PET成像中部分容积效应的成因及影响因素

崔 燕，李亚明

（中国医科大学附属第一医院，辽宁 沈阳 110001）

部分容积效应（Partial volume effect，PVE）是影响医学影像设备图像分析的重要因素。PET成像系统有限的分辨率使PVE更加明显，造成大病灶图像边缘模糊，小病灶图像模糊暗淡；在定量分析上使标准化摄取值（SUV）降低，影响对病灶性质的判定及放化疗等治疗效果的评估。本文对PVE的成因、影响因素、实际影响进行初步的探讨。

1 PVE的成因

PVE是由两个效应共同作用下形成的，即点源扩展及组织分数效应。点源扩展是PET分辨率较低造成的[1]，组织分数效应主要和PET采集图像信号的方式有关[2]，下面进行详细的叙述。

1.1 点源扩展

1.1.1 理论上点源扩展的原因

正电子的飞行距离：核素衰变发射出的正电子有一定的能量，要飞行一段距离，当能量减为0时，才能与负电子结合，产生湮没辐射，发射出双光子。正电子的飞行距离使点源显像有一定的扩展。核素发生β+衰变时，同时发射出4个中微子，衰变能由正电子和中微子随机分配，正电子的能量从零到最大衰变能连续分布，因此正电子的飞行距离也是从零到最大射程连续分布的。具有最小能量和最大能量Emax的粒子数较少，而大多数正电子的能量位于1/3Emax左右，不同的核素Emax不同。再有，正电子在介质中的轨迹并非直线而是曲折的，也会造成点源成像后向周围扩展。

电子的费米（Fermi）运动：介质中的自由电子为费米粒子，遵守泡利不相容原理（Pauli exclusion principle），每个量子态上最多只有1个粒子，因此几乎所有电子都有一定的能量。这样在正负电子湮没时，正负电子偶总的动量并非为0，根据动量守恒，2个湮没光子的运动方向不可能成180°，要偏向电子偶的运动方向。偏转角呈高斯分布，按费米粒子能量公式可得出偏转角的半高宽。这种因素造成的点源扩展与符合探测的2个探测器之间的距离有关。

1.1.2 探测技术上点源扩展的原因

目前临床应用的新型PET探测器多采用多排环形模块结构。以GE公司Discovery LS PET/CT为例，探测器由多环模块结构的锗酸铋（Bismuth Germanate，BGO）晶体单元组成，每个BGO晶体探头大小为横断面4 mm，轴向面8 mm，半径30 mm，每个模块都配有2个光电倍增管。当射线在模块中的任一个BGO单元中引起闪烁，模块中所有光电倍增管都能探测到。探测器晶体的性能及大小影响分辨率。晶体厚度影响探测效率及能量分辨率。晶体加厚使入射光子和晶体相互作用机会增加，探测效率提高；但晶体所产生的闪烁光在到达光电倍增管之前，被晶体自身吸收或散射的机会也增加，使光电倍增管产生的脉冲能谱展宽，能量分辨率下降。晶体的表面积影响灵敏度和空间分辨率，晶体面积大，接受入射光子的机会增加，灵敏度高；但因晶体上任何位置的入射光子均被定位到晶体中心（符合线），使空间分辨率下降，造成定位不准，点源扩展。对视野中心处的点源，分辨率损失为晶体大小的一半，而对探头附近的点源分辨率为晶体大小。

1.2 组织分数效应

在PET成像系统中，示踪剂的分布是以体素（voxel）为单位采集的。很明显，体素的轮廓和示踪剂分布的轮廓并不一致。因此大部分体素中包括了不同组织的示踪剂分布。最终每个体素的信号密度是包含其内所有组织信号密度的平均值。

综上所述，校正PVE不仅要补偿溢出的信号，也要考虑溢进的信号，即来自周围本底的影响。

2 影响PVE的因素

2.1 肿瘤大小和形状

PVE和病灶的大小有密切的关系。病灶越小，“溢出效应”越强，SUV低估的程度越高。因此，具有同样摄取值但是不同体积的病灶会呈现出不同明暗度的图像和不同程度低估的SUV。由PVE引起的SUV和病灶大小间的非线性关系已经被很多学者所证实。1979年Hoffman等[3]最早提出PVE的概念：“在正电子成像中，物体对比度的损失是因为该物体在轴位上的大小比成像系统轴位分辨率小，或者该物体的末端没有完全包括在视野中。”之后有许多学者进行了此方面的研究[4-6]。目前较为公认的是病灶直径小于2～3倍系统分辨率会受PVE影响，值得注意的是此结论是在本底放射性活动很低或没有的情况下得出的，近些年一些学者[7-9]通过体模实验研究发现模拟病灶达到分辨率4倍以上仍然存在SUV低估的情况。这一现象说明PVE还受其他很多因素的影响，如本底、噪声等，但最重要的因素仍然是病灶大小。

PVE引起的SUV低估这一结论在病变疗效评估随访中意义重大。当恶性病变在治疗过程中体积缩小时，PVE会导致视觉上比之前体积较大时暗淡。因此，即使病灶的实际代谢率保持不变或者升高，PVE也会导致测量的SUV降低；相反，当小的良性病变在治疗过程中体积增大，PVE会导致视觉上比之前体积较小时浓聚，测量的SUV也会升高，但事实上病变的代谢率可能保持不变或者降低。

PVE和病灶的形状也相关，更确切的说，病灶实质分布的“紧实”程度相关。“紧密”指的是对于一个给定体积的病灶具有的表面积多少。体积不变的情况下，表面积越大，越不“紧实”，球体是最“紧实”的病灶体积类型。“紧实”程度低的病灶，实质多分布在病灶的边界，因此更容易受到“溢出效应”和“溢进效应”的影响。Hoffman等[3]通过不同模型研究PVE得出结论，要想达到浓度完全恢复，圆柱体的表现较长方体、三棱柱差，甚至球体都不能达到完全恢复。因此临床医生对于不同形状的病灶，特别是形状不规整的病灶，对SUV变化的诠释应谨慎。

2.2 病灶周围本底

病灶周围本底的影响即上文提到的“溢进效应”。当分辨率不变的时候，病灶的大小、形状和病灶的摄取程度几乎可以完全评估“溢出效应”的影响，而“溢进效应”则主要和周围本底信号强度相关。Kessler等[10]于1984年最早讨论本底对SUV的影响。近些年一些学者[8-9，11-12]研究均发现了“溢进效应”对PVE的影响，他们发现当病灶和本底浓度相差较大时，直径引起的SUV低估程度比二者相差较小时SUV低估程度大。Sakaguchi等[12]发现当本底达到人体本底浓度或更高时，系统点扩展函数的峰值降低，形状变宽，同时观察到分辨率随着本底浓度的升高而降低。因为人体内病灶同时受到周围多个不同组织信号的影响，所以“溢进效应”的影响程度是难以评估和预测的。

在肿瘤疗效随访中，病灶周围本底（如心肌、肠管、输尿管）的影响是不能忽视的。以18F-FDG PET显像为例，肺部的放射性浓度要低于肝脏。因此对于具有同样大小、形状、摄取的病灶在肺部的图像会比在肝脏内暗淡，SUV也相对较低。当恶性病变在治疗过程中出现坏死时，对造影剂的摄取会降低，但是如果本底升高时，会造成视觉上还有更多肿瘤活性细胞摄取造影剂，同时减弱SUV的降低程度，造成对疗效的错误估计。

因此，病灶SUV变化的诠释只有在充分考虑到周围本底变化的时候才有意义，否则SUV的变化可能只是周围本底的变化，并没有反应病灶真实代谢率的改变。

2.3 重建图像中的系统分辨率

尽管肿瘤的大小、形状和摄取等是不能人为控制的，但是PVE仍然和一些可控因素相关。在这些因素中，最重要的就是系统分辨率。分辨率决定了点源扩展的程度和点源的实际位置。分辨率的大小一部分和扫描仪器的特性有关（如晶体的大小、编排位置、采集方式等），一部分和图像重建有关，而这一部分是可以通过研究进行改善的。例如在迭代法中，迭代的次数、迭代的子集数；在滤波反投影中滤波的设置等。因此，这些重建参数的选择可以影响分辨率，进而一定程度上影响和控制PVE。很多学者[13-16]致力于图像重建方面的研究，他们发现OSEM法中迭代次数的增加会改善分辨率，但是当迭代次数达到某个阈值时，分辨率不再提高，取而代之的是增加的噪声，图像质量下降。在FBP重建方法中，滤波函数的截点如果设置过低，会导致分辨率下降，图像模糊。Van Velden等[15]和Tong等[16]研究发现，在计数率较低的情况下，OSEM重建出的图像比FBP噪声低；然而在高计数率的情况下，FBP比OSEM法具有更高的信噪比。因为图像重建是影响分辨率非常重要的可控因素，所以在疗效随访中应避免图像重建参数变化对分辨率的影响。

2.4 图像采集条件

图像采集对PVE的影响是通过组织分数效应实现的。体素的大小是其中最重要的因素。Adams等[17]和Hoetjes等[18]研究发现大体素比小体素更有可能包括更多的坏死或正常的组织信号，使图像的对比度下降SUV低估。特别是那些和体素大小相当的病灶，PVE会严重影响病灶的探测和SUV的测量。但体素过小又会导致噪声增加，特别是选择易受噪声影响的SUVmax作为测量指标时，SUVmax会有很大的统计学涨落。因此合理的选择体素大小对减少SUV测量偏差很有意义。

2.5 测量方法

一直以来，学术界公认的观点是PVE主要是影响大小在分辨率2～3倍以内的病灶。而这一结论的前提是病灶位于FOV中心区域，均匀摄取显像剂且摄取值是在病灶中心获取的[3]。事实上，PVE的影响和测量病灶摄取值的ROI有关。关于最佳的测量方法至今没有统一定论。几种不同的测量方法如下：①SUVmax：SUVmax是病灶内一个像素大小的ROI得到的SUV中的最大值。SUVmax的获取不受勾画ROI这种主观测量的影响。在没有噪声的前提下，SUVmax受PVE影响是最小的。但是SUVmax受噪声影响非常大，进而受到重建方法、图像平滑处理、像素大小（像素越小，像素间噪声越大）等[19]影响。在任何真实的成像情况中，噪声都是存在的，这就使SUVmax具有高度的变异性。因此，在高噪声的情况下，SUVmax可能按照非预期方式表现，不是一个可靠的指标[20]。因此，在不同仪器或同一个仪器的多次扫描（如治疗前后），SUVmax的比较是令人质疑的，可能会影响疗效的评估。但是对于非均匀病灶，即使在没有噪声的前提下，SUVmax也不能代表整个病灶的摄取情况。②SUVmean：SUVmean的获取有很多种，分为按病灶轮廓人工勾画ROI、固定大小ROI、阈值法ROI等。人工勾画ROI是按照病灶轮廓人为勾画ROI，受主观影响，观察者间变异较大[21]；固定大小ROI法是通过计数确定病灶“重心”，将固定大小的ROI置于“重心”获取SUVmean，但当病灶大小发生变化时该方法会产生较大测量偏差[22]。阈值法ROI是使用一定阈值的SUVmax或靶区本底比值自动勾画ROI[23-24]，这一阈值可以是固定的[25]，也可以是公式计算出来的[26]，或利用迭代[27]处理后得到，这种方法减少了主观因素的影响，但会因为病灶代谢率的改变及图像处理（图像重建及平滑处理等）的变化而导致测量偏差。近些年出现了一种梯度法[28-29]，较好的反应了真实的SUV,但因方法较为繁杂，尚未在临床讨论和使用。

3 PVE的实际影响

PVE会严重影响PET的定量和定性分析，使图像失真。当病灶小于2～3倍系统分辨率时，测量到的SUVmax会小于实际SUVmax，病灶也会呈现较实际体积大且暗淡的图像。

PVE导致了“溢出效应”和“溢进效应”，这增加了PVE校正的难度。“溢进效应”在一定程度上可以补偿 “溢出效应”，但是二者往往不能平衡，因此二者的综合效应是难以预测的。值得注意的是，在没有本底的情况下，PVE不影响病灶的整体放射性活度。如果在病灶周围勾画一个足够大的ROI，病灶所有的放射性活度就可以恢复。换句话说，PVE并没有导致信号的丢失，它只是造成信号的再分布。

PVE也会影响病灶体积的测量。这种影响会在PET辅助放疗勾画靶区时产生问题。精确的勾画病灶实际代谢活性区对于放疗而言可以减少不必要的损伤和并发症。传统放疗靶区的勾画是以CT为根据的，但CT往往不能反映病灶的实际代谢活性区，PET图像可以较好的反映病灶代谢区，辅助靶区的勾画，但是因为PVE的影响，特别是小病灶，PET图像中呈现出的代谢活性范围会大于实际代谢活性范围，从而影响真实靶区的勾画。

综上所述，PVE对PET的定量分析及图像质量产生的影响是不容忽视的。我们应该采取措施减轻PVE带来的影响。比如改善系统的分辨率，在不增加噪声的前提下，增加迭代次数和子集，采用较小的体素采集图像等。值得强调的是适合定量分析的最佳图像未必是最适于探测病灶且成像质量最佳的图像。影像工作者应根据不同的目的需求进行图像重建及采集处理，当需要定量分析时，适用高分辨率高噪声的图像；当需要在图像上视觉判读病灶时，适用平滑噪声低的图像。在临床疗效随访中，比较前后的SUV值，应注意多方面的变化，如仪器参数、图像重建、采集条件、测量方式等，这样才能相对正确的诠释病灶的实际代谢活度变化，为临床治疗方案的制定和修改提供较为可靠的依据。

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