重建方法對Neuwise PET/CT 18F-FDG全身顯像圖像質(zhì)量及SUV的影響

牟興宇，秦洋洋，李明，崇維霞，盧彥祺，付巍

1.桂林醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院 核醫(yī)學(xué)科，廣西 桂林 541000；2.東軟醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司，遼寧 沈陽 110000

引言

近年來醫(yī)學(xué)影像學(xué)已從以解剖結(jié)構(gòu)為主的影像學(xué)發(fā)展到以解剖結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的功能、代謝影像，可使人們對疾病有更進(jìn)一步、深入的認(rèn)知。因此，正電子計算機(jī)發(fā)射斷層掃描（Positron Emission Tomography/Computed Tomography，PET/CT）相關(guān)設(shè)備得到了快速發(fā)展，并已廣泛應(yīng)用于臨床研究。2002年我國安裝并投入使用了第一臺PET/CT，隨著臨床需求的增多，PET/CT的應(yīng)用越來越廣泛，目前臨床上應(yīng)用的PET/CT設(shè)備主要來自德國Siemens、荷蘭Philips以及美國GE三大國外公司。隨著國內(nèi)自主品牌近年來的發(fā)展，已經(jīng)有國產(chǎn)設(shè)備廠商研制出PET/CT并投入臨床使用，如東軟、聯(lián)影、明峰等。

國產(chǎn)設(shè)備問世時間較短，國內(nèi)裝機(jī)量較少，既往研究[1]主要集中在與進(jìn)口設(shè)備的對比研究，如評估二者圖像質(zhì)量、半定量參數(shù)、后處理設(shè)備間有無差異，而對機(jī)器內(nèi)置重建方法的研究較少，導(dǎo)致推薦的重建方法差異較大，目前無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)作為指導(dǎo)。點擴(kuò)散函數(shù)（Point Spread Function，PSF）及稀疏化正則化算法具有提高圖像的信噪比、空間分辨率并減少失真，以及抑制圖像噪聲的作用[2-5]，常作為不同重建方法內(nèi)置于設(shè)備內(nèi)。隨著國產(chǎn)PET/CT裝機(jī)量的日益增多，需明確不同重建方法對圖像質(zhì)量及標(biāo)準(zhǔn)化攝取值（Standardized Uptake Value，SUV）的具體影響以指導(dǎo)臨床獲得更清晰的PET/CT 圖像及準(zhǔn)確的SUV。本研究旨在對比Neuwise PET/CT 內(nèi)不同重建方法對PET/CT 圖像質(zhì)量及SUV的影響。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

回顧性收集2019年10月至2020年6月年于我科行18F-FDG 全身PET/CT檢查的32名患者，男12例、女20例，平均年齡（47.45±12.93）歲，范圍24～69歲，體質(zhì)量指數(shù)（Body Mass Index，BMI）為（23.84±3.12）kg/m2，范圍17.48～29.32 kg/m2。同時告知患者采集過程中只行一次低劑量CT掃描，不會額外增加輻射劑量。本研究經(jīng)我院倫理委員會批準(zhǔn)（倫審第QX2019001號），患者均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法

采用中國東軟醫(yī)療公司Neuwise PET/CT儀器進(jìn)行顯像，機(jī)架孔徑72 cm，軸向視野223.7 mm，PET探測器環(huán)數(shù)56，CT掃描層數(shù)64層；PET探頭為LYSO晶體，能窗為435～650 keV。

18F-FDG由GE公司 PET Trace型回旋加速器及FDG合成模塊生產(chǎn)（放化純＞99%）。

檢查前禁食6 h，血糖水平處于正常范圍（＜11.0 mmol/L），靜脈注射前首先建立靜脈通道，然后于肘靜脈處按體重推注18F-FDG 2.96～4.44 MBq/kg，藥物注射后安靜休息60 min左右，休息室盡量避光、安靜，后使用東軟Neuwise PET/CT進(jìn)行全身掃描，掃描范圍自顱底至大腿中部，制定PET數(shù)據(jù)采集，采集時間分別為120 s/床位。模體采集范圍為1床位，時長5 min。

CT掃描參數(shù)：常規(guī)全身掃描類型為螺旋掃描，120 kV，200 mAs，圖像間隔1.875 mm。

1.3 圖像重建及處理

基于有序子集最大期望值法進(jìn)行圖像重建，所采用重建矩陣256×256，迭代次數(shù)為3次，子集數(shù)為21，放大倍數(shù)為1.0。

最大后驗重建算法（Maximum A Posteriori，MAP）是基于稀疏正則化原理的算法[2]，PSF是基于點擴(kuò)散函數(shù)原理的算法[6]。模體及所有患者的圖像均采用東軟PET/CT圖像處理工作站飛行時間（Time of Flight，TOF）法、TOF+MAP、TOF+PSF、TOF+PSF+MAP 4種方法進(jìn)行重建。

1.4 圖像評價

模體PET圖像質(zhì)量參考NEMA NU 2-2012圖像質(zhì)量（Image Quality，IQ）測試標(biāo)準(zhǔn)[7]，采用對比百分比（Percent Contrast，PC）和背景噪聲百分比（Percent Background Variability，PBV）進(jìn)行評估，分別反映小病灶SUV恢復(fù)能力和本底噪聲水平。

IQ測試結(jié)果通過NeuWise PET/CT系統(tǒng)測試的方式自動輸出。客觀評分參考Zhang等[8]的研究由兩名經(jīng)驗豐富的核醫(yī)學(xué)科醫(yī)生進(jìn)行感興趣區(qū)（Region of Interest，ROI）勾畫，采用縱隔血池和肝臟SUVmean、SUV±SD及病灶SUVmax、SUVmean參數(shù)對圖像進(jìn)行評估，其中病灶SUVmax、SUVmean選擇病灶多層面中面積最大的截面并人工手動勾畫ROI得到，多病灶患者選擇其最小可測量病灶進(jìn)行測量，并記錄病灶SUVmean、SUVmax及病灶直徑，縱隔血池及肝臟SUVmean、SUV±SD由重建所得PET圖像于肝右葉避開肝門和縱隔大血管區(qū)域選取攝取均勻的直徑2 cm的ROI，由計算機(jī)計算SUVmean、SUVSD得出。最后對上述SUV結(jié)果進(jìn)行一致性評估。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析

采用IBM SPSS 25.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，樣本間比較采用配對t檢驗。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 不同重建方式對模體PET質(zhì)量的影響

2.1.1 模體及顯像方法

模體使用NEMA NU 2-2012標(biāo)準(zhǔn)Section 7中圖像質(zhì)量測試模體[7]。圖像質(zhì)量測試模體的橫斷面圖解如圖1所示。

圖1 圖像質(zhì)量測試模體的橫斷面圖解

測試使用的示蹤劑為18F-FDG，其中本底注射藥物活性濃度為5.3 kBq/cm3，4個直徑分別為10、13、17、22 mm的小球（熱區(qū)）填充4倍活性濃度的FDG，而2個直徑分別為28和37 mm的小球（冷區(qū)）用水填充。將圖像質(zhì)量模體放置于床板上，調(diào)整位置使模體中心軸與探測器中心軸一致。使用系統(tǒng)中的NEMA NU 2-2012 IQ測試協(xié)議采集，采集時間為5 min，數(shù)據(jù)處理及重建過程與臨床協(xié)議一致。重建矩陣為256×256，重建方法分別使用TOF、TOF+MAP、TOF+PSF及TOF+MAP+PSF，重建中心為（0,0），掃描視野為700 mm。

2.1.2 測試方法

對熱區(qū)4個小球進(jìn)行PC測試，對全部6個小球進(jìn)行PBV測試。PC表示不同直徑的球形病灶測量值SUVmean與真實病灶接近程度的百分比，越接近100%越說明小病灶SUV恢復(fù)能力越好。PBV表示背景噪聲百分比，PBV能夠直接反映圖像噪聲水平和IQ圖像背景的一致性，PBV越小說明圖像噪聲越小，圖像背景的一致性越好。如圖2所示，在TOF基礎(chǔ)上添加PSF會導(dǎo)致不同尺寸微球的PC升高，從而使其微球SUV恢復(fù)能力提升，但其對圖像噪聲的抑制程度不足；而MAP重建方法會導(dǎo)致PC在基礎(chǔ)值上降低，從而使病灶SUV恢復(fù)能力下降，但對圖像噪聲的抑制較明顯；同時添加PSF及MAP兩種重建方法會使微球SUV恢復(fù)能力提升的同時，使PET圖像噪聲得到較好的抑制。不同重建方法圖像質(zhì)量的PC、PBV測試結(jié)果如圖3～4所示。

圖2 模體不同重建方法圖解

圖3 不同重建方法圖像質(zhì)量的PC測試結(jié)果

圖4 不同重建方法圖像質(zhì)量的PBV測試結(jié)果

2.2 不同重建方法對18F-FDG PET/CT圖像質(zhì)量及SUV的影響

兩名經(jīng)驗豐富核醫(yī)學(xué)科醫(yī)生勾畫ROI結(jié)果的kendall W值為0.963～0.994，證明兩位醫(yī)生勾畫結(jié)果較為一致。

四種重建方法得到的圖像如圖5所示。四種重建方法所得圖像均可進(jìn)行圖像判讀。TOF及TOF+PSF圖像本底噪聲較高，而TOF+MAP及TOF+MAP+PSF圖像本底噪聲下降。該結(jié)果與模體圖像評估結(jié)果相似。四種重建方法對小病灶進(jìn)行SUV測量如圖6所示。

圖5 不同重建方法得到的患者重建圖像

圖6 四種重建方法對小病灶進(jìn)行SUV測量

4種重建方法所得病灶SUVmax、SUVmean、肝臟SUVmean、肝臟SUVSD、血池SUVmean、血池SUVSD的數(shù)值如表1所示。

表1 四種重建方法所得病灶相關(guān)SUV數(shù)值（±s）

表1 四種重建方法所得病灶相關(guān)SUV數(shù)值（±s）

指標(biāo) TOF TOF+PSFTOF+MAP TOF+PSF+MAP病灶SUVmax 9.85±1.15 10.89±1.30 8.53±1.12 8.65±1.23病灶SUVmean 4.63±0.51 4.75±0.52 4.42±0.50 4.37±0.52肝臟SUVmean 0.44±0.02 0.42±0.02 0.18±0.02 0.15±0.01血池SUVmean 2.12±0.08 2.12±0.08 2.15±0.08 2.08±0.08肝臟SUVSD 0.32±0.01 0.31±0.02 0.13±0.01 0.13±0.01 1.64±0.05 1.64±0.06 1.68±0.05 1.62±0.06血池SUVSD

在病灶方面，病灶數(shù)量為32個，平均病灶ROI面積為5 cm2，最小病灶ROI面積為0.66 cm2，最大病灶ROI面積為16.47 cm2。SUVmax四種重建方法所得結(jié)果差距較大，TOF+PSF的重建方法所得SUVmax較高，TOF次之，與TOF+PSF比較接近，其余兩種重建方法所得病灶SUVmax差距不大。除TOF+MAP與TOF+MAP+PSF所得SUVmax以外（t=-0.52，P=0.60），其余四種重建方法間比較差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（t=-9.01～9.52，P＜0.05）。病灶SUVmean方面，四種重建方法比較結(jié)果與SUVmax相同，除TOF+MAP與TOF+MAP+PSF所得SUVmean（t=0.89，P=0.39）以外差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（t=-5.54～9.32，P＜0.05）。

在肝臟SUV方面，四種方法測得的SUVmean相似，四種重建方法間比較，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義。（t=-2.5～4.3，P＜0.05）。肝臟SUVSD方面，TOF與TOF+PSF所得結(jié)果大致相近，TOF+MAP與TOF+MAP+PSF所得結(jié)果大致相似，其中除TOF+MAP與TOF+MAP+PSF兩種重建方法（t=0.92，P=0.36）外，其余重建方法間比較差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（t=-7.12～12.56，P＜0.05）。

在縱隔血池SUV方面，四種方法測得的SUVmean相似。四種重建方法間比較，TOF與TOF+PSF、TOF與TOF+MAP+PSF、TOF+PSF與 TOF+MAP+PSF間 比 較差異無統(tǒng)計學(xué)意義（t=0.21～0.67，P=0.51～0.83），其余重建方法間比較差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（t=-2.89～3.90，P＜0.05）。縱隔血池 SUVSD方面，TOF與 TOF+PSF所得結(jié)果大致相近，TOF+MAP與TOF+MAP+PSF所得結(jié)果大致相似，其中除TOF與TOF+PSF、TOF+MAP與TOF+MAP+PSF重建方法間無統(tǒng)計學(xué)差異（t=0.88～1.16，P=0.25～0.39）外，其余重建方法間差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（t=-13.78～13.85，P＜0.05）。

3 討論與總結(jié)

近年來隨著國產(chǎn)器械廠商的快速發(fā)展，國產(chǎn)PET/CT已廣泛應(yīng)用于臨床，但不同廠商的設(shè)備其內(nèi)置重建算法有一定差異，目前暫無相關(guān)研究評估其差異，為明確Neuwise PET/CT內(nèi)不同重建方法對圖像質(zhì)量及SUV的影響，本研究通過模體和人體的18F-FDG PET/CT，評估圖像質(zhì)量及SUV的變化。

PET主要有兩種重建方法：濾波反投影法及迭代法，因通過濾波反投影法重建的圖像會出現(xiàn)條狀或紡錘狀影，導(dǎo)致圖像質(zhì)量及均勻度較差，因此臨床通常不使用；迭代法為目前臨床常用的重建算法，其中基于迭代法而研發(fā)的有序子集最大期望值迭代法（Ordered Subsets Expectation Maximum，OSEM）最為常用[6,9-11]。另有研究表明[12]，重建算法會影響圖像空間分辨率及噪聲[13]，進(jìn)而影響圖像質(zhì)量。Neuwise PET/CT基于OSEM添加了不同方法如TOF、PSF及MAP算法，其中PSF為基于點擴(kuò)散函數(shù)開發(fā)的方法，MAP為基于稀疏正則化算法開發(fā)的算法。

PSF被證實可提高圖像的信噪比、空間分辨率并減少失真，被較多設(shè)備廠商添加至圖像重建過程中。辛軍等[11]研究表明，將PSF技術(shù)運用于臨床中，可在提高圖像視野邊緣的空間分辨率、病灶檢出率及靈敏度方面有改善作用。本研究顯示在模體圖像質(zhì)量方面，僅添加TOF的重建方式所得圖像可見較多本底噪聲，并且圖像SUV值恢復(fù)能力較差，而通過添加PSF重建方法后圖像SUV恢復(fù)能力提升，更接近真實值，同時對圖像噪聲可輕度抑制。在病灶SUVmax、SUVmean方面，添加PSF重建方法后其較之前有一定提升，圖像質(zhì)量方面圖像噪聲得到輕度抑制，這是由于PSF重建方法使SUV恢復(fù)能力提升所致，并與其他研究結(jié)果一致[11]。在肝臟及血池SUVmean、SUVSD方面，SUVSD通過添加PSF技術(shù)后其數(shù)值較TOF組輕度下降，且組間比較有統(tǒng)計學(xué)差異，表示在引入PSF技術(shù)后，可輕度改善肝臟及縱隔血池的離散度從而使圖像均勻度提升，而在肝臟及血池SUVmean方面添加PSF重建方法對其影響不大，這與解小芬等[3]的研究結(jié)果相似。

MAP作為基于稀疏化正則計算開發(fā)的算法，研究表明其抑制了圖像噪聲、提高了圖像質(zhì)量[2,5]。本研究模體圖像質(zhì)量方面，MAP對圖像噪聲抑制較明顯，可使圖像背景一致性較好，這與Tong等[14]的研究結(jié)果相似。臨床圖像質(zhì)量方面，陶端等[15]和童基均等[16]的研究對是否添加該算法進(jìn)行了比較，而未比較MAP與PSF分別對圖像質(zhì)量影響的差異，本研究引入MAP算法后圖像噪聲較TOF算法明顯下降，且下降程度較引入PSF算法更加明顯，但對病灶的顯示效果不如引入PSF算法；在病灶SUVmax及SUVmean兩方面，引入MAP算法也導(dǎo)致了其數(shù)值下降，這是由于MAP使病灶SUV恢復(fù)程度下降。肝SUVSD作為臨床常用的參數(shù)之一，主要代表了ROI區(qū)域離散度，間接反映了肝臟的圖像均勻程度。在肝臟及血池SUVSD、SUVmean方面，MAP算法明顯降低了病灶與肝臟的對比度及肝臟的離散度，從而使圖像均勻度提升，噪聲明顯減低，圖像背景的一致性較好。

以TOF作為基礎(chǔ)同時引入PSF及MAP算法后，二者可以同時發(fā)揮其優(yōu)勢，在模體及臨床圖像兩方面使圖像質(zhì)量較單獨引入PSF或MAP算法得到改善，使病灶SUV值恢復(fù)程度更好，更接近真實值的同時顯著降低了病灶與肝臟的對比度及肝臟的離散度，進(jìn)一步提升圖像的均勻度，降低本底噪聲，而未對圖像質(zhì)量產(chǎn)生其他影響。在肝臟和縱隔血池SUVSD方面，TOF與TOF+PSF比較、TOF+MAP與TOF+MAP+PSF比較，其數(shù)值差異均不大，無統(tǒng)計學(xué)意義。證明PSF算法在肝臟及縱隔血池的對比度、縱隔血池及肝臟離散度方面的作用沒有MAP算法明顯。

本研究通過Neuwise PET/CT的不同算法獲得模體及臨床圖像的結(jié)果表明，PSF算法在輕度抑制圖像噪聲的同時可較明顯地提升病灶SUVmax，使其恢復(fù)能力提升，更接近真實值。MAP算法會明顯降低病灶與肝臟的對比度及肝臟的離散度，從而使圖像均勻度提升，噪聲明顯減低，圖像背景的一致性較好。二者聯(lián)合應(yīng)用既可使病灶SUV恢復(fù)能力提升，同時可降低圖像本底噪聲，降低圖像離散度，從而使圖像更為均勻。因此在使用東軟Neuwise PET/CT進(jìn)行圖像采集時，建議在重建方法選擇方面，應(yīng)在TOF基礎(chǔ)上同時添加PSF及MAP兩種重建算法以獲得高質(zhì)量的圖像及更接近真實值的SUV。

本研究不足之處：以迭代法加TOF技術(shù)為基礎(chǔ)，本研究入組患者平均BMI為23.84 kg/m2，未對TOF技術(shù)對BMI不同患者SUV進(jìn)行分析。王嬌等[17]的研究表明TOF技術(shù)可提高質(zhì)量較大（BMI＞25 kg/m2）受檢者病灶的SUV，同時在重建參數(shù)方面僅使用默認(rèn)推薦的參數(shù)，該參數(shù)更適合臨床應(yīng)用，因此在模體實驗方面可能不是最優(yōu)解。重建參數(shù)如重建矩陣、迭代次數(shù)、子集數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化可能會提高模體圖像質(zhì)量及改變SUV。上述不足之處將會在以后的研究中進(jìn)一步探討。