PET/CT显像中呼吸运动对肺结节SUV的影响及其校正

王瞳　邢海群　郭宁等

[摘 要] 目的：研究正电子发射断层/计算机断层（PET/CT）显像中呼吸运动对肺阳性病灶标准摄取值（SUV）的影响及校正方法。方法：用模型模拟呼吸运动进行PET/CT显像，研究呼吸运动对阳性球状灶SUV的影响，提出数学校正方法，并通过临床病例分析进行验证。结果：与静止时PET图像比较，呼吸运动时采集的阳性球状灶SUV降低，但体积（VPET）相应增大，而其内的总放射性（TR=SUV平均×V）保持不变。临床上，PET所示病灶为呼吸运动叠加的结果，而高速多排螺旋CT所示的病灶体积（VCT）与真实体积比较接近，因此建立了通过公式SUV校正=（SUV测量×VPET）/VCT进行校正的方法。结论：PET/CT显像中肺结节的SUV因呼吸运动而被低估，可通过所建简便方法进行校正。

[关键词] 正电子发射断层/计算机断层；标准摄取值；呼吸运动；校正方法

中图分类号：R817.4 文献标识码：A 文章编号：2095-5200（2014）05-018-04

[Abstract] Objective： This study was designed to investigate the impact of breathing on evaluation of positive lung nodules and establish a correction method for positron emission tomography/computed tomography （PET/CT）. Methods： Model studies are adopted to simulate breathing. Its influence on the standardized uptake value （SUV） of positive nodules on PET/CT images were analyzed by correlating with the images obtained in static status. A mathematic correction method was established and verified through case analysis. Results： Compared with the PET images under static status， the average SUVs under breathing status decreased， whereas the nodule volume （V） increased correspondingly and the total radioactivity （TR=SUVmean×V） remained the same. Because the volume measured on the high-speed multi-detector CT was relatively accurate， the decreased SUVs on clinical PET images with breathing influence could be corrected using a formula： SUVcorrected = （SUVmeasured × VPET） / VCT. Conclusion： A mathematic method is preliminarily established to correct the breathing-related underestimation of the SUVs of positive lung nodules on PET/CT images.

[Key words] positron emission tomography/computed tomography；standardized uptake value；breathing；correction method

1 前言

PET/CT是目前临床最为先进的医学影像诊断方法之一，在肿瘤、心脑血管病和神经系统疾病方面具有广泛应用，尤其是应用于肿瘤方面，占临床应用的90%以上[1]。肺癌是PET/CT最主要适应症之一，PET/CT在肺癌的诊断、分期、疗效评估和预后判断等方面均具有重要价值[2]。但在肺部PET/CT显像中，由于呼吸运动的影响，经常观察到近球形的肺结节可能呈短棒状或椭圆形，靠近肺底的病变尤其明显，其标准摄取值（SUV）会显著降低，从而严重影响对疾病的诊断和疗效评估 [3]。

作者前期针对PET/CT显像相关影响因素和校正方法进行了系列研究 [4-7]，在此基础上，本研究通过模型试验并结合临床病例分析，探索了与呼吸运动相关的影响因素，并提出了校正病灶SUV的简便方法。

2 材料和方法

2.1 仪器

PET/CT仪为Siemens公司Biograph 64 Truepoint TrueV型，孔径70cm，有52个硅酸镥（LSO）晶体环，配备40排高速螺旋CT，以及配套的呼吸门控装置。

2.2 模型

选用NEMA IEC体模中的4个阳性球和自制的2个更小体积的阳性球，直径分别为3.70、2.80、2.20、1.30、0.91和0.23 cm，对应容积分别为26.52、11.49、5.57、1.15、0.40和0.20 mL，6个球按体积由大到小分别标号为①、②、③、④、⑤和⑥。

取27.75MBq（0.75 mCi）的18F-FDG加入10 mL水中，从中抽取0.1 mL液体，加入50 mL水中，配成5.55 MBq/L（0.15 mCi/L）浓度的18F-FDG溶液。将配好的溶液静置40 min后，小心注入6个小球。

然后将阳性球固定在Siemens公司配套的呼吸运动模拟仪上进行呼吸运动模拟测试。呼吸运动仪头端为圆柱型，由一个铁杆与主体连接，打开开关时，头端会按设定频率做往返运动，达到模拟人体呼吸运动的效果。由于头端面积有限，只能将6个小球分2次进行采集，两个大球①和②为一组，剩下③④⑤⑥为一组，先后粘贴在头端圆盘上，先对第一组小球进行静止状态和呼吸运动状态下的采集，然后再将第二组小球固定，同样进行两种方式的采集，最后对采集的数据进行处理和分析。

2.3 图像采集和重建

模拟临床常规采集流程，约60 min时分两次将小球固定于模拟呼吸运动仪上，用Siemens Biograph 64 PET/CT常规全身扫描程序分别进行小球模型的静止采集和模拟呼吸运动状态采集，均采集一个床位，采集时间为2 min，常规OSEM法重建，迭代次数为2，子集为8，zoom为×1.2，选用Gaussian滤波，FWHM为5 mm。

临床病例用同样条件常规采集，注射剂量为5.55 MBq（0.15 mCi）/kg体重，然后闭目静坐休息，约60 min后排尿，从盆底至颅底采集5个床位，每个床位PET采集2min。

2.4 图像分析

使用Siemens公司MMWP工作站，用syngo TrueD 软件对图像进行融合显示、分析和半定量测量。

3 结果

3.1 静止时采集的图像

不同大小的阳性球状灶在静止状态和模拟呼吸运动时采集图像的比较见图1。小球处于静止状态时，根据尽量接近已知真实容积为原则勾画感兴趣区（volume of interest，VOI），测量小球体积、平均SUV、最大SUV，并记录测量SUV时的阈值（以最大值的%表示，见表1）。将小球体积V作为横坐标x，小球静止时的平均SUV作为纵坐标y，经过拟合可以看出SUV与小球体积的自然对数呈正相关：y=0.159ln（x）+0.6409，相关系数R2=0.9335（图2）。

3.2 模拟呼吸运动时采集的图像

两组小球先后粘贴在呼吸运动仪的头部，打开运动开关，小球就可以跟着机器做前后匀速运动，从而达到模拟人体平静呼吸时病灶随胸廓运动的效果，采集后图像如图1B。

勾画VOI，阈值选择与表1中小球静止时的SUV阈值一致，测得小球体积、平均SUV和最大SUV列于表2，以测量体积V作为横坐标x，平均SUV作为纵坐标y，经过拟合得出：y=0.227ln（x）+0.2413（R2=0.9081）（图3）。

3 病例分析

选择一例肺结节病例作为示例。患者男性，63岁，左下肺靠外侧可见一放射性摄取增高结节，大小约2.0×2.1cm，如图4所示。使用Siemens公司MMWP工作站分别测量PET图像和CT图像中的病灶大小。因病灶与2.2cm的球状灶比较接近，所以选择29%作为测量阈值。此时，病灶平均SUV为6.19，体积为5.44cm3。在PET/CT系统中，CT扫描很快，旋转一圈只需0.35秒[8]，获得的图像几乎是某一瞬间的快照，因此较少受呼吸运动的影响，CT上测得的病灶体积可作为静止采集时的病灶体积。本例CT上测得的病灶体积为4.45cm3，按照TR不变的原则，得到校正公式：SUV校正=（SUV测量×VPET）/VCT，从而算出病灶的校正后SUV为7.56。

4 讨论

PET图像中，病灶的SUV受众多因素的影响，呼吸运动是其中重要的影响因素之一。特别是对于靠近膈肌的病灶，厘米级的呼吸运动范围很可能造成病灶SUV的严重低估[9]。虽然也可以用呼吸门控的方法进行校正[10]，但需要专门的门控采集，比较复杂，不太适合临床常规应用。本研究探索了一种简便的校正方法，利用常规PET/CT采集时PET和CT采集到的病灶大小的不同，通过数学方法即可完成校正，方法简便快捷，适合临床常规应用。

为建立和验证这一方法，本研究先进行了模型试验。建立模型时，每个小球内注射的18F-FDG的浓度是相同的，因此，理论上每个小球的SUV都应该相等。然而，无论是静止还是呼吸运动时采集的图像，都是小球越小，测得的SUV越低。这是因为受PET容积效应的影响，可能会造成PET假阴性的结果。前期我们和其他研究团队都在这方面进行了系列研究，建立了一些可行的校正方法[6，11-13]。本研究中，我们进一步对呼吸运动的影响进行了校正研究。

通过比较不同大小阳性球状灶静止和呼吸运动时测得的SUV，发现对于同样大小的球状灶，呼吸运动时的SUV总是小于静止时的SUV，但测量体积相应增大，而二者的乘积即总放射性是不变的，即SUV静×V静=SUV动×V动，因此，可以基于这一认识建立校正方法。

通过模型研究，我们还解决了测量呼吸运动状态下病灶SUV时的阈值设定问题。小病灶的测量阈值较大，随着病灶增大，测量阈值应逐渐减小，当病灶≥2.2cm后，其阈值基本固定在29%，说明此时受容积效应的影响已经很小了。

在临床应用中，肺内病灶通过CT瞬间采集的大小（VCT）可相当于V静，而PET采集的大小（VPET）相当于V动，根据放射性总量相等建立公式：SUV校正=（SUV测量×VPET）/VCT，可以非常简便地对被低估的SUV进行校正，从而减少测量值与真实值的误差，为临床诊断提供更准确的信息。特别是对于靠近膈顶的小病灶，对其大小和呼吸运动同时进行校正尤为必要，很可能会显著影响对病变性质的判断。

然而，本研究只是一项初步研究，尚需进一步完善：首先，使用的阳性球状灶大小的跨度较大，后续还需进行更细致的研究；其次，呼吸运动的模式有很多种，幅度也各不相同，这些影响因素也有待进一步研究；此外，校正过程中测量阈值的选择非常重要，其影响因素还需要进一步研究，对于小病灶阈值的确定还有待明确。

5 结论

肺癌是PET/CT显像最重要的适应症之一，但由于呼吸运动的影响，PET采集的肺内病灶，尤其是肺底的病灶，所测得的SUV明显偏低，可能会影响诊断的准确性。本研究通过模型试验，探讨了静止和呼吸运动时病灶各参数的相互关系，找到并建立了一种简便可行的方法，用于校正呼吸运动对病变SUV的低估，从而为临床诊断提供更准确的信息。

参 考 文 献

[1] 朱朝晖. PET/CT在肿瘤学中的应用[J]. 现代仪器，2006，12（4）：12-18.

[2] 郑建国，屈婉莹，姚稚明，等. 18F-FDG PET/CT对不同大小孤立性肺结节的诊断价值[J]. 中华核医学杂志，2008，28（3）：170-173.

[3] 武志芳，李思进，刘建忠，等.呼吸门控PET/CT对肺部结节SUV的影响[J]. 中华核医学与分子影像杂志，2012，32（2）：111-114.

[4] 朱朝晖，傅喆. PET采集处理方法对病灶检出能力和图像质量的影响[J]. 现代仪器. 2006，12（4）：21-24.

[5] 程午樱，朱朝晖，欧阳萌，等. Biograph 64型PET/CT与ECAT EXACT HR+型PET的性能比较[J]. 现代仪器， 2008，14（4）： 32-34.

[6] 李从心，郭宁，程午樱，等. PET阳性结节灶的部分容积效应校正[J].中国医疗设备，2009，24（8）：17-19，35.

[7] 邢海群，罗亚平，巴建涛，等.飞行时间技术和高清重建对PET/CT图像质量和定量分析的影响[J].现代仪器，2012，18（4）：31-35.

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

[9] 许全盛，袁克虹，于丽娟，等.PET/CT图像呼吸运动伪影校正研究进展[J].中国生物医学工程学报，2009，28（4）：573-579.

[10] 张岩.PET/CT门控技术对肺底小病灶SUV的影响.当代医学，2011，13（17）：21-22.

[11] 耿建华，陈英茂，田嘉禾，等. 校正PET图像上病灶SUV值的研究.核电子学和探测技术，2009，28（4）：925-930.

[12] Frouin V， Comtat C， Reilhac A， et al. Correction of partial volume effect for PET striatal imaging： fast implementation and study of robustness [J].J Nucl Med，2002，43：1715-1726.

[13] Chen CH， Muzic RF Jr， Nelson AD， et al. Simultaneous recovery of size and radioactivity concentration of small spheroids with PET data [J].J Nucl Med，1999，40：118-130.

5 结论

肺癌是PET/CT显像最重要的适应症之一，但由于呼吸运动的影响，PET采集的肺内病灶，尤其是肺底的病灶，所测得的SUV明显偏低，可能会影响诊断的准确性。本研究通过模型试验，探讨了静止和呼吸运动时病灶各参数的相互关系，找到并建立了一种简便可行的方法，用于校正呼吸运动对病变SUV的低估，从而为临床诊断提供更准确的信息。

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