不同重建矩阵对18F-FDG PET 图像质量和SUV 值的影响

徐 磊，孟庆乐，杨 瑞，钱鑫宇，管梓松，李如帅，毛 舟，蒋红兵

（1.南京医科大学附属南京医院（南京市第一医院）核医学科，南京210006；2.南京医科大学附属南京医院（南京市第一医院）医疗设备处，南京210006；3.南京市急救中心，南京210003）

0 引言

PET/CT 对恶性肿瘤的早期诊断、临床分期和预后评价至关重要[1-3]。高质量PET 图像是精确诊断疾病的前提，而PET 图像受多种因素影响，其中重建算法、患者体格、注射剂量、采集时间和滤波方法对PET 图像质量影响的研究已有报道[4-7]。矩阵大小是图像重建的重要参数，其对PET 图像质量影响鲜有报道，主要由于各家单位采用PET/CT 机型不同，各厂家推荐的采集和重建参数设置差异较大，暂无法形成统一的指导标准。目前，国产PET/CT 装机量与日俱增，急需可供参考的采集和重建协议。本研究针对上海联影PET/CT uM780 机型，探究不同重建矩阵对PET 图像质量和标准摄取值（standard uptake value，SUV）的影响，以期获得高质量临床PET 图像。

1 材料与方法

1.1 体模和患者资料

体模实验采用符合美国国家电气制造商协会（National Electrical Manufacturers Association，NEMA）标准的模体，该模体内含10、13、17、22、28 和37 mm 6 个空心微球，本研究仅在10、13、17、22 mm 4 个微球内注入18F-FDG，模体腔体内放射性活度为5.31 kBq/ml，微球与腔体内放射性活度比值为4∶1[8]，构成图像热区与背景区域。临床实验选用2018 年5 月至2019 年6 月于我院核医学科行18F-FDG PET/CT 全身扫描的40 例患者的图像（共96 处病灶），其中男29 例、女11 例；年龄33～88 岁，平均年龄（66.35±12.47）岁；体质量43.8～90.0 kg，平均体质量（62.23±10.97）kg；身高1.356～1.800 m，平均身高（1.652±0.102）m。所有患者均经手术或活检明确病理，包括肺癌15 例、鼻咽癌2 例、甲状腺癌4 例、前列腺癌6 例、胃癌5 例、胰腺癌3 例、乳腺癌5 例。

1.2 图像采集与重建

患者检查前需禁食6 h 以上，常规血糖维持在4.5～6.5 mmol/L，18F-FDG 注射剂量为253.52～459.02（326.18±49.98）MBq，注射后60 min 行PET/CT 全身扫描。图像采集采用上海联影科技公司uM780 PET/CT，共包含101 920 块晶体，轴向视野30 cm，孔径70 cm。配备64 排128 层螺旋CT 提供衰减校正，CT参数：管电压120 kV，管电流100 mA，层厚3 mm，螺距0.5。模体采集范围为1 个床位，时长10 min。患者每床位采集时长2 min，床位重叠率为30%，重建矩阵分别为128×128、150×150、192×192、256×256、512×512 和600×600，PET 图像采用有序子集期望最大法（迭代2 次，子集数20）、飞行时间、点扩散函数和CT 衰减校正算法重建。

1.3 图像评价

模体PET 图像质量采用变异系数（coefficient of variation，CV）、对比度（contrast）和信噪比（signal-tonoise ratio，SNR）[9-11]进行评估，可由公式（1）～（3）计算得出：

其中，BGmean代表9 个直径为3 mm 的背景感兴趣区（region of interest，ROI）的平均放射性计数率，SDmean代表9 个背景ROI 放射性计数率标准差的平均值，Sigmax代表微球内计数率最大值。

临床PET 图像质量采用肝脏SUV 最大值（SUVmax）、SUV 平均值（SUVmean）、SUV 标准差（SUVSD）、变异系数（CVliver）和病灶SUVmax进行评估[12]，其中病灶SUVmax由工作站自动勾画获取，肝脏SUVmax、SUVmean、SUVSD由肝脏最大层面勾画3 个直径为3 mm 的ROI所得[12-13]。

1.4 统计学分析

模体PET 图像CV 值、对比度和信噪比与不同重建矩阵关系采用折线图分析，临床PET 图像肝脏SUVmax、SUVmean、SUVSD、CVliver和 病 灶SUVmax得 分 比较采用单因素方差分析。P＜0.05 为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 不同重建矩阵对模体PET 图像质量的影响

由图1 可以看出，随着重建矩阵尺寸增大，微球PET 图像清晰度和对比度有所提升，但图像噪点亦增加，重建矩阵为128×128 和150×150 时所得10 mm微球模糊不清。由图2 可以看出，6 种重建矩阵所得10 mm 微球对比度均低于其他3 种尺寸微球，其中，17 mm 微球对比度在重建矩阵为150×150、192×192、256×256 和600×600 时最高，且对于不同尺寸微球，不同重建矩阵所得对比度均呈波动趋势。除10 mm微球外，PET 图像信噪比随着重建矩阵尺寸增大呈先上升后下降趋势，且均在重建矩阵为192×192 时达到峰值。同时，6 种重建矩阵所得10 mm 微球信噪比均低于其他3 种尺寸微球。模体CV 值随着重建矩阵尺寸增大先减小后增大，最小值在150×150（3.54%）和192×192（3.57%）附近取得，最大值在600×600 处取得，取值范围为3.54%～8.85%，均小于参考临界值（10%）。

图1 不同重建矩阵对应的模体PET 图像

图2 不同重建矩阵和不同尺寸微球的对比度、信噪比及不同重建矩阵对应的CV 值

2.2 不同重建矩阵对临床PET 图像质量和SUV值影响

不同重建矩阵所得PET 图像中病灶均清晰可见，重建矩阵小于256×256 时，全身PET 图像、病灶横断层面和肝脏层面图像质量肉眼判读无明显差别。重建矩阵尺寸超过512×512 时，PET 图像清晰度逐渐减低，噪声明显增加，且病灶边缘开始模糊，如图3 所示。

不同重建矩阵对应的SUV 值比较结果见表1。由表1 可以看出：（1）病灶SUVmax平均值随重建矩阵尺寸的增大先增加后减小，取值范围为12.54～13.50，重建矩阵为256×256 时取得最大值，192×192 时次之，128×128 时最小，单因素方差分析显示6 组病灶SUVmax之间差异无统计学意义（P＞0.05）。（2）肝脏SUVmax平均值随重建矩阵尺寸同步变大，6 组肝脏SUVmax之间差异具有统计学意义（P＜0.05）。（3）肝脏SUVmean平均值取值范围为2.26～2.32，当重建矩阵小于256×256 时，肝脏SUVmean存在微小波动，当重建矩阵大于等于256×256 时，肝脏SUVmean稳定在2.31，不同重建矩阵所得SUVmean之间差异无统计学意义（P＞0.05）。（4）肝脏SUVSD随着重建矩阵尺寸增大而升高，6 组之间差异具有统计学意义（P＜0.05），当重建矩阵小于256×256 时增长幅度微弱，当重建矩阵大于256×256 时增长幅度较大。（5）肝脏CVliver值随着重建矩阵尺寸增加总体上呈上升趋势，CVliver最小值在150×150 时取得，6 组之间差异具有统计学意义（P＜0.05）。

3 讨论

PET 显像主要从分子水平对恶性肿瘤和良性病变进行定性鉴别诊断，而定量分析则依靠半定量评价指标SUV 值作为参考，目前国内外对18F-FDG PET/CT 显像研究多集中于临床诊断价值[14]，而对不同重建方法对PET 图像质量影响的研究不足。矩阵大小是图像重建的重要参数，不同重建矩阵大小对应的图像质量优劣不定。吴萍等[15]研究表明，美国通用电器公司生产的一体化PET/MRI 增大重建矩阵可提高模体PET 图像质量，且重建矩阵为192×192与256×256 时所得图像质量无显著差异，但矩阵大小对临床实际应用影响并未涉及。随着重建矩阵增大，计算机所耗内存加大，且注射剂量较低时重建矩阵较小，不利于微小病灶的呈现，容易出现误诊漏诊。本研究探讨重建矩阵对模体和临床实例PET 图像质量的影响，以期获得高质量的PET 图像。

图3 不同重建矩阵对应的全身、病灶层面和肝脏层面的18F-FDG PET 图像

表1 不同重建矩阵对应的病灶SUVmax 和肝脏SUVmean、SUVSD、CVliver值比较

模体PET 图像视觉分析显示，图像清晰度随重建矩阵增大而有所提升，但图像噪点亦随之增加，图像对比度肉眼分辨无差别。重建矩阵小于192×192 时，10 mm 微球模糊不清，且重建矩阵为192×192 和256×256 时，模体PET 图像总体上最佳。定量分析显示，随着重建矩阵变大，PET 图像对比度处于波动状态，其中10 mm 微球波动幅度最大，重建矩阵为128×128 和256×256 时对应的不同尺寸微球对比度均较高。同时模体PET 图像信噪比先升高后降低，重建矩阵小于192×192 时，图像像素点放射性计数存在溢出现象。重建矩阵大于192×192 时，图像像素点计数较低，噪点较多，图像信噪比逐渐下降，表明重建矩阵加大时需增加注射剂量或延长采集时间以增加放射性计数。模体CV 值表示图像灰度均匀度，用来评估图像背景的光滑程度。图像重建矩阵为150×150 和192×192 时模体CV 值最低，重建矩阵为128×128、256×256 和512×512 时模体CV 值大致相等，重建矩阵为600×600 时模体CV 值最高，表明重建矩阵150×150 和192×192 时图像质量最优。

6 种重建矩阵所得PET 临床实例图像中小病灶均清晰可见，且肝脏图像均匀度较佳，表明PET探测器性能优越。当重建矩阵过大时（600×600），图像噪点显著增加，清晰度显著下降。由定量分析可知，不同重建矩阵的病灶SUVmax浮动范围较小（12.54～13.50），无显著性差异（P＞0.05），其中最大值由重建矩阵256×256时取得，这表明过大或过小矩阵均不是最优选择。肝脏SUVmax随重建矩阵增大而变大，其离散程度也随之变大，标准差从0.49 增加到0.73，表明噪声水平随之升高。肝脏SUVmean随着重建矩阵增加变化微弱（2.26～2.32），重建矩阵为150×150 和192×192 时略微波动，其余4 种重建矩阵所得肝脏SUVmean大小均相等，表明不同重建矩阵大小对肝脏SUVmean影响较小，且在256×256 时开始稳定。肝脏SUVSD和CVliver值总体上随着重建矩阵增加而显著降低，且SUVSD和CVliver值均在重建矩阵大于256×256 时增幅较大。临床上常以CVliver值为10%作为参考标准，CV 值小于10%代表图像质量高。重建矩阵256×256 对应的CVliver值[（9.96±2.16）%]略低于10%，而512×512 对应的CVliver值[（13.12±2.68）%]显著高于10%，表明重建矩阵256×256 时即可满足临床诊断标准。

综合体模实验和临床实例验证，重建矩阵为256×256 时即可获得满足常规临床诊断需求的PET图像，这与厂家推荐的重建矩阵大小一致。重建矩阵为192×192 时可得更高质量的PET 图像，有利于鉴别微小病灶。本研究未考虑注射剂量对图像质量的影响，下一步将探讨重建矩阵与注射剂量间的相关性，以便持续获取高质量PET 图像。