兩種圖像重建算法對實驗腫瘤模型的18 F-脫氧葡萄糖PET/CT定量結果的影響

劉平安，萬良榮，黃鋼，孫曉光，馬玉波

（1.上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院核醫學科，上海200011；2.上海交通大學醫學院附屬仁濟醫院核醫學科，上海200001）

兩種圖像重建算法對實驗腫瘤模型的18F-脫氧葡萄糖PET/CT定量結果的影響

劉平安1，萬良榮2，黃鋼2，孫曉光2，馬玉波1

（1.上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院核醫學科，上海200011；2.上海交通大學醫學院附屬仁濟醫院核醫學科，上海200001）

目的：比較不同圖像重建算法對試驗動物腫瘤的18F-脫氧葡萄糖（FDG）PET定量分析的影響。方法選用5只新西蘭大白兔，于前肢種植VX2瘤，分別進行18F-FDG PET動態顯像，獲得腫瘤的動態圖像，利用濾波反投影法（filtered backprojection method，FBP）及有序子集最大期望值法（ordered-subset expectation maximization algorithm，OSEM）進行圖像重建，計算并比較腫瘤的Ki值和SUVmax。結果FBP法重建圖像的噪聲較OSEM法高，兩種算法重建的圖像定量計算的參數Ki與SUVmax均高度相關（r≥0.95），但是OSEM法重建圖像計算的Ki和SUVmax（Ki：0.03 ±0.013；SUV：4.89±1.69）明顯高于FBP法重建圖像的計算值（Ki：0.025±0.011；SUV：4.14±1.42），P均＜0.05。結論：不同重建算法對18F-FDG PET定量分析的結果不同。在相同條件下，OSEM重建圖像計算的定量參數明顯高于采用FBP重建算法計算的定量參數。

體層攝影術；發射型計算機；脫氧葡萄糖；圖像重建

18F-脫氧葡萄糖（FDG）PET廣泛應用于腫瘤的診斷和療效的評價，對腫瘤代謝分析最好的方法是進行定量研究，通常是利用半定量參數SUV和通過動力學參數定量來區分腫瘤代謝的差異［1］。PET圖像重建主要采用濾波反投影方法（filtered backprojection method，FBP），但是生成的圖像噪聲大，圖像質量差。近年來有序子集最大期望值法（ordered-subset expectation maximization algorithm，OSEM）由于可以獲得良好信噪比的圖像而在PET及PET/CT圖像重建中廣泛應用［2］。但兩種重建的方法對定量分析的影響尚需要進行評估，本研究采用實驗兔VX2腫瘤進行FDG動態顯像比較兩種重建算法對腫瘤定量分析的影響。

1 材料和方法

1.1 動物模型

選用普通級雄性新西蘭大白兔5只，體質量2.01～2.5 kg（購自中科院試驗動物中心），荷VX2瘤種兔由上海交通大學附屬第一人民醫院張貴祥教授惠贈。所有VX2供體和受體新西蘭大白兔均采用1%戊巴比妥鈉（3 ml/L）靜脈麻醉。先在無菌條件下剝離種兔后腿肌肉內VX2實體瘤，生理鹽水沖洗后，取瘤體邊緣生長旺盛的魚肉樣組織，約3mm×5mm，種植于受體兔的右側前肢肌肉內，縫合肌肉和皮膚。約2周后，腫瘤生長直徑＞2 cm用于顯像試驗。

1.2 動物準備

顯像前所有動物均禁食4 h以上。采用速眠新Ⅱ（軍事醫學科學院軍事獸醫研究所產品）肌肉注射麻醉，然后行股動脈穿刺手術，股動脈留置導管進行動脈采血，在耳緣靜脈穿刺建立靜脈通道進行18F-FDG注射。18F-FDG為上海安盛科興公司產品，放射化學純度＞90%。

1.3 采血及血液樣品處理

在注射FDG前，抽取血液樣品檢測血糖濃度。經耳緣靜脈彈丸式注射18F-FDG（26.4～65.8 MBq），注射藥物同時開始血液樣品采集，采集序列為0.25，0.5，0.75，1，1.25，1.5，1.75，2，5，10，15，30，45，60min，每次約0.5mL，采集后立即分離血漿，采用γ計數器測量放射性活度，所有血漿放射性計數均進行衰減校正并采用圓柱形（圓柱內徑21.6 cm，圓柱內高18.6 cm，圓柱壁厚3.2 mm）模型進行γ計數器和PET計數效率校正。

1.4 動態PET顯像

采用美國GE公司DISCOERY LSPET/CT顯像儀。先進行CT采集，掃描參數：電壓120 kV，電流140 mA，螺距5.0 mm，球管單圈旋轉時間0.8 s，層厚5.0 mm。CT掃描數據用于圖像衰減校正。顯像采用2D模式，采集過程中圖像均進行隨機、散射、死時間和衰減校正。在FDG注射同時進行PET采集過程：動態PET采集持續60 min，采集的幀時間和數量為6×5 s，6×10 s，3×20 s，5×30 s，5×60 s，8×150 s和6×300 s。

1.5 圖像重建

采用OSEM算法和FBP算法分別對PET采集的原始數據進行圖像重建，獲得橫斷面圖像，圖像矩陣均為128×128。其中OSEM算法參數選用子集個數為28個，迭代次數為2次。

1.6 參數計算

Ki值計算：采用FDG定量分析三室模型進行Patlak分析計算Ki［3-4］。在兩種方法重建的圖像中，分別在動態顯像后期腫瘤顯影清晰的同一斷層圖像上，勾畫感興趣區（ROI），復制ROI，拷貝到同一斷層的其他幀。每例研究對象在不同斷層勾畫3個ROI。獲得組織攝取ROI曲線及數據資料。將每例3組ROI曲線數據取平均值用于參數計算。取得腫瘤攝取FDG動態曲線并與取得的血漿輸入曲線進行Ki值計算。標準攝取值（SUV）采用動態顯像最后一幀圖像（60 min）的ROI進行計算，采用體質量校正的SUV算法［5］公式：

1.7 統計學處理

采用SPSS 10.0軟件進行統計學分析，數據以均數±標準差表示，采用雙尾配對t檢驗，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 OSEM和FBP算法重建圖像的比較

OSEM和FBP兩種算法均可重建實驗腫瘤的橫斷面圖像（圖1）。從重建圖像可見FBP重建的圖像有明顯的噪聲和放射狀偽影，而OSEM重建的圖像信噪比高，圖像清晰。

圖1 兩種算法重建的腫瘤橫斷面圖像

2.2 OSEM和FBP重建動態圖像曲線比值的時間分布

見圖2，結果表明在VX2腫瘤組織動態攝取FDG過程中，在30 s內，OSEM計算的ROI值低于FBP算法（比值低于1），40～90 s之間兩者計算的ROI值基本一致（比值接近1），2 min后OSEM算法計算的腫瘤攝取值高于FBP算法（比值＞1），并呈現緩慢上升趨勢。

圖2 OSEM和FBP重建動態圖像曲線比值的時間分布

2.3 兩種重建方法對動態腫瘤顯像定量分析的影響

將兩種算法重建圖像的ROI數據使用Patlak方法計算估計參數Ki，結果顯示采用OSEM算法重建的圖像Ki值與FBP算法重建圖像Ki值高度相關（r=0.97），但同時也發現OSEM算法重建的圖像Ki顯著高于FBP算法（t=2.986，P＜0.05），見表1。

2.4 兩種重建方法對腫瘤靜態圖像定量分析的影響

將動態采集60 min時的圖像經2種方法重建，計算SUVmax值，結果表明兩種算法計算的注射后60 min的SUVmax也存在顯著差異，OSEM算法重建的圖像SUVmax值明顯高于FBP算法重建圖像（t=2.938，P＜0.05）。相關性分析表明兩種重建算法呈高度相關（r=0.95），見表1。

表1 兩種重建方法計算的參數K i及SUVmax比較

3 討論

18F-FDG PET廣泛用于腫瘤的檢測和診斷。但是FDG不是腫瘤組織的特異性示蹤劑，良性病灶也可以攝取濃聚FDG，為了鑒別良惡性病灶，以及對于腫瘤治療前后的評估，都需要進行定量測量［1，6］。FDG定量分析包括完全定量分析和半定量分析，其中半定量SUV計算方便而廣泛應用［7］。早期PET圖像重建主要采用FBP法，其缺點是圖像噪聲明顯，且不適合3D重建［2］。而迭代算法重建圖像質量好，信噪比高，逐漸成為PET重建的首選算法。尤其在腫瘤顯像中，OSEM算法重建的圖像噪聲低于FBP重建圖像，由于OSEM算法產生的噪聲與放射性活度有關，活度越高噪聲越大，活度低則噪聲低，因而比FBP重建圖像有更好的信噪比（signal-tonoise ratio，S/N），對圖像更容易解釋［8］。

VX2瘤株是由Shope病毒誘發出的兔惡性乳頭狀瘤發展而成的兔鱗狀細胞癌，經72次傳代培養建立的可在兔體內種植的腫瘤細胞株，具有種植成活率高、生物學性質穩定、生長迅速、易轉移、血供豐富等特點。其形態學和生物學特性與人類癌瘤相似，廣泛用于腫瘤的影像學和介入放射學的實驗研究。VX2瘤株可種植于肝、腎、肌肉、骨、膀胱、子宮、肺等部位，建立相應的原位腫瘤動物模型。因此，對常規臨床應用的診斷儀器而言，兔VX2腫瘤模型是進行大體研究的最好材料。已經有多個采用VX2腫瘤進行FDG PET的顯像研究［9-11］。

本研究通過新西蘭大白兔腫瘤模型進行FDG PET顯像，結果顯示，兩種重建算法均能重建橫斷面圖像，FBP重建的圖像明顯存在放射狀偽影，而OSEM重建的圖像信噪比高。對腫瘤的動態顯像數據分析表明，在0～60 min動態采集過程中，采集早期（30 s內）OSEM計算的ROI值低于FBP算法（比值低于1），在短暫的40～90 s之間兩者計算的ROI值基本一致（比值接近1），2 min后OSEM算法計算的腫瘤攝取值高于FBP算法（比值＞1），并呈現緩慢上升趨勢。通過Patlak方法計算Ki值，結果顯示采用OSEM算法重建的圖像Ki值與FBP算法重建圖像Ki值高度相關（r=0.97），但同時也發現OSEM算法重建的圖像Ki顯著高于FBP算法（P＜0.05）。該結果和其他采用腦及模型定量分析研究的結果一致［12］，這可能與OSEM重建算法對動態顯像早期噪聲抑制、而顯像終末期腫瘤攝取FDG增多導致放射性增加造成噪聲增加有關，亦可能是OSEM重建圖像分辨率提高造成的［8，12］。

將60 min時采集的圖像經兩種方法重建，計算SUVmax值，結果表明兩種方法計算的SUVmax也存在顯著差異，OSEM算法重建的圖像SUVmax值明顯高于FBP算法重建圖像的SUVmax值。相關性分析表明這兩種重建算法呈高度相關（r=0.95）。

基于上述結果可見，無論是動態顯像還是靜態顯像，不同的重建方法對PET重建圖像的差別是顯著的。對不同研究結果進行比較時，應區分其重建方法的異同，否則對不同采集和重建條件下的研究進行比較是無意義的。如在區分良惡性病灶的SUV域值的設定時，通常認為SUV區別良惡性的域值為2.5［13-15］，但是此值是基于FBP的重建算法得出的，而目前多數PET均采用OSEM重建圖像，因此采用這個域值是不合適的［16］。

綜上所述，OSEM法和FBP算法對腫瘤組織的定量參數計算是有影響的。對同一腫瘤組織，OSEM法計算的腫瘤攝取的放射性濃度定量指標高于FBP算法，從而造成絕對定量分析參數Ki和半定量SUV高于FBP算法。在不同的研究結果對比分析中應注意圖像重建方法的異同，避免錯誤的結果。

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Effect of two image reconstruction algorithm s on the quantification analysis of experimental animal tumor model w ith18F-FDG PET/CT

LIU Ping-an1，WAN Liang-rong2，HUANGGang2，SUN Xiao-guang2，MA Yu-bo1
（1.Department of Nuclear Medicine，the Ninth People′s Hospital，School of Medicine，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200011；2.Department of Nuclear Medicine，Renji Hospital，School of Medicine，Shanghai Jiaotong University，Shanghai200001，China）

Objective：To compare the effect of image reconstruction algorithms on the quantification analysis of experimental animal tumormodelwith18F-FDG PET/CT.M ethodsDynamic scanswith18F-FDG PET/CTwere performed in five New Zealand rabbits bearing VX2 tumor in fore limbs，tumor dynamic imageswere obtained and reconstructed with both filtered back projection method（FBP）and ordered-subset expectation maximization algorithm（OSEM）.Quantification parameters of Kiand SUVmax were calculated and compared.Results：More noise presented in the images reconstructed by FBP than that by OSEM.Ki and SUVmax calculated by both reconstruction algorithms correlated well（r≥0.95）；Ki and SUVmax calculated from images reconstructed by OSEM（Ki：0.03±0.013；SUVmax：4.89±1.69）were significantly higher than that by FBP（Ki：0.025±0.011；SUVmax：4.14±1.42），all P＜0.05.Conclusion：Reconstruction algorithms had effect on the quantification measures，and parameters calculated from image reconstructed by OSEM was higher than that by FBP.

tomography；dynamic PET；FDG；image reconstruction

R817 ［文獻標志碼］ A ［文章編號］ 1671-7783（2015）03-0217-04

10.13312/j.issn.1671-7783.y150016

劉平安（1971—），男，河南平頂山人，主治醫師，博士，主要從事腫瘤核醫學研究。

2015-01-28 ［編輯］ 何承志