PET/CT 正則化重建與非正則化重建對(duì)腫瘤病灶定量參數(shù)及圖像質(zhì)量的影響

彭新華，朱研佳，朱 磊，徐文貴

（天津醫(yī)科大學(xué)腫瘤醫(yī)院分子影像與核醫(yī)學(xué)診療科/國家惡性腫瘤臨床醫(yī)學(xué)研究中心/天津市“腫瘤防治”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/天津市惡性腫瘤臨床醫(yī)學(xué)研究中心，天津 300060）

正電子發(fā)射斷層顯像（positron emission tomography/computed tomography，PET/CT）在腫瘤的診斷、療效評(píng)價(jià)、復(fù)發(fā)監(jiān)測(cè)等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[1，2]。從廣泛使用的有序子集最大期望值迭代重建（ordered subset expectation maximization，OSEM）到后來飛行時(shí)間技術(shù)（time of flight，TOF）、點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)技術(shù)（point spread function，PSF）的應(yīng)用顯著提高了圖像的分辨率、信噪比。目前針對(duì)PET 圖像推出的一種最新的算法，即正則化重建算法（block sequential regularized expectation maximization，BSREM/Q.Clear）已經(jīng)應(yīng)用于臨床。該算法實(shí)現(xiàn)了PET 圖像的完全收斂，抑制圖像噪聲，提高信噪比，提升圖像質(zhì)量[3]。尤其是對(duì)病灶的定量參數(shù)如標(biāo)準(zhǔn)化攝取值（standardized uptake value，SUV）的改善，進(jìn)而可獲取更加精確的病灶代謝水平，在病灶的良惡性診斷、定量分析中具有重要意義。為此，本研究通過對(duì)正則化重建方式與非正則化重建方式的PET 圖像進(jìn)行分析，比較不同重建方式對(duì)腫瘤病灶定量參數(shù)的差異以及圖像質(zhì)量方面的影響，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 回顧性分析2021 年10 月-12 月于天津醫(yī)科大學(xué)腫瘤醫(yī)院PET/CT 中心進(jìn)行18F-FDG PET/CT 檢查，并經(jīng)病理診斷為惡性腫瘤的患者共43 例，其中男19 例，女24 例，年齡40～85 歲，平均年齡（60.93±10.21）歲；體重指數(shù)（BMI）15.66～36.21 kg/m2，平均BMI（26.01±4.40）kg/m2。43 例患者中肺癌23 例，乳腺癌11 例，淋巴瘤4 例，其它類型腫瘤5 例；共計(jì)71 個(gè)病灶，最大直徑（Dmax）6.90～45.00 mm，平均Dmax（18.37±10.59）mm。本研究所有患者行18F-FDG PET/CT 前均已簽署知情同意書，本研究征得我院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

1.2 設(shè)備與方法 PET/CT 設(shè)備采用GE Discovery MI PET/CT，18F-FDG 由天津醫(yī)科大學(xué)腫瘤醫(yī)院PET/CT中心合成，設(shè)備采用GE mini trace 回旋加速器，TRACERlab FXFDG 合成器，放化純度＞95%。所有患者檢查前禁食6 h 以上，檢查前測(cè)得空腹血糖＜11.1 mmol/L 者經(jīng)靜脈注射18F-FDG，用量為3.7～4.8 MBq/kg，安靜休息60 min 后行PET/CT 檢查，掃描范圍為頭頂至大腿中段。先行螺旋CT 掃描，掃描電壓120 kV，自動(dòng)電流140～180 mA，層厚3.75 mm；之后行PET 掃描，掃描范圍為6～8 個(gè)床位，每個(gè)床位掃描時(shí)間1.5 min。采用兩種方式進(jìn)行PET 圖像重建：非正則化重建（non-Q.Clear）：原始數(shù)據(jù)重建選擇OSEM+TOF+SharpIR（點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)重建技術(shù)，GE Healthcare），子集數(shù)16，迭代次數(shù)3 次；正則化重建（Q.Clear）：原始數(shù)據(jù)重建選擇OSEM +TOF +SharpIR+Q.Clear，子集數(shù)16，迭代次數(shù)3 次，濾波5 mm，β 值350。之后分別與CT 圖像進(jìn)行融合。

1.3 圖像分析 所有圖像采用GE AW4.6 圖像后處理工作站進(jìn)行測(cè)量和分析。在CT 圖像上測(cè)量每個(gè)病灶最大直徑（Dmax），之后通過PET VCAR 軟件分別將CT 與兩組不同重建方式的PET 圖像融合。采用固定閾值法，使用42% SUVmax 為閾值進(jìn)行自動(dòng)勾畫病灶感興趣區(qū)（region of interest，ROI），通過PET VCAR 軟件在兩組圖像上分別對(duì)同一病灶進(jìn)行三維容積分割，自動(dòng)獲得病灶最大標(biāo)準(zhǔn)化攝取值（maximum standardized uptake value，SUVmax），標(biāo)準(zhǔn)化攝取平均值（mean standardized uptake value，SUVmean）、標(biāo)準(zhǔn)化攝取峰值（peak of standardized uptake value，SUVpeak）、瘦體重校正最大標(biāo)準(zhǔn)化攝取值（maximum standardized uptake values corrected for lean body mass，SULmax）、腫瘤代謝體積（metabolic tumor volume，MTV）、糖酵解總量（total lesion glycolysis，TLG）。在肝右葉避開血管和病灶選取3 cm直徑ROI，由PET VCAR 軟件自動(dòng)測(cè)得肝臟組織標(biāo)準(zhǔn)攝取平均值（SUVmean）、標(biāo)準(zhǔn)差（standard deviation，SD）。通過計(jì)算得出兩組圖像對(duì)應(yīng)病灶的病灶信號(hào)/本底比值（signal background ratio，SBR），信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）。計(jì)算方法：SBR=病灶SUVmax/肝臟SUVmean[4]；SNR=（病灶SUVmean-肝臟SUVmean）/肝臟SD[5]；Q.Clear 組與non-Q.Clear組定量參數(shù)差值及變化率公式，如：△SUVmax=Q.Clear SUVmax -non-Q.Clear SUVmax；SUVmax 變化率=[（Q.Clear SUVmax-non-Q.Clear SUVmax）/non-Q.Clear SUVmax）]×100%。

1.4 觀察指標(biāo) 比較不同重建方式下同一腫瘤病灶SUVmax、SUVmean、SUVpeak、SULmax、MTV、TLG 的差異，分析不同重建方式對(duì)腫瘤病灶定量參數(shù)的影響；比較不同重建方式下圖像SBR、SNR 的差異進(jìn)而評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量；分析不同直徑大小的病灶、不同BMI 患者的病灶定量參數(shù)、圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)在不同重建方式下的差異。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 24.0 統(tǒng)計(jì)軟件分析數(shù)據(jù)，符合正態(tài)分布的計(jì)量資料采用（±s）表示，采用配對(duì)t檢驗(yàn)，不符合正態(tài)分布的計(jì)量資料采用[M（P25，P75）]表示，采用配對(duì)Wilcoxon 秩和檢驗(yàn)和Mann-whitneyU非參數(shù)檢驗(yàn)；計(jì)數(shù)資料采用[n（%）]表示，行χ2檢驗(yàn)。P＜0.05 表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 兩種重建方式的病灶定量參數(shù)比較 Q.Clear 組SUVmax、SUVmean、SULmax 高于non-Q.Clear 組，Q.Clear 組MTV 低于non-Q.Clear 組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；Q.Clear 組病灶SBR、SNR 高于non-Q.Clear 組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；兩組SUVpeak、TLG 比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），見表1。

表1 兩種重建方式的病灶定量參數(shù)比較[±s，M（P25，P75）]

表1 兩種重建方式的病灶定量參數(shù)比較[±s，M（P25，P75）]

2.2 不同直徑大小和不同BMI 患者的病灶定量參數(shù)差異比較 71 個(gè)病灶（n=71）中，Dmax≥10 mm 47個(gè)，Dmax＜10 mm 24 個(gè)。Dmax≥10 mm 的病灶與Dmax＜10 mm 的病灶△SUVmax、△SUVmean、△SUVpeak、△SULmax、△SBR 比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；Dmax≥10 mm 的病灶和Dmax＜10 mm 的病灶△MTV、△TLG 和△SNR 比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），見表2；43 例患者中BMI＞25 kg/m2者28 例，共計(jì)46 個(gè)病灶；BMI≤25 kg/m2的15例，共計(jì)25 個(gè)病灶，BMI＞25 kg/m2的患者與BMI≤25 kg/m2的患者各病灶定量參數(shù)比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），見表3。

表2 不同直徑大小的病灶定量參數(shù)變化比較[M（P25，P75）]

表3 不同BMI 的患者病灶定量參數(shù)變化比較[M（P25，P75）]

3 討論

PET/CT 成像結(jié)合了具有高解剖精度的CT 圖像和可反映分子層面信息的PET 圖像，在腫瘤診斷、分期、治療計(jì)劃和療效監(jiān)測(cè)過程中提供了重要參考價(jià)值。PET 圖像的分辨率和定量精度很大程度上受重建方法的影響，目前常用的PET 圖像重建技術(shù)主要包括濾波反投影法（filtered back projection，F(xiàn)BP）和迭代法（ordered subsets expectation maximization，OSEM），其中迭代法使用更為廣泛。后來飛行時(shí)間技術(shù)TOF 及點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)PSF 的應(yīng)用，改善了PET 圖像的分辨率，顯著提高了圖像的信噪比。隨著PET/CT 硬件以及重建算法的不斷進(jìn)步，正則化重建方法開始進(jìn)入臨床應(yīng)用。傳統(tǒng)的OSEM 算法由于自身限制，為了避免由于過多的噪聲導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降，算法達(dá)到收斂之前就已經(jīng)停止，因此導(dǎo)致了圖像的不均勻收斂以及定量估值出現(xiàn)偏差[6]。正則化算法在OSEM 的基礎(chǔ)上加入了點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)和噪聲控制，相比于OSEM 算法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像進(jìn)行完全收斂，并且顯著降低噪聲，提高信噪比[7]，使圖像整體更為細(xì)膩，病灶輪廓更為清晰，在原有重建參數(shù)基礎(chǔ)上對(duì)PET 的各項(xiàng)定量參數(shù)以及圖像質(zhì)量有了不同程度的改變。研究證實(shí)[8]，正則化重建算法顯著提升了腫瘤病灶的SUVmax、SUVmean 和SBR，尤其是在小的或相對(duì)代謝較低的病灶中提升更為明顯。王旭等[9]對(duì)80 例惡性腫瘤患者的206 個(gè)病灶的不同重建方式分析結(jié)果顯示，正則化重建組病灶SUVmax、SUVmean、SBR 顯著高于非正則化重建組，MTV 顯著低于非正則化重建組，并且在小于10 mm的病灶中，SUVmax 差值、SUVmean 差值、SBR 差值顯著高于大于10 mm 組。國外學(xué)者[10]對(duì)104 例患者的121 個(gè)肺部結(jié)節(jié)的研究發(fā)現(xiàn)，與OSEM 組相比，Q.Clear 組肺結(jié)節(jié)SUVmax、SBR，SNR 均顯著高于OSEM 組；同時(shí)，在直徑小于10 mm 的肺結(jié)節(jié)中，SUVmax 變化率（92.1%）顯著高于直徑大于10 mm的肺結(jié)節(jié)（45.3%）。本研究中，Q.Clear 組SUVmax、SUVmean、SBR 高于non-Q.Clear 組，Q.Clear 組病灶SUVmax 提升12.97%，SUVmean 提升13.04%，SBR提升14.17%；并且在Dmax ＜10 mm 的病灶中，△SUVmax、△SUVmean、△SULmax 高于Dmax ≥10 mm 的病灶，證實(shí)Q.Clear 重建算法對(duì)小病灶的定量參數(shù)變化影響更大。

有學(xué)者[11]對(duì)153 個(gè)上腹部病變（82 個(gè)肝轉(zhuǎn)移癌和71 個(gè)胰腺癌）的研究結(jié)果表明，正則化重建方法獲得圖像的質(zhì)量視覺評(píng)分和SUVmax 均顯著高于傳統(tǒng)OSEM 重建圖像。Parvizi N 等[12]對(duì)24 例患者的42 處肝轉(zhuǎn)移灶的分析結(jié)果顯示，通過正則化算法重建后病灶平均SUVmax 從8.8 增加到11.6，SBR 從4.0 增加到4.9，SNR 從10.6 增加到13.1，病灶大小與病灶SUVmax 增加的百分比之間呈顯著負(fù)相關(guān)。本研究顯示，Q.Clear 組相比于non-Q.Clear 組平均SBR 由4.94 增加到5.64，變化率14.17%，平均SNR由13.84 增加到22.21，變化率60.48%，并且在47個(gè)Dmax ≥10 mm 的 病 灶 中△SUVmax 低 于24 個(gè)Dmax＜10 mm 的病灶。提示臨床診斷中應(yīng)當(dāng)注意Q.Clear 重建算法對(duì)SUVmax 的提升效能，如根據(jù)SUVmax 的數(shù)值進(jìn)行病灶良惡性的判定，淋巴瘤患者Deauville 評(píng)分改變等[13]，是對(duì)原有的診斷標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)的挑戰(zhàn)，須引起重視。

正則化重建算法降低了腫瘤病灶的MTV。本研究顯示，MTV 在Q.Clear 組低于non-Q.Clear 組。原因主要為正則化重建算法通過完全收斂圖像、降低噪聲的同時(shí)抑制PSF 校正的邊緣偽影[14]，因此可以實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的輪廓勾畫，使病灶區(qū)域MTV 降低。TLG 為病灶MTV 與SUVmean 的乘積，本研究中Q.Clear 組TLG 與non-Q.Clear 組TLG 顯示未存在差異，原因可能為Q.Clear 對(duì)于病灶的SUVmean 普遍提升，而對(duì)于病灶的MTV 是減低的，因此二者的乘積變化不明顯導(dǎo)致TLG 無差異，并且本研究中Dmax≥10 mm 的病灶與Dmax＜10 mm 的病灶相比△MTV 及△TLG 亦無差異。

BMI 指數(shù)越大，往往對(duì)應(yīng)的圖像噪聲越高。研究表明[15]，正則化重建圖像的肝臟SNR 顯著高于非正則化重建。隨著體重和BMI 的增加，正則化重建圖像的SNR 變化不明顯，而非正則化重建的SNR 出現(xiàn)明顯下降，表明正則化重建在不同BMI 的患者間可以保證SNR 的穩(wěn)定性，提供較好的圖像質(zhì)量，而單獨(dú)使用OSEM 重建在BMI 較大的患者中會(huì)出現(xiàn)SNR 降低，圖像質(zhì)量變差的情況。本研究中比較了BMI＞25 kg/m2與BMI≤25 kg/m2的患者的所有病灶，未發(fā)現(xiàn)SBR 及SNR 的變化差異，可能與BMI 分組差異有關(guān)。

β 值即噪聲抑制懲罰因子，是Q.Clear 重建算法的重要參數(shù)。有研究顯示[16，17]，正則化重建算法能更好的檢出微小病灶，病灶尺寸大小和檢查部位的不同，β 值的選擇不同。陳煒等[18]認(rèn)為，選擇不同的β值可影響對(duì)不同直徑大小病灶的檢出，β 值越大對(duì)小病灶的檢出難度越大，其原因是部分容積效應(yīng)造成。有學(xué)者認(rèn)為[19]，β 值越高則噪聲抑制越強(qiáng)，但高β值在病灶探測(cè)方面并不是最佳設(shè)置，采用Q.Clear重建建議選取β 值500～600 較為適合。本研究參考既往18F-FDG 藥物對(duì)于腫瘤學(xué)圖像的研究報(bào)道[13，20]，選取的β 值為350。對(duì)于不同原發(fā)灶、不同病理類型的腫瘤如何選取最適β 值，以及不同β 值對(duì)圖像定量參數(shù)、圖像質(zhì)量的影響可成為將來研究的方向。

綜上所述，正則化重建算法對(duì)腫瘤病灶定量參數(shù)相比于非正則化重建算法有一定差異，并且對(duì)小病灶的定量參數(shù)影響較大，應(yīng)用正則化算法可提升圖像質(zhì)量。同時(shí)需要注意的是，以往的定量參數(shù)診斷標(biāo)準(zhǔn)可能需要調(diào)整和優(yōu)化，正則化算法對(duì)于不同類型病灶的最佳重建參數(shù)還需要在臨床診斷中不斷探索。