不同滤波方法对脑部PET图像质量和SUV值的影响

徐磊，孟庆乐，杨瑞，钱鑫宇，周蕾蕾，蒋红兵,2

1. 南京医科大学附属南京医院（南京市第一医院） a. 核医学科；b. 医疗设备处，江苏 南京 210006；2. 南京市卫生信息中心，江苏 南京 210003

引言

神经内分泌肿瘤（Neuroendocrine Neoplasms，NENs）是一组起源于肽能神经元和神经内分泌细胞的异质性显著肿瘤，68Ga-DOTA-NOC PET/CT显像已成为诊断NENs的重要手段[1-3]。高质量PET图像是精确诊断NENs的基础，PET图像质量主要由注射剂量、病人体格、探测器性能、重建参数等因素决定[4-5]。在临床工作环境中，病人体格和探测器性能是固定的，且一般商业配置的68Ga-DOTA-NOC剂量不易根据病人体重进行调整，此时调整重建参数可作为提高PET图像分辨率的一个重要补偿手段。

PET重建参数包括重建算法、迭代次数、子集数量、矩阵大小、滤波处理等，其中有序子集期望最大（OSEM）+飞行时间技术（TOF）+点扩散技术（PSF）重建算法已被证实优于滤波反投影（FBP）算法，且有TOF技术迭次数设置为2，无TOF技术迭代次数设置为3，子集数量均为20。矩阵大小一般由探测器性能决定，体部采集采用256×256，脑部图像为128×128。我科采用的是上海联影112环数字光导PET/CT，滤波函数包含非局部均值滤波、高斯滤波、Metz滤波，其中非局部均值滤波是在一个目标像素周围区域平滑取均值的方法[6]，主要基于像素灰度相关性和几何结构相似性，平滑噪声的同时不丢失细节信息；高斯滤波函数属于低通滤波器，平滑噪声性能优越[7]；Metz是一种恢复型滤波函数，属于高通滤波器[8]。

目前国内外对68Ga-DOTA-NOC PET/CT的神经内分泌肿瘤临床诊断价值研究较多[9-11]，而忽略不同重建方法对PET图像质量影响研究，尤其滤波方法对PET脑部图像质量的影响未见报道。2017年欧洲核医学学会颁布的68Ga-DOTA-NOC PET/CT显像指南仅给出注射剂量、显像时间和重建算法，并未给出具体的参考重建参数[12]。至今国内开展68Ga-DOTA-NOC PET/CT显像项目的医疗单位屈指可数，采集协议多基于经验主义，并无统一的指导标准。因此，本研究旨在探讨不同滤波方法对68Ga-DOTA-NOC PET图像和SUV值的影响，以期为68Ga-DOTA-NOC PET/CT脑部采集协议提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 模体和病人资料

模体实验采用美国国家电气制造者协会标准的国际电工委员会模体，内含直径10、13、17、22、28、37 mm六个热球，本研究仅在直径37 mm热球内注射68Ga-DOTANOC，模体腔体内放射性活度为5.31 kBq/mL，热球与腔体放射性活度比值为4:1。

临床实验选取2017年12月至2018年8月于南京市第一医院核医学科行68Ga-DOTA-NOC PET/CT显像的39例患者进行回顾性分析，其中男18例，女21例，年龄5～75（50.10±15.33）岁。所有患者均经手术或活检明确病理，包括胃肠胰神经NEN 23例（胰腺NEN 15例，食管NEN 2例，胃NEN 3例，直肠NEN 3例），肺NEN 5例，恶性嗜铬细胞瘤8例，原发灶来源不明NEN 3例。患者体重为17～85（59.70±12.45）kg，身高为 1.06～1.80（1.63±0.12）m，体质量为15.13～30.48（22.12±3.23）kg/m2。本研究获本院伦理委员会批准，患者签署知情同意书。

1.2 图像采集与重建

所有患者检查前无需禁食及控制血糖，68Ga-DOTA-NOC采用德国ITG公司的自动化标记模块在本科室净化实验室完成标记，患者注射剂量为38.00～127.43（71.05±19.19）MBq，每公斤体重注射剂量为0.50～2.99（1.27±0.51）MBq/kg，休息45～60 min后行PET/CT全身加脑部扫描。采用112环数字光导PET/CT（上海联影科技公司uM780）进行数据采集，该款PET/CT包含101920块晶体，轴向视野为30 cm，孔径为70 cm，时间符合窗为4 ns，系统灵敏度为16 cps/kBq，时间分辨率为520 ps。64排128层螺旋CT提供衰减校正：管电压为120 kV，管电流为100 mA，层厚3 mm，螺距为0.5 s。模体和临床患者脑部图像采集视野均为1个床位，时间为10 min和2 min。PET图像重建算法采用OSEM迭代（3次迭代，子集数20）+飞行时间（TOF）技术+点扩散（PSF）技术，图像大小128×128，层厚2.68 mm，滤波方法包括无处理（None）、平滑 1（Smooth1）、平滑 2（Smooth2）、平滑 3（Smooth3）、增强1（Enhance1）和增强2（Enhance2），具体滤波函数选取，见表1。

表1 不同滤波方法选用的滤波函数

1.3 图像分析

模体PET图像质量采用变异系数（CV值），对比度（Contrast）和信噪比（SNR）评估[13]，CV值越小，对比度和信噪比越大，表示图像质量越佳，如公式(1)～(3)所示，其中BG代表背景感兴趣区ROI（直径5 mm）的平均放射性计数率，SD代表背景ROI放射性计数率标准差，Signal代表热球ROI内最大计数率。临床PET图像质量采用垂体SUVpeak、SUVmax、SUVmean、和 SUVsd评估[14]，垂体感兴趣区（VOI）由工作站自动勾画。

1.4 统计学分析

不同滤波处理对应的模体PET图像CV值、对比度和信噪比采用柱形图分析，临床脑部PET图像中垂体SUVpeak、SUVmax、SUVmean、和SUVsd得分比较采用单因素方差分析。P＜0.05时差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 每床位不同采集时间对模体PET图像质量的影响

不同滤波方法的模体PET图像，见图1。从图1可以看出，热球均清晰可见，无滤波处理（None）的图像背景噪声最明显；其次是Smooth2、Enhance1和Smooth1，Smooth3和Enhance2对应的图像噪声较低。不同滤波处理对应的CV值、对比度和信噪比，见图2。由图2可知CV值从小到大排序分别是Smooth3（16.57%）、Smooth1（18.61%）、Enhance2（20.00%）、Smooth2（25.98%）、None（30.62%）和Enhance1（33.62%），对比度（Contrast）从大到小排序为 Enhance1（46.09）、Enhance2（44.78）、None（44.27）、Smooth1（43.27）、Smooth2（42.00） 和Smooth3（41.16）。信噪比（SNR）从大到小为Smooth3（242.32）、Smooth1（227.10）、Enhance2（218.88）、Smooth2（157.83）、None（141.31）和 Enhance1（134.13）。

图1 不同滤波方法应的模体PET图像

2.2 不同滤波方法临床PET图像质量和SUV值影响

图3表示不同滤波方法对应的临床脑部PET图像，容易看出不同滤波方法获得的脑部PET图像垂体均清晰可见，其中None和Enhance1获得的脑部PET图像噪声水平相当，图像质量肉眼判读无明显差别，噪声水平次之的是Smooth2、Smooth1和Enhance2，噪声水平最低的是Smooth3。定量分析结果如图4所示：① 垂体SUVpeak从大到小分别为：Enhance1（8.47±5.27）、None（7.78±4.83）、Enhance2（7.66±5.42）、Smooth1（7.17±4.91）、Smooth2（7.05±4.29）和 Smooth3（6.50±4.36）；② 垂体 SUVMax从大到小分别为：Enhance1（3.68±3.02）、None（3.63±3.13）、Enhance2（3.51±3.36）、Smooth1（3.37±3.12）、Smooth2（2.63±1.92） 和 Smooth3（2.57±2.11）；③ 临 床 脑 部PET图像的垂体SUVmean从大到小分别为：Enhance1（8.47±5.27）、None（7.78±4.83）、Enhance2（7.66±5.42）、Smooth1（7.17±4.91）、Smooth2（7.05±4.29）和 Smooth3（6.50±4.36）；④ 垂体SUVsd从大到小分别为：Enhance1（3.68±3.02）、None（3.63±3.13）、Enhance2（3.51±3.36）、Smooth1（3.37±3.12）、Smooth2（2.63±1.92）和 Smooth3（2.57±2.11）；单因素方差分析显示，6组之间SUVpeak、SUVMax、SUVmean和SUVsd得分差异均无统计学意义（F=0.7354，P=0.5976；F=1.166，P=0.3270；F=1.725，P=0.1299；F=1.160，P=0.3301）。

图2 不同滤波方法应的CV值、对比度和信噪比

图3 不同滤波方法对应的脑部PET图像

图4 不同滤波方法对应的垂体SUVpeak、SUVmean、SUVmax和SUVsd得分比较

3 讨论

68Ga-DOTA-NOC PET脑部摄取较少，图像易受噪声影响，平滑处理是滤除噪声的有效手段[15-17]。目前上海联影PET/CT装机量较多，还未形成统一的采集协议与重建参数，本款PET系统提供6种滤波方法，包括1种无滤波处理，2种增强处理，3种平滑滤波，本研究探讨不同滤波方法对图像质量以及SUV值的影响。

从视觉上看，无滤波处理获得的图像噪声最显著，Smooth3和Enhance2的图像噪声水平最低，但两者图像质量肉眼分辨不出差别。定量分析显示：① CV值是衡量资料中各观测值变异程度的另一个统计量，可用来表征图像均匀度，模体图像CV值最小的是Smooth3，表明图像背景均匀度最佳；CV值最大的是Enhance1，表明图像背景均匀度最差；② 对比度可表征图像目标与背景的灰度差别，Enhance1对应的对比度最大，表明图像目标最易分辨，Smooth3对应的对比度最小，但模体中热球与背景放射性浓度比值较大，热球均清晰可见，表明对比度对图像质量评估效果不显著；③ 信噪比表征图像信号与噪声的比值，信噪比最大的是Smooth3，最小的是Enhance1，表明Smooth3对噪声抑制能力最强，Enhance1最弱。综上可知，Smooth3的平滑效果最佳，能保证图像高均匀度和信噪比，主要由于Smooth3滤波处理包含非局部均值滤波和高斯滤波函数，平滑噪声性能优越，又保存图像细节；Enhance2图像增强效果最佳，主要得益于Mety滤波函数的高通滤波特性，高频信号和噪声均被保存。

不同滤波方法获得的脑部PET图像均伴随着一定程度噪声，噪点最不显著、图像质量最优的是Smooth3，噪声最显著的是None。定量分析可知，不同滤波方法所得SUV值差异较大，Smooth3对应的垂体SUVpeak、SUVmax、SUVmean和SUVsd在不同滤波方法中均最小，Enhnace1对应的SUV值均最大，但差异均无统计学意义（P>0.05），主要由于Smooth3滤除高频信号和噪声，使得图像整体平滑均匀；Enhnace1增强了垂体信号强度，但同时背景噪声水平也被增强。以Smooth3所得SUV值为参考目标，其他滤波方法所得SUVpeak、SUVmax、SUVmean和SUVsd涨幅分别为8.5%～30.3%，6.6%～43.5%，1.4%～43.8%，2.3%～43.2%。

不同滤波方法的PET脑部图像差异较大，模体实验图像与临床实例图像均显示Smooth3所得PET图像质量最佳，因此本机型PET脑部滤波方法采用Smooth3为宜，为建立和推广国产PET脑部采集协议提供参考依据。