤方面，占臨床應用的90%以上[1]。肺癌是PET/CT最主要適應癥之一，PET/CT在肺癌的診斷、分期、療效評估和預后判斷等方面均具有重要價值[2]。但在肺部PET/CT顯像中，由于呼吸運動的影響，經常觀察到近球形的肺結節可能呈短棒狀或橢圓形，靠近肺底的病變尤其明顯，其標準攝取值（SUV）會顯著降低，從而嚴重影響對疾病的診斷和療效評估 [3]。

作者前期針對PET/CT顯像相關影響因素和校正方法進行了系列研究 [4-7]，在此基礎上，本研究通過模型試驗并結合臨床病例分析，探索了與呼吸運動相關的影響因素，并提出了校正病灶SUV的簡便方法。

2 材料和方法

2.1 儀器

PET/CT儀為Siemens公司Biograph 64 Truepoint TrueV型，孔徑70cm，有52個硅酸镥（LSO）晶體環，配備40排高速螺旋CT，以及配套的呼吸門控裝置。

2.2 模型

選用NEMA IEC體模中的4個陽性球和自制的2個更小體積的陽性球，直徑分別為3.70、2.80、2.20、1.30、0.91和0.23 cm，對應容積分別為26.52、11.49、5.57、1.15、0.40和0.20 mL，6個球按體積由大到小分別標號為①、②、③、④、⑤和⑥。

取27.75MBq（0.75 mCi）的18F-FDG加入10 mL水中，從中抽取0.1 mL液體，加入50 mL水中，配成5.55 MBq/L（0.15 mCi/L）濃度的18F-FDG溶液。將配好的溶液靜置40 min后，小心注入6個小球。

然后將陽性球固定在Siemens公司配套的呼吸運動模擬儀上進行呼吸運動模擬測試。呼吸運動儀頭端為圓柱型，由一個鐵桿與主體連接，打開開關時，頭端會按設定頻率做往返運動，達到模擬人體呼吸運動的效果。由于頭端面積有限，只能將6個小球分2次進行采集，兩個大球①和②為一組，剩下③④⑤⑥為一組，先后粘貼在頭端圓盤上，先對第一組小球進行靜止狀態和呼吸運動狀態下的采集，然后再將第二組小球固定，同樣進行兩種方式的采集，最后對采集的數據進行處理和分析。

2.3 圖像采集和重建

模擬臨床常規采集流程，約60 min時分兩次將小球固定于模擬呼吸運動儀上，用Siemens Biograph 64 PET/CT常規全身掃描程序分別進行小球模型的靜止采集和模擬呼吸運動狀態采集，均采集一個床位，采集時間為2 min，常規OSEM法重建，迭代次數為2，子集為8，zoom為×1.2，選用Gaussian濾波，FWHM為5 mm。

臨床病例用同樣條件常規采集，注射劑量為5.55 MBq（0.15 mCi）/kg體重，然后閉目靜坐休息，約60 min后排尿，從盆底至顱底采集5個床位，每個床位PET采集2min。

2.4 圖像分析

使用Siemens公司MMWP工作站，用syngo TrueD 軟件對圖像進行融合顯示、分析和半定量測量。

3 結果

3.1 靜止時采集的圖像

不同大小的陽性球狀灶在靜止狀態和模擬呼吸運動時采集圖像的比較見圖1。小球處于靜止狀態時，根據盡量接近已知真實容積為原則勾畫感興趣區（volume of interest，VOI），測量小球體積、平均SUV、最大SUV，并記錄測量SUV時的閾值（以最大值的%表示，見表1）。將小球體積V作為橫坐標x，小球靜止時的平均SUV作為縱坐標y，經過擬合可以看出SUV與小球體積的自然對數呈正相關：y=0.159ln（x）+0.6409，相關系數R2=0.9335（圖2）。

3.2 模擬呼吸運動時采集的圖像

兩組小球先后粘貼在呼吸運動儀的頭部，打開運動開關，小球就可以跟著機器做前后勻速運動，從而達到模擬人體平靜呼吸時病灶隨胸廓運動的效果，采集后圖像如圖1B。

勾畫VOI，閾值選擇與表1中小球靜止時的SUV閾值一致，測得小球體積、平均SUV和最大SUV列于表2，以測量體積V作為橫坐標x，平均SUV作為縱坐標y，經過擬合得出：y=0.227ln（x）+0.2413（R2=0.9081）（圖3）。

3 病例分析

選擇一例肺結節病例作為示例。患者男性，63歲，左下肺靠外側可見一放射性攝取增高結節，大小約2.0×2.1cm，如圖4所示。使用Siemens公司MMWP工作站分別測量PET圖像和CT圖像中的病灶大小。因病灶與2.2cm的球狀灶比較接近，所以選擇29%作為測量閾值。此時，病灶平均SUV為6.19，體積為5.44cm3。在PET/CT系統中，CT掃描很快，旋轉一圈只需0.35秒[8]，獲得的圖像幾乎是某一瞬間的快照，因此較少受呼吸運動的影響，CT上測得的病灶體積可作為靜止采集時的病灶體積。本例CT上測得的病灶體積為4.45cm3，按照TR不變的原則，得到校正公式：SUV校正=（SUV測量×VPET）/VCT，從而算出病灶的校正后SUV為7.56。

4 討論

PET圖像中，病灶的SUV受眾多因素的影響，呼吸運動是其中重要的影響因素之一。特別是對于靠近膈肌的病灶，厘米級的呼吸運動范圍很可能造成病灶SUV的嚴重低估[9]。雖然也可以用呼吸門控的方法進行校正[10]，但需要專門的門控采集，比較復雜，不太適合臨床常規應用。本研究探索了一種簡便的校正方法，利用常規PET/CT采集時PET和CT采集到的病灶大小的不同，通過數學方法即可完成校正，方法簡便快捷，適合臨床常規應用。

為建立和驗證這一方法，本研究先進行了模型試驗。建立模型時，每個小球內注射的18F-FDG的濃度是相同的，因此，理論上每個小球的SUV都應該相等。然而，無論是靜止還是呼吸運動時采集的圖像，都是小球越小，測得的SUV越低。這是因為受PET容積效應的影響，可能會造成PET假陰性的結果。前期我們和其他研究團隊都在這方面進行了系列研究，建立了一些可行的校正方法[6，11-13]。本研究中，我們進一步對呼吸運動的影響進行了校正研究。

通過比較不同大小陽性球狀灶靜止和呼吸運動時測得的SUV，發現對于同樣大小的球狀灶，呼吸運動時的SUV總是小于靜止時的SUV，但測量體積相應增大，而二者的乘積即總放射性是不變的，即SUV靜×V靜=SUV動×V動，因此，可以基于這一認識建立校正方法。

通過模型研究，我們還解決了測量呼吸運動狀態下病灶SUV時的閾值設定問題。小病灶的測量閾值較大，隨著病灶增大，測量閾值應逐漸減小，當病灶≥2.2cm后，其閾值基本固定在29%，說明此時受容積效應的影響已經很小了。

在臨床應用中，肺內病灶通過CT瞬間采集的大小（VCT）可相當于V靜，而PET采集的大小（VPET）相當于V動，根據放射性總量相等建立公式：SUV校正=（SUV測量×VPET）/VCT，可以非常簡便地對被低估的SUV進行校正，從而減少測量值與真實值的誤差，為臨床診斷提供更準確的信息。特別是對于靠近膈頂的小病灶，對其大小和呼吸運動同時進行校正尤為必要，很可能會顯著影響對病變性質的判斷。

然而，本研究只是一項初步研究，尚需進一步完善：首先，使用的陽性球狀灶大小的跨度較大，后續還需進行更細致的研究；其次，呼吸運動的模式有很多種，幅度也各不相同，這些影響因素也有待進一步研究；此外，校正過程中測量閾值的選擇非常重要，其影響因素還需要進一步研究，對于小病灶閾值的確定還有待明確。

5 結論

肺癌是PET/CT顯像最重要的適應癥之一，但由于呼吸運動的影響，PET采集的肺內病灶，尤其是肺底的病灶，所測得的SUV明顯偏低，可能會影響診斷的準確性。本研究通過模型試驗，探討了靜止和呼吸運動時病灶各參數的相互關系，找到并建立了一種簡便可行的方法，用于校正呼吸運動對病變SUV的低估，從而為臨床診斷提供更準確的信息。

參 考 文 獻

[1] 朱朝暉. PET/CT在腫瘤學中的應用[J]. 現代儀器，2006，12（4）：12-18.

[2] 鄭建國，屈婉瑩，姚稚明，等. 18F-FDG PET/CT對不同大小孤立性肺結節的診斷價值[J]. 中華核醫學雜志，2008，28（3）：170-173.

[3] 武志芳，李思進，劉建忠，等.呼吸門控PET/CT對肺部結節SUV的影響[J]. 中華核醫學與分子影像雜志，2012，32（2）：111-114.

[4] 朱朝暉，傅喆. PET采集處理方法對病灶檢出能力和圖像質量的影響[J]. 現代儀器. 2006，12（4）：21-24.

[5] 程午櫻，朱朝暉，歐陽萌，等. Biograph 64型PET/CT與ECAT EXACT HR+型PET的性能比較[J]. 現代儀器， 2008，14（4）： 32-34.

[6] 李從心，郭寧，程午櫻，等. PET陽性結節灶的部分容積效應校正[J].中國醫療設備，2009，24（8）：17-19，35.

[7] 邢海群，羅亞平，巴建濤，等.飛行時間技術和高清重建對PET/CT圖像質量和定量分析的影響[J].現代儀器，2012，18（4）：31-35.

[8] 王學明，沈克涵.醫學成像系統[M].北京：清華大學出版社，2006.

[9] 許全盛，袁克虹，于麗娟，等.PET/CT圖像呼吸運動偽影校正研究進展[J].中國生物醫學工程學報，2009，28（4）：573-579.

[10] 張巖.PET/CT門控技術對肺底小病灶SUV的影響.當代醫學，2011，13（17）：21-22.

[11] 耿建華，陳英茂，田嘉禾，等. 校正PET圖像上病灶SUV值的研究.核電子學和探測技術，2009，28（4）：925-930.

[12] Frouin V， Comtat C， Reilhac A， et al. Correction of partial volume effect for PET striatal imaging： fast implementation and study of robustness [J].J Nucl Med，2002，43：1715-1726.

[13] Chen CH， Muzic RF Jr， Nelson AD， et al. Simultaneous recovery of size and radioactivity concentration of small spheroids with PET data [J].J Nucl Med，1999，40：118-130.

5 結論

肺癌是PET/CT顯像最重要的適應癥之一，但由于呼吸運動的影響，PET采集的肺內病灶，尤其是肺底的病灶，所測得的SUV明顯偏低，可能會影響診斷的準確性。本研究通過模型試驗，探討了靜止和呼吸運動時病灶各參數的相互關系，找到并建立了一種簡便可行的方法，用于校正呼吸運動對病變SUV的低估，從而為臨床診斷提供更準確的信息。

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5 結論

肺癌是PET/CT顯像最重要的適應癥之一，但由于呼吸運動的影響，PET采集的肺內病灶，尤其是肺底的病灶，所測得的SUV明顯偏低，可能會影響診斷的準確性。本研究通過模型試驗，探討了靜止和呼吸運動時病灶各參數的相互關系，找到并建立了一種簡便可行的方法，用于校正呼吸運動對病變SUV的低估，從而為臨床診斷提供更準確的信息。

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