两种图像重建算法对实验肿瘤模型的18 F-脱氧葡萄糖PET/CT定量结果的影响

刘平安，万良荣，黄钢，孙晓光，马玉波

（1.上海交通大学医学院附属第九人民医院核医学科，上海200011；2.上海交通大学医学院附属仁济医院核医学科，上海200001）

两种图像重建算法对实验肿瘤模型的18F-脱氧葡萄糖PET/CT定量结果的影响

刘平安1，万良荣2，黄钢2，孙晓光2，马玉波1

（1.上海交通大学医学院附属第九人民医院核医学科，上海200011；2.上海交通大学医学院附属仁济医院核医学科，上海200001）

目的：比较不同图像重建算法对试验动物肿瘤的18F-脱氧葡萄糖（FDG）PET定量分析的影响。方法选用5只新西兰大白兔，于前肢种植VX2瘤，分别进行18F-FDG PET动态显像，获得肿瘤的动态图像，利用滤波反投影法（filtered backprojection method，FBP）及有序子集最大期望值法（ordered-subset expectation maximization algorithm，OSEM）进行图像重建，计算并比较肿瘤的Ki值和SUVmax。结果FBP法重建图像的噪声较OSEM法高，两种算法重建的图像定量计算的参数Ki与SUVmax均高度相关（r≥0.95），但是OSEM法重建图像计算的Ki和SUVmax（Ki：0.03 ±0.013；SUV：4.89±1.69）明显高于FBP法重建图像的计算值（Ki：0.025±0.011；SUV：4.14±1.42），P均＜0.05。结论：不同重建算法对18F-FDG PET定量分析的结果不同。在相同条件下，OSEM重建图像计算的定量参数明显高于采用FBP重建算法计算的定量参数。

体层摄影术；发射型计算机；脱氧葡萄糖；图像重建

18F-脱氧葡萄糖（FDG）PET广泛应用于肿瘤的诊断和疗效的评价，对肿瘤代谢分析最好的方法是进行定量研究，通常是利用半定量参数SUV和通过动力学参数定量来区分肿瘤代谢的差异［1］。PET图像重建主要采用滤波反投影方法（filtered backprojection method，FBP），但是生成的图像噪声大，图像质量差。近年来有序子集最大期望值法（ordered-subset expectation maximization algorithm，OSEM）由于可以获得良好信噪比的图像而在PET及PET/CT图像重建中广泛应用［2］。但两种重建的方法对定量分析的影响尚需要进行评估，本研究采用实验兔VX2肿瘤进行FDG动态显像比较两种重建算法对肿瘤定量分析的影响。

1 材料和方法

1.1 动物模型

选用普通级雄性新西兰大白兔5只，体质量2.01～2.5 kg（购自中科院试验动物中心），荷VX2瘤种兔由上海交通大学附属第一人民医院张贵祥教授惠赠。所有VX2供体和受体新西兰大白兔均采用1%戊巴比妥钠（3 ml/L）静脉麻醉。先在无菌条件下剥离种兔后腿肌肉内VX2实体瘤，生理盐水冲洗后，取瘤体边缘生长旺盛的鱼肉样组织，约3mm×5mm，种植于受体兔的右侧前肢肌肉内，缝合肌肉和皮肤。约2周后，肿瘤生长直径＞2 cm用于显像试验。

1.2 动物准备

显像前所有动物均禁食4 h以上。采用速眠新Ⅱ（军事医学科学院军事兽医研究所产品）肌肉注射麻醉，然后行股动脉穿刺手术，股动脉留置导管进行动脉采血，在耳缘静脉穿刺建立静脉通道进行18F-FDG注射。18F-FDG为上海安盛科兴公司产品，放射化学纯度＞90%。

1.3 采血及血液样品处理

在注射FDG前，抽取血液样品检测血糖浓度。经耳缘静脉弹丸式注射18F-FDG（26.4～65.8 MBq），注射药物同时开始血液样品采集，采集序列为0.25，0.5，0.75，1，1.25，1.5，1.75，2，5，10，15，30，45，60min，每次约0.5mL，采集后立即分离血浆，采用γ计数器测量放射性活度，所有血浆放射性计数均进行衰减校正并采用圆柱形（圆柱内径21.6 cm，圆柱内高18.6 cm，圆柱壁厚3.2 mm）模型进行γ计数器和PET计数效率校正。

1.4 动态PET显像

采用美国GE公司DISCOERY LSPET/CT显像仪。先进行CT采集，扫描参数：电压120 kV，电流140 mA，螺距5.0 mm，球管单圈旋转时间0.8 s，层厚5.0 mm。CT扫描数据用于图像衰减校正。显像采用2D模式，采集过程中图像均进行随机、散射、死时间和衰减校正。在FDG注射同时进行PET采集过程：动态PET采集持续60 min，采集的帧时间和数量为6×5 s，6×10 s，3×20 s，5×30 s，5×60 s，8×150 s和6×300 s。

1.5 图像重建

采用OSEM算法和FBP算法分别对PET采集的原始数据进行图像重建，获得横断面图像，图像矩阵均为128×128。其中OSEM算法参数选用子集个数为28个，迭代次数为2次。

1.6 参数计算

Ki值计算：采用FDG定量分析三室模型进行Patlak分析计算Ki［3-4］。在两种方法重建的图像中，分别在动态显像后期肿瘤显影清晰的同一断层图像上，勾画感兴趣区（ROI），复制ROI，拷贝到同一断层的其他帧。每例研究对象在不同断层勾画3个ROI。获得组织摄取ROI曲线及数据资料。将每例3组ROI曲线数据取平均值用于参数计算。取得肿瘤摄取FDG动态曲线并与取得的血浆输入曲线进行Ki值计算。标准摄取值（SUV）采用动态显像最后一帧图像（60 min）的ROI进行计算，采用体质量校正的SUV算法［5］公式：

1.7 统计学处理

采用SPSS 10.0软件进行统计学分析，数据以均数±标准差表示，采用双尾配对t检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 OSEM和FBP算法重建图像的比较

OSEM和FBP两种算法均可重建实验肿瘤的横断面图像（图1）。从重建图像可见FBP重建的图像有明显的噪声和放射状伪影，而OSEM重建的图像信噪比高，图像清晰。

图1 两种算法重建的肿瘤横断面图像

2.2 OSEM和FBP重建动态图像曲线比值的时间分布

见图2，结果表明在VX2肿瘤组织动态摄取FDG过程中，在30 s内，OSEM计算的ROI值低于FBP算法（比值低于1），40～90 s之间两者计算的ROI值基本一致（比值接近1），2 min后OSEM算法计算的肿瘤摄取值高于FBP算法（比值＞1），并呈现缓慢上升趋势。

图2 OSEM和FBP重建动态图像曲线比值的时间分布

2.3 两种重建方法对动态肿瘤显像定量分析的影响

将两种算法重建图像的ROI数据使用Patlak方法计算估计参数Ki，结果显示采用OSEM算法重建的图像Ki值与FBP算法重建图像Ki值高度相关（r=0.97），但同时也发现OSEM算法重建的图像Ki显著高于FBP算法（t=2.986，P＜0.05），见表1。

2.4 两种重建方法对肿瘤静态图像定量分析的影响

将动态采集60 min时的图像经2种方法重建，计算SUVmax值，结果表明两种算法计算的注射后60 min的SUVmax也存在显著差异，OSEM算法重建的图像SUVmax值明显高于FBP算法重建图像（t=2.938，P＜0.05）。相关性分析表明两种重建算法呈高度相关（r=0.95），见表1。

表1 两种重建方法计算的参数K i及SUVmax比较

3 讨论

18F-FDG PET广泛用于肿瘤的检测和诊断。但是FDG不是肿瘤组织的特异性示踪剂，良性病灶也可以摄取浓聚FDG，为了鉴别良恶性病灶，以及对于肿瘤治疗前后的评估，都需要进行定量测量［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计算方便而广泛应用［7］。早期PET图像重建主要采用FBP法，其缺点是图像噪声明显，且不适合3D重建［2］。而迭代算法重建图像质量好，信噪比高，逐渐成为PET重建的首选算法。尤其在肿瘤显像中，OSEM算法重建的图像噪声低于FBP重建图像，由于OSEM算法产生的噪声与放射性活度有关，活度越高噪声越大，活度低则噪声低，因而比FBP重建图像有更好的信噪比（signal-tonoise ratio，S/N），对图像更容易解释［8］。

VX2瘤株是由Shope病毒诱发出的兔恶性乳头状瘤发展而成的兔鳞状细胞癌，经72次传代培养建立的可在兔体内种植的肿瘤细胞株，具有种植成活率高、生物学性质稳定、生长迅速、易转移、血供丰富等特点。其形态学和生物学特性与人类癌瘤相似，广泛用于肿瘤的影像学和介入放射学的实验研究。VX2瘤株可种植于肝、肾、肌肉、骨、膀胱、子宫、肺等部位，建立相应的原位肿瘤动物模型。因此，对常规临床应用的诊断仪器而言，兔VX2肿瘤模型是进行大体研究的最好材料。已经有多个采用VX2肿瘤进行FDG PET的显像研究［9-11］。

本研究通过新西兰大白兔肿瘤模型进行FDG PET显像，结果显示，两种重建算法均能重建横断面图像，FBP重建的图像明显存在放射状伪影，而OSEM重建的图像信噪比高。对肿瘤的动态显像数据分析表明，在0～60 min动态采集过程中，采集早期（30 s内）OSEM计算的ROI值低于FBP算法（比值低于1），在短暂的40～90 s之间两者计算的ROI值基本一致（比值接近1），2 min后OSEM算法计算的肿瘤摄取值高于FBP算法（比值＞1），并呈现缓慢上升趋势。通过Patlak方法计算Ki值，结果显示采用OSEM算法重建的图像Ki值与FBP算法重建图像Ki值高度相关（r=0.97），但同时也发现OSEM算法重建的图像Ki显著高于FBP算法（P＜0.05）。该结果和其他采用脑及模型定量分析研究的结果一致［12］，这可能与OSEM重建算法对动态显像早期噪声抑制、而显像终末期肿瘤摄取FDG增多导致放射性增加造成噪声增加有关，亦可能是OSEM重建图像分辨率提高造成的［8，12］。

将60 min时采集的图像经两种方法重建，计算SUVmax值，结果表明两种方法计算的SUVmax也存在显著差异，OSEM算法重建的图像SUVmax值明显高于FBP算法重建图像的SUVmax值。相关性分析表明这两种重建算法呈高度相关（r=0.95）。

基于上述结果可见，无论是动态显像还是静态显像，不同的重建方法对PET重建图像的差别是显著的。对不同研究结果进行比较时，应区分其重建方法的异同，否则对不同采集和重建条件下的研究进行比较是无意义的。如在区分良恶性病灶的SUV域值的设定时，通常认为SUV区别良恶性的域值为2.5［13-15］，但是此值是基于FBP的重建算法得出的，而目前多数PET均采用OSEM重建图像，因此采用这个域值是不合适的［16］。

综上所述，OSEM法和FBP算法对肿瘤组织的定量参数计算是有影响的。对同一肿瘤组织，OSEM法计算的肿瘤摄取的放射性浓度定量指标高于FBP算法，从而造成绝对定量分析参数Ki和半定量SUV高于FBP算法。在不同的研究结果对比分析中应注意图像重建方法的异同，避免错误的结果。

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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 ［文献标志码］ A ［文章编号］ 1671-7783（2015）03-0217-04

10.13312/j.issn.1671-7783.y150016

刘平安（1971—），男，河南平顶山人，主治医师，博士，主要从事肿瘤核医学研究。

2015-01-28 ［编辑］ 何承志