18F-FDG胸部符合线路SPECT/CT半定量分析与PET/CT的对比研究

郑玉民 金超岭 崔慧娟 戴皓洁 颜珏 许百灵 韩萍萍

1中日友好医院核医学科，北京 100029；2中日友好医院中西医结合肿瘤内科，北京 100029；3北京电力医院核医学科 100073；4美国密苏里大学哥伦比亚分校核科学与工程学院 65211

18F-FDG PET/CT已在临床应用很多年，随着技术的进步，其在肿瘤诊断与鉴别诊断、分期与再分期以及疗效评估与预测预后方面发挥着越来越重要的作用[1-2]。18F-FDG PET/CT的半定量指标[如SUV、肿瘤代谢体积（metabolic tumor volume MTV）等]被用于监测化疗效果，对于改善淋巴瘤、乳腺癌、非小细胞肺癌、结直肠癌和食管癌的预后具有重要价值[3]，但由于检查费用昂贵，限制了其被广泛应用。18F-FDG符合线路SPECT/CT的检查费用约为PET/CT的1/3，且包含在医疗保险报销范围之内，可以大大减轻肿瘤患者的经济压力[4-6]。在发展中国家，尤其是在中国，18F-FDG SPECT/CT是PET/CT重要的替代检查方法[7-8]。但是传统的符合线路SPECT/CT图像质量差，并且不能进行半定量分析，因此限制了其在肿瘤分期及评价治疗效果等方面的应用[9]。在本研究中，我们通过对符合线路SPECT/CT图像进行物理校正，在改善图像质量的同时，使符合线路图像也能进行半定量分析。通过在模型与胸部实体肿瘤患者中的应用，比较传统符合线路SPECT/CT、校正后半定量符合线路SPECT/CT（以下简称半定量符合线路）与PET/CT的图像，并以PET/CT为标准，评估半定量符合线路的半定量参数（如SUVmax、MTV等）的准确性。

1 资料与方法

1.1 模型的研究

用17个直径为40 mm、放射性活度为1.85×105Bq（±5%）的点源排列成十字交叉形，用于测量重建图像的分辨率。采用符合美国国家电气制造商协会（National Electrical Manufacturers Association，NEMA）标准的模型测试物理校正对图像重建的影响。模型模仿人体上半身的形状，其内含有6个大小不同的中空玻璃球体模拟病灶，直径分别为37、33、22、17、13和10 mm；模型球体之外的部分模拟组织本底。在球体与本底中均注入含有18F-FDG的纯水，其注入的放射性比例约为10：1[10-11]，每个球体中注入的放射性活度约为168.6 Bq/L（±5%），本底中注入的放射性活度为15.1 Bq/L（±1%）。

1.2 患者资料与扫描方法

本研究为前瞻性研究，选取自2016年1月至2017年8月间，北京中日友好医院的胸部实体肿瘤患者15例（男性13例、女性2例），年龄（62.5±8.8）岁，包括肺癌12例、胸腺瘤1例、胸膜间皮瘤1例以及食管癌1例。患者均先行胸部18F-FDG符合线路SPECT/CT扫描，随后立即进行胸部PET/CT扫描。患者检查当天至少禁食6 h以上，血糖水平控制在8.3 mmol/L以下，静脉注射18F-FDG（3.7 MBq/Kg体重）40 min后行胸部18F-FDG符合线路SPECT/CT扫描，视野范围40 cm，采集40 min。采集完成后立即进行相同体位胸部PET/CT扫描，扫描3个床位，每个床位2.5 min。

所有患者均于检查前签署了知情同意书，该研究得到单位伦理委员会的批准，批准文号：2018-17-K12。

1.3 18F-FDG符合线路SPECT/CT图像的采集

18F-FDG符合线路SPECT/CT图像采集使用美国GE医疗公司的Hawkeye Infinia显像仪。首先采集低剂量定位CT，扫描参数：管电压140 kV，管电流2.5 mA。然后采集符合线路图像，扫描参数：矩阵 128×128,层厚 4.0 mm，能量窗460～562 keV，共采集30 min。将符合线路SPECT图像和CT衰减校正图像由仪器自带的有序子集期望最大化软件进行重建（2个子集，20次迭代），即获得传统符合线路SPECT图像。将采集数据交由北京百灵云生物医学科技有限公司，采用独立的第三方软件AllSUVQ对图像进行重建，经过有序子集期望最大化迭代（8个子集，5次迭代）、衰减校正、散射校正、点扩散函数校正等处理过程，去除影像中物理衰减、散射、噪声等干扰，获得半定量符合线路SPECT/CT图像[12-16]。

1.4 18F-FDG PET/CT图像的采集

18F-FDG PET/CT显像使用美国GE公司的Discovery PET/CT Elite（690）扫描仪。先进行低剂量CT扫描，扫描参数：管电压140 kV，管电流80 mA，重建层厚3.75 mm。PET扫描参数：床位宽度15.7 cm，2.5 min/床位，矩阵192×192，重建层厚3.25 mm。由显像仪自带有序子集期望最大化软件进行重建（24个子集，2次迭代）。

1.5 图像分析

用十字形点源的平面和轴向半高宽来比较各重建图像的分辨率[17]。在NEMA模型研究中，以公式[（最大球体放射性浓度-本底放射性浓度）/本底放射性浓度]的比值来计算图像的对比度。将不同大小球体的半定量符合线路和PET所测量的18F-FDG放射性浓度与真实值进行比较，绘制准确性曲线。另外，本底区的平均放射性浓度也用来评估测量的准确性。

在患者研究中，由3位主治以上级别医师分别对3种显像方式进行读片，确定病灶的位置及数量。将重建后的半定量符合线路与PET图像导入迈迪克斯（MedEx）报告系统，分别测量两种图像中肿瘤病灶的SUVmax、平均标准化摄取值（mean standard uptake value，SUVmean）、瘦体质量标准化摄取值（lean body mass standardized uptake value，SULpeak）、MTV等半定量参数，并做相关性分析。SUVmean默认阈值为40%，即等于ROI内SUVmax的40%。MTV默认值为2.5，即以SUV=2.5勾画病灶边界。然后修改阈值，将SUVmean的阈值设定为30%～50%之间的不同值，MTV勾画阈值设定为2.8～4.0，分别研究设定不同的阈值时，半定量符合线路各参数的准确性，以找出最佳的阈值。

1.6 统计学分析

采用SPSS 17.0统计学软件分析数据，符合正态分布的计量资料以表示。对于模型研究，采用配对样本t检验分析3种显像方式的图像分辨率与对比度的差异；对于患者研究，采用配对样本t检验分析半定量符合线路与PET/CT的半定量参数。以PET/CT为标准，使用线性回归分析半定量符合线路的半定量参数与PET/CT的相关性。P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 模型研究的结果

由图1可见，点源的3种重建图像的分辨率由低到高依次为传统符合线路SPECT/CT、半定量符合线路、PET/CT；由图2可见，NEMA模型的3种重建图像能观测到的最小球体直径分别为：传统符合线路SPECT/CT 28 mm、半定量符合线路22 mm、PET/CT 17 mm，图像分辨率依次提高。

经过物理校正，NEMA模型的传统符合线路SPECT/CT、半定量符合线路、PET/CT图像的平面半高宽分别为（13.1±1.2）、（9.5±0.8）、（7.4±0.4）mm，三者之间两两比较差异均有统计学意义（t=-8.38、-12.93、-12.03，均P＜0.0001）；轴向半高宽分别为（13.5±1.1）、（9.8±0.7）、（7.6±0.5）mm，三者之间两两比较差异均有统计学意义（t=-8.63、-14.41、-12.59，均P＜0.0001）；图像对比度分别为1.79、6.32、6.69，三者之间两两比较差异均有统计学意义（t=-8.25、-13.23、-12.01，均P＜0.0001），这些数据说明图像的分辨率依次提高。

在直径≥28 mm的球体中，半定量符合线路测量18F-FDG放射性浓度的准确率＞97.1%，随着球体体积缩小，部分容积效应增大，其测量准确率也逐渐降低；而PET/CT在直径≥17 mm的球体中，其测量准确率＞98.5%（图3）。在NEMA模型的本底区，由于不受部分容积效应的影响，半定量符合线路和PET/CT测量放射性浓度的准确率均高于99%。

图1 传统符合线路SPECT/CT（A）、半定量符合线路（B）及PET/CT（C）显像的十字形点源显像图 图中，SPECT/CT：单光子发射计算机体层摄影术；半定量符合线路：校正后半定量符合线路SPECT/CT；PET/CT：正电子发射断层显像计算机体层摄影术。Fig.1 Images of point sources aligned in a cross shape on traditional Co-SPECT/CT,semi-quantitative Co-SPECT/CT and PET/CT images

2.2 患者研究的结果

15例患者的PET/CT图像中共发现包括主病灶及转移病灶在内的61个病灶，半定量符合线路发现的病灶数与PET/CT一致，而传统符合线路SPECT/CT共发现病灶57个，未能发现4例患者中的4个转移病灶，典型病例的图像见图4。主病灶与病理结果一致，无误诊病例。

图5显示了1例肺腺癌患者的传统符合线路SPECT、半定量符合线路和PET图像。从视觉效果可以看出，半定量符合线路的图像分辨率和对比度均高于传统符合线路SPECT/CT图像，更接近PET/CT的图像质量。

图2 CT（A）、传统符合线路SPECT/CT（B）、半定量符合线路（C）及PET/CT（D）显像的NEMA模型显像图 图中，CT：体层摄影术,发射型计算机；SPECT/CT：单光子发射计算机体层摄影术；半定量符合线路：校正后半定量符合线路SPECT/CT；PET/CT：正电子发射断层显像计算机体层摄影术；NEMA：美国国家电气制造商协会；。Fig.2 Images of NEMA phantom on CT,traditional Co-SPECT/CT,semi-quantitative Co-SPECT/CT and PET/CT images

图3 NEMA模型的半定量符合线路与PET/CT测定球形直径的准确率曲线 图中，NEMA：美国国家电气制造商协会；半定量符合线路：校正后半定量符合线路SPECT/CT；PET/CT：正电子发射断层显像计算机体层摄影术。Fig.3 Accuracy curves of quantitative Co-SPECT/CT and PET/CT as functions of sphere diameters

配对样本t检验结果显示，在15例患者的61个病灶中，半定量符合线路的各参数与PET各参数之间存在显著差异，SUVmax、SUVmean、SULpeak以 及 MTV 之间的平均差异（半定量符合线路-PET）分别为-1.822、-1.250、1.808 g/mL和 34.97 mL（t=3.16、3.90、3.92和3.98，均P＜0.01）。但是，线性回归显示两者之间的各参数存在着很好的相关性（图6）：SUVmax的相关系数r=0.8218（95%可信区间：0.7186～0.8895），y=1.0804x-2.7765；SUVmean的相关系数r=0.8390（95%可 信区 间 ：0.7444～0.9005），y=1.0601x-1.679；SULpeak的相关性系数r=0.8171（95%可信区间：0.7116～0.8865），y=0.9736x-1.5318。半定量符合线路和PET的MTV测量值也存在着很好的相关性，r=0.8791（95% 可 信 区 间 ：0.8056～0.9260），y=1.2021x+20.037。观察SUVmean与MTV设定不同阈值时与PET的相关性，研究证明阈值在30%～50%的范围内变化时，SUVmean均与PET有很好的相关性（r=0.8315～0.8413）；当 MTV 的勾画阈值在SUV2.8～4.0之间变化时，均与PET有较好的相关性，但是当阈值取3.0时，相关性最好（r=0.8801）（表1）。

图4 食管癌患者（男性，65岁）的传统符合线路SPECT/CT（A）、半定量符合线路（B）和PET/CT（C）显像图 图中，A中未见高代谢淋巴结，但在B、C的心脏附近有1枚高代谢淋巴结。SPECT/CT：单光子发射计算机体层摄影术；半定量符合线路：校正后半定量符合线路SPECT/CT；PET/CT：正电子发射断层显像计算机体层摄影术。Fig.4 The comparison of traditional Co-SPECT/CT (A),semi-quantitative Co-SPECT/CT (B) and PET/CT (C) images for a male patient with esophagus cancer

图5 肺腺癌患者（男性，62岁）的传统符合线路SPECT/CT（A）、半定量符合线路（B）和PET/CT（C）显像图 图中，B的分辨率和对比度均高于A，接近C的图像质量。SPECT/CT：单光子发射计算机体层摄影术；半定量符合线路：校正后半定量符合线路SPECT/CT；PET/CT：正电子发射断层显像计算机体层摄影术。Fig.5 The comparison of traditional Co-SPECT/CT (A),semi-quantitative Co-SPECT/CT (B) and PET/CT (C) images for a male patient with pulmonary adenocarcinoma

图6 半定量符合线路与PET/CT的半定量参数间的相关性分析 图中，线性回归显示两者之间的各参数存在着很好的相关性。PET：正电子发射断层显像术；SUVmax：最大标准化摄取值；SUVmean：平均标准化摄取值；SULpeak：瘦体质量标准化摄取值；MTV：肿瘤代谢体积。Fig.6 Linear regression for SUVmax,SUVmean,SULpeak and MTV obtained from semi-quantitative Co-SPECT/CT and compared to those of PET/CT

表1 半定量SPECT设定不同阈值的SUVmean和MTV与PET相关性分析Table 1 Linear regression for SUVmean and MTV obtained from semi-quantitative Co-SPECT with different thresholds to those of PET

3 讨论

在本研究中，我们对符合线路SPECT图像进行了物理校正，得到半定量符合线路图像，不仅提高了图像质量，获得了更高的图像分辨率和对比度，而且能进行半定量分析。在NEMA模型研究中，经过校正的半定量符合线路图像可以显示更小的球体（直径 22 mm），而传统符合线路SPECT/CT仅能显示直径≥28 mm的球体。半定量符合线路图像对比度也高于传统符合线路图像，球体与本底的对比更为明显，显示更为清晰。半定量符合线路的另一优点是可以进行半定量分析，得到SUV、MTV等半定量参数。在患者研究中，我们以PET/CT作为标准，验证半定量符合线路各参数的准确性。研究结果证实，虽然半定量符合线路的参数SUVmax、SUVmean、SULpeak和MTV与PET各相关参数间存在差异，但是两者具有很好的相关性（r=0.8171～0.8791）。改变SUVmean的设定阈值，调整在SUVmax的30%～50%之间时，并不能影响其与PET/CT的相关性 (r=0.8315～0.8413)。对MTV的勾画阈值进行调整，结果发现当SUV=3.0为勾画阈值时，相关性最好(r=0.8801)，但采用其他阈值（2.8～4.0），也不会影响其相关性(r=0.8103～0.8779)。由此可以认为，即使更改阈值，半定量符合线路对SUVmean与MTV的测量仍然可以保持较好的稳定性。

在临床工作中，传统符合线路SPECT/CT检查通常使用系统自带软件对图像进行重建，受到低图像分辨率和对比度的限制，很可能漏诊小的肿瘤病灶，从而造成误诊。在本研究中，传统符合线路图像没有遗漏主病灶，但是遗漏了4处转移灶。图4显示了食管癌患者在心脏附近的一个高代谢纵隔淋巴结，在传统符合线路图像中，该病灶并未显示，而在校正后的半定量符合线路图像和PET图像中，该病灶的显示都很清楚。由此可见，对传统符合线路SPECT/CT进行校正，可以有效改善图像质量，提高诊断肿瘤的灵敏度，避免漏诊、误诊，使其可以发挥与PET/CT显像相当的作用。

众所周知，受到硬件设备的限制，传统符合线路SPECT/CT的图像质量较差，在计数率及空间分辨率方面均无法与PET/CT相比[18-22]。本研究结果表明这种硬件上的差异可以通过软件的物理校正来弥补。以PET/CT作为标准来评价校正后半定量符合线路的研究非常少[23]。鉴于传统符合线路SPECT/CT在我国很多地区仍然作为重要的肿瘤显像检查，我们的研究结果证明通过软件进行校正，在改善图像质量的同时可以使其能够进行半定量分析、提供半定量参数，发挥与PET/CT相类似的作用。

本研究中，为了避免患者2次注射18F-FDG，我们采用了1次注射、先后显影的方案，即注射显像剂后，先采集符合线路图像，随后立即进行PET/CT显像。由于符合线路采集时间通常是40 min，加上患者上、下检查床时间，就造成了PET/CT图像采集时间要晚于正常PET/CT采集至少50 min。采集时间延后必然会影响PET/CT各半定量指标，从而影响到与半定量符合线路各指标的相关性。但即便如此，我们的研究结果显示半定量符合线路SPECT/CT与PET/CT各半定量指标之间仍然又很好的相关性，这说明其具有重要的临床价值。