4D PET/CT对肺部结节呼吸伪影纠正及SUV值影响的初步探讨

李超敏，赵艳玲，李思进，刘建忠，武志芳，武 萍，张艳兰，郝新忠(山西医科大学医学影像学系，太原 03000;山西医科大学第一临床医学院核医学科;通讯作者，E-mail:wuzhifang0@sina.com)

PET/CT(positron emission tomography/computed tomography，PET/CT)氟去氧葡萄糖(fluoredeoxy-glucose，FDG)显像已广泛用于肿瘤的诊断、鉴别诊断及病情评估［1］。但在 PET/CT系统中，CT扫描很快，获得的图像几乎是某时刻的快照，因此基本不受呼吸运动影响;而PET扫描速度较慢，每个体位3D PET采集要2 min，获得的是经历几十个呼吸周期的平均图像，期间患者的呼吸引起胸部及上腹部器官不同程度的运动，使注入到其中的放射性辐射源也跟随运动，所以PET图像不可避免要产生运动模糊［2，3］。目前临床尝试用4D PET/CT的呼吸门控采集，即呼吸门控的 PET/CT显像(respiratory-gated PET/CT，RG PET/CT)进行呼吸伪影的纠正［4］。本研究通过对肺部结节患者应用4DPET/CT显像技术与常规3D采集比较，观察4D PET/CT对呼吸伪影纠正的情况及及肺部结节标准摄取值(standardized uptake value，SUV)的变化，以期为临床诊断提供有价值的证据。

1 资料与方法

1.1 临床资料

研究对象:选取2010-10～2011-3在山西医科大学第一临床医学院核医学科进行PET/CT显像的患者，发现有多个肺部结节，并同意进行呼吸门控显像的患者共14例，签署知情同意书。入选患者中有6例肺癌，7例为肺部转移癌，1例患者临床考虑结节病可能。

病例收集标准:①常规全身PET/CT显像患者;②经检查发现肺部有多个结节;③PET显像中肺部结节有FDG摄取;④患者同意进行4D PET/CT检查。

1.2 图像采集与处理

选择使用的图像采集仪器为美国GE Discovery VCT PET/CT;呼吸运动实时监测系统为Varian公司实时跟踪系统(real-time position management，RPM)。

1.2.1 3D采集及处理18F-FDG注射剂量按5.55-7.40 MBq/kg计算，显像前排空膀胱，扫描范围为胸部。注射18F-FDG静卧休息40-65 min后进行检查。CT扫描条件:120 kV，120 mA，层厚3.75 mm。PET图像用3维模式采集，2 min/床位，扫描完成后用CT数据对PET数据进行非均匀衰减校正。扫描过程中无明显身体移动造成的伪影。扫描完成后进行常规图像处理。

1.2.2 4D PET/CT采集及处理 扫描前对患者进行呼吸训练，保证在4D扫描过程中呼吸平稳、均匀。

4D CT扫描条件:120 kV，30 mA，层厚2.5 mm。CT图像的“后门控”处理在后台工作站上进行。先对呼吸曲线设置不同的相位值，本研究共设定6个时相:0，16%，33%，50%，66%，83%，吸气末为 0，呼气末为50%，下一个吸气末为100%(即0时相)，不断循环;再对不同相位设置运动幅度可接受的相位范围。

4D PET扫描条件:6 min/床位。PET扫描时在接收到呼吸信号的触发后进行，由于呼吸周期分成6个时相因而预置每个床位分为6 bins。通常把1个周期分成6个时相，呼吸控制系统则连续记录CT曝光的时相信息，并同时记录呼吸节律信号。4D PET图像在后处理工作站自动划分为6个时相的呼吸门控系列图像。重建时采用其对应时相的CT图像作衰减校正，从而可以实现考虑了呼吸运动后的PET衰减校正。

1.3 图像分析

所有感兴趣区的勾画选择PET和CT图像上肺部病灶形态一致的一个层面，在6个时相(phase 1-6)的PET图像上分别勾画感兴趣区(region of interest，ROI)，并记录 ROI的计数、SUV 值和 ROI体积。SUV由AW系统全自动分析获得，每个肺部结节的每个指标均要进行非门控图像、门控显像的6个时相共7次测量。

1.3.1 肿瘤标准摄取比值(SUV)的获得 由AW工作站半自动处理得到肺部结节最大SUV(maximum standardized uptake value，SUVmax)和平均 SUV(mean standardized uptake value，SUVmean)。呼吸门控SUV值取自6个时相SUV的平均值。

1.3.2 PET信噪比(signal-to-noise ratio，SNR) 取面积为100 mm2的圆形ROI，测量SUV平均值及标准差(SUVmean、SUVsd)。

SNR=SUVmean/SUVsd［5］

1.3.3 CT图像质量的评估 由2名高年资放射人员对CT图像进行视觉评价，评价内容包括支气管血管束、肺野清晰度、肺结节形态、大小及结节周边特性。

1.3.4 呼吸伪影纠正的评价 由2名高年资放射人员对呼吸伪影进行视觉评价。评定标准:在3D和4D PET/CT融合图像中，观察肺部结节的PET与CT图像是否有明显位移，评定为呼吸伪影阳性与阴性。

1.4 统计学分析

2 结果

经过对RG PET/CT图像的处理，呼吸门控图像质量清晰，共得到37个可测量的肺部结节SUV＞2.5，其中21个结节位于肺下叶，5个结节位于肺门，11个结节位于肺部中上叶。另有4个肺部结节SUV＜2.5，未进行统计分析。

2.1 4D PET/CT图像质量的评定

2.1.1 4D PET图像质量的评定 通过公式计算，得到3D与4D不同时相的SNR，phase 2与phase 6信噪比略高于其他时相(见图1)。4D图像SNR(4.00±0.35)略高于3D显像(3.98±0.55)，二者之间差异并没有统计学意义(Z=-1.109，P=0.267)，4D PET图像质量可满足临床的诊断要求。

图1 3D与4D PET/CT不同时相的SNR值比较Figure 1 Comparison of the SNR values between 3D and different phases of 4D PET/CT

2.1.2 4D CT图像质量的评定 对37个结节CT图像视觉评价，4D CT图像的噪声略高于3D CT，所观察视野内支气管血管束边缘毛糙，走形及分支可辨，肺野清晰、透光尚均匀，肺结节形态(分叶、大小及边缘情况(毛刺、胸膜牵拉征等)容易观测，特别是某些时相更易观测，分叶及毛刺观察优于常规CT。

2.2 呼吸伪影的纠正

37个结节中，3D PET/CT观察到产生呼吸伪影的结节33个，呼吸伪影阳性率达到89.2%，4D PET/CT纠正伪影31个(93.9%)，未产生呼吸伪影的结节中有3个位于肺门，1个位于肺上叶。4D PET/CT观察到产生呼吸伪影的结节仅有2例(见表1)，均位于肺下叶，并且较3D采集产生的伪影小。图2(见第754页)显示的是一名肺癌患者的3D及4D PET/CT图像，3DPET/CT中可见明显的呼吸运动伪影，而4D PET/CT中呼吸运动伪影得到有效纠正。

图2 男性肺癌患者同一肺部结节伪影校正4D与3D图像比较Figure 2 Comparison of respiratory artifact correction of the same lung nodules in 4D and 3D acquisition technology of a male patient with lung cancer

表1 4D与3D采集PET呼吸伪影的比较 (个)Table 1 Comparison of respiratory artifact in 4D PET/CT and 3D PET/CT

2.3 3D与4D PET/CT显像技术SUV的比较

2.3.1 3D与4D PET/CT显像技术SUVmax的比较4D PET/CT技术显像质量清晰，FDG摄取明显增高，SUVmax值可以达到13.69±6.70，明显高于3D PET/CT(12.76±6.74)，表明4D PET/CT技术能更加容易区别病灶(t=3.475，P=0.001)。经比较，发现4D显像中37个结节中有30个结节SUV值明显高于3D显像，SUVmax值增加率甚至可达39.99%。但仍有7个结节SUVmax值低于3D显像，观察图像发现其中有5个结节合并炎症，结节体积也较小，最大直径(CT图像)小于4 mm。

2.3.2 两组显像技术SUVmax相关性分析 SUVmax在3D与4D PET/CT中有差异，但相关性非常好(r=0.971)，相关方程为y=1.384+0.964x(见图3)。

图3 3D与4D PET采集技术中SUVmax相关性散点图Figure 3 Correlation scatter diagram of SUVmaxin 3D PET and 4D PET

3 讨论

由于人体的呼吸节律受植物神经系统和大脑中枢神经系统的双重控制，因此呼吸节律比心脏搏动更加多变和不规则，对肺部PET/CT显像产生了一定不可避免的影响。临床常用自我呼吸限制和外源性呼吸限制(如呼吸机的强制通气)来减少呼吸运动的影响［6］，前者由于要求患者主动改变呼吸运动幅度和频率，许多患者不能耐受;目前多采用呼吸运动监测设备进行呼吸门控显像，其临床价值正逐步受到重视。

呼吸门控技术能够校正伪影，但导致图像质量下降，图像的信噪比大大低于平均PET图像。这是因为每个时相获取的γ光子数相应减少，统计涨落加大，相同扫描时间里每个时相的图像只有平均图像的10%-15%的统计计数。为获得与平均PET图像同样的计数，扫描时间必须加大到非门控采集时的5-10倍，或者成比例地增加放射性示踪剂的含量［7］。由于增加放射性示踪剂剂量会直接导致患者所受辐射剂量增加，因此本研究中采用了延长PET采集时间6 min/床位来避免图像质量的降低。Chang等［5］对26个结节进行了对比研究发现，与非门控 PET/CT相比，门控技术可以提高 SNR(-3.4%～81%，平均提高26.3%)，图像质量明显提高。而另一些研究却发现门控与非门控PET/CT显像中SNR变化并没有统计学差异(P＞0.2)。本文研究显示在现有的采集条件下，4D采集得到的CT与PET的图像质量与3D采集并没有明显差异，并且呼吸伪影得到很好的校正，这与部分学者研究是一致的［8，9］。

标准摄取比值即SUV在临床已经成为PET/CT常规半定量诊断指标。呼吸运动伪影使肺结节发散出来的符合光子事件发生在一个较大的感兴趣区内，从而导致SUV值的减低。而4D采集技术有效纠正了呼吸运动伪影，故而SUV值得到提升。国外学者Werner等［9］对18名患者23个肺部结节进行4D与3D PET/CT采集，结果表明:与常规3D PET/CT显像比较，4D显像技术可以显著提高SUVmax和SUVmean(两者 P＜0.01)，但二者之间的 SUVmax和SUVmean有显著相关性(r分别为0.972和0.965 6)。本研究经过对37个肺部结节进行4D PET/CT检查，结果发现SUVmax值可以达到13.69±6.70，明显高于3D PET/CT，表明4D PET/CT技术能更加容易区别病灶，而且门控4D技术中SUVmax可以较3D技术提高39.99%，因此门控4D技术可明显提高SUV，进而影响临床判断。这与国外学者的近期研究一致［9，10］。

本研究中4D PET/CT尚有两个位于肺下叶结节呼吸伪影未完全纠正，可能与结节位置不同呼吸运动幅度亦不同密切相关，需要扩大样本进一步研究证实。另外，本研究有4个结节常规显像中SUV＜2.5，RG PET/CT后有3个结节SUV值增高，1个结节无明显变化。由于入选结节数太少，未作统计分析，但仍然可以看出对于轻度摄取FDG结节，经过RG PET/CT后SUV也有所提高，有可能影响临床诊断和分期［11］。

［1］ Quint LE.PET:other thoracic malignancies［J］.Cancer Imaging，2006，31(6):82-88.

［2］ 王学明，沈克涵.医学成像系统［M］.北京:清华大学出版社，2006.

［3］ Allen-Auerbach M，Yeom K，Park J，et al.Standard PET/CT of the chest during shallow breathing is inadequate for comprehensive staging of lung cancer［J］.J Nucl Med，2006，47:298-301.

［4］ 陈少卿.PET/CT扫描引导下肺癌精确放疗的运动体模实验研究［D］.天津:天津医科大学，2007.

［5］ Chang GP，Chang TT，Pan TS，et al.Implementation of an Automated Respiratory Amplitude Gating Technique for PET/CT:Clinical Evaluation［J］.J Nucl Med，2010，51(1):16-24.

［6］ Kawano T，Ohtake E，Inoue T.Deep-inspiration breath-hold PET/CT versus free breathing PET/CT and respiratory gating PET for reference:evaluation in 95 patients with lung cancer［J］.Ann Nucl Med，2011，25(2):109-116.

［7］ Meirelles GSP，Erdi YE，Nehmeh SA，et al.Deep-inspiration breath-hold PET/CT:clinical findings with a new technique for detection and characterization of thoracic lesions［J］.J Nucl Med，2007，48:712-719.

［8］ Rosario T，Ollers MC，Bosmans G，et al.Phased versus midventilation attenuation-corrected respiration-correlated PET for patients with non-small cell lung cancer［J］.J Nucl Med Technol，2009，37(4):208-214.

［9］ Werner MK，Parker JA，Kolodny GM，et al.Respiratory gating enhances imaging of pulmonary nodules and measurement of tracer uptake in FDG PET/CT［J］.Am J Roentgenol，2009，193(6):1640-1645.

［10］ Huang TC，Wang YC.Deformation effect on SUVmaxChanges in Thoracic Tumors Using 4-D PET/CT Scan［J］.PLoS One，2013，8(3):e58886.

［11］ García Vicente AM，Soriano Castrejón AM，Talavera Rubio MP，et al.18F-FDG PET-CT respiratory gating in characterization of pulmonary lesions:approximation towards clinical indications［J］.Ann Nucl Med，2010，24:207-214.