重建方法对Neuwise PET/CT 18F-FDG全身显像图像质量及SUV的影响

牟兴宇，秦洋洋，李明，崇维霞，卢彦祺，付巍

1.桂林医学院附属医院 核医学科，广西 桂林 541000；2.东软医疗系统股份有限公司，辽宁 沈阳 110000

引言

近年来医学影像学已从以解剖结构为主的影像学发展到以解剖结构为基础的功能、代谢影像，可使人们对疾病有更进一步、深入的认知。因此，正电子计算机发射断层扫描（Positron Emission Tomography/Computed Tomography，PET/CT）相关设备得到了快速发展，并已广泛应用于临床研究。2002年我国安装并投入使用了第一台PET/CT，随着临床需求的增多，PET/CT的应用越来越广泛，目前临床上应用的PET/CT设备主要来自德国Siemens、荷兰Philips以及美国GE三大国外公司。随着国内自主品牌近年来的发展，已经有国产设备厂商研制出PET/CT并投入临床使用，如东软、联影、明峰等。

国产设备问世时间较短，国内装机量较少，既往研究[1]主要集中在与进口设备的对比研究，如评估二者图像质量、半定量参数、后处理设备间有无差异，而对机器内置重建方法的研究较少，导致推荐的重建方法差异较大，目前无统一标准作为指导。点扩散函数（Point Spread Function，PSF）及稀疏化正则化算法具有提高图像的信噪比、空间分辨率并减少失真，以及抑制图像噪声的作用[2-5]，常作为不同重建方法内置于设备内。随着国产PET/CT装机量的日益增多，需明确不同重建方法对图像质量及标准化摄取值（Standardized Uptake Value，SUV）的具体影响以指导临床获得更清晰的PET/CT 图像及准确的SUV。本研究旨在对比Neuwise PET/CT 内不同重建方法对PET/CT 图像质量及SUV的影响。

1 材料与方法

1.1 临床资料

回顾性收集2019年10月至2020年6月年于我科行18F-FDG 全身PET/CT检查的32名患者，男12例、女20例，平均年龄（47.45±12.93）岁，范围24～69岁，体质量指数（Body Mass Index，BMI）为（23.84±3.12）kg/m2，范围17.48～29.32 kg/m2。同时告知患者采集过程中只行一次低剂量CT扫描，不会额外增加辐射剂量。本研究经我院伦理委员会批准（伦审第QX2019001号），患者均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法

采用中国东软医疗公司Neuwise PET/CT仪器进行显像，机架孔径72 cm，轴向视野223.7 mm，PET探测器环数56，CT扫描层数64层；PET探头为LYSO晶体，能窗为435～650 keV。

18F-FDG由GE公司 PET Trace型回旋加速器及FDG合成模块生产（放化纯＞99%）。

检查前禁食6 h，血糖水平处于正常范围（＜11.0 mmol/L），静脉注射前首先建立静脉通道，然后于肘静脉处按体重推注18F-FDG 2.96～4.44 MBq/kg，药物注射后安静休息60 min左右，休息室尽量避光、安静，后使用东软Neuwise PET/CT进行全身扫描，扫描范围自颅底至大腿中部，制定PET数据采集，采集时间分别为120 s/床位。模体采集范围为1床位，时长5 min。

CT扫描参数：常规全身扫描类型为螺旋扫描，120 kV，200 mAs，图像间隔1.875 mm。

1.3 图像重建及处理

基于有序子集最大期望值法进行图像重建，所采用重建矩阵256×256，迭代次数为3次，子集数为21，放大倍数为1.0。

最大后验重建算法（Maximum A Posteriori，MAP）是基于稀疏正则化原理的算法[2]，PSF是基于点扩散函数原理的算法[6]。模体及所有患者的图像均采用东软PET/CT图像处理工作站飞行时间（Time of Flight，TOF）法、TOF+MAP、TOF+PSF、TOF+PSF+MAP 4种方法进行重建。

1.4 图像评价

模体PET图像质量参考NEMA NU 2-2012图像质量（Image Quality，IQ）测试标准[7]，采用对比百分比（Percent Contrast，PC）和背景噪声百分比（Percent Background Variability，PBV）进行评估，分别反映小病灶SUV恢复能力和本底噪声水平。

IQ测试结果通过NeuWise PET/CT系统测试的方式自动输出。客观评分参考Zhang等[8]的研究由两名经验丰富的核医学科医生进行感兴趣区（Region of Interest，ROI）勾画，采用纵隔血池和肝脏SUVmean、SUV±SD及病灶SUVmax、SUVmean参数对图像进行评估，其中病灶SUVmax、SUVmean选择病灶多层面中面积最大的截面并人工手动勾画ROI得到，多病灶患者选择其最小可测量病灶进行测量，并记录病灶SUVmean、SUVmax及病灶直径，纵隔血池及肝脏SUVmean、SUV±SD由重建所得PET图像于肝右叶避开肝门和纵隔大血管区域选取摄取均匀的直径2 cm的ROI，由计算机计算SUVmean、SUVSD得出。最后对上述SUV结果进行一致性评估。

1.5 统计学分析

采用IBM SPSS 25.0软件进行统计学分析。数据符合正态分布，样本间比较采用配对t检验。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 不同重建方式对模体PET质量的影响

2.1.1 模体及显像方法

模体使用NEMA NU 2-2012标准Section 7中图像质量测试模体[7]。图像质量测试模体的横断面图解如图1所示。

图1 图像质量测试模体的横断面图解

测试使用的示踪剂为18F-FDG，其中本底注射药物活性浓度为5.3 kBq/cm3，4个直径分别为10、13、17、22 mm的小球（热区）填充4倍活性浓度的FDG，而2个直径分别为28和37 mm的小球（冷区）用水填充。将图像质量模体放置于床板上，调整位置使模体中心轴与探测器中心轴一致。使用系统中的NEMA NU 2-2012 IQ测试协议采集，采集时间为5 min，数据处理及重建过程与临床协议一致。重建矩阵为256×256，重建方法分别使用TOF、TOF+MAP、TOF+PSF及TOF+MAP+PSF，重建中心为（0,0），扫描视野为700 mm。

2.1.2 测试方法

对热区4个小球进行PC测试，对全部6个小球进行PBV测试。PC表示不同直径的球形病灶测量值SUVmean与真实病灶接近程度的百分比，越接近100%越说明小病灶SUV恢复能力越好。PBV表示背景噪声百分比，PBV能够直接反映图像噪声水平和IQ图像背景的一致性，PBV越小说明图像噪声越小，图像背景的一致性越好。如图2所示，在TOF基础上添加PSF会导致不同尺寸微球的PC升高，从而使其微球SUV恢复能力提升，但其对图像噪声的抑制程度不足；而MAP重建方法会导致PC在基础值上降低，从而使病灶SUV恢复能力下降，但对图像噪声的抑制较明显；同时添加PSF及MAP两种重建方法会使微球SUV恢复能力提升的同时，使PET图像噪声得到较好的抑制。不同重建方法图像质量的PC、PBV测试结果如图3～4所示。

图2 模体不同重建方法图解

图3 不同重建方法图像质量的PC测试结果

图4 不同重建方法图像质量的PBV测试结果

2.2 不同重建方法对18F-FDG PET/CT图像质量及SUV的影响

两名经验丰富核医学科医生勾画ROI结果的kendall W值为0.963～0.994，证明两位医生勾画结果较为一致。

四种重建方法得到的图像如图5所示。四种重建方法所得图像均可进行图像判读。TOF及TOF+PSF图像本底噪声较高，而TOF+MAP及TOF+MAP+PSF图像本底噪声下降。该结果与模体图像评估结果相似。四种重建方法对小病灶进行SUV测量如图6所示。

图5 不同重建方法得到的患者重建图像

图6 四种重建方法对小病灶进行SUV测量

4种重建方法所得病灶SUVmax、SUVmean、肝脏SUVmean、肝脏SUVSD、血池SUVmean、血池SUVSD的数值如表1所示。

表1 四种重建方法所得病灶相关SUV数值（±s）

表1 四种重建方法所得病灶相关SUV数值（±s）

指标 TOF TOF+PSFTOF+MAP TOF+PSF+MAP病灶SUVmax 9.85±1.15 10.89±1.30 8.53±1.12 8.65±1.23病灶SUVmean 4.63±0.51 4.75±0.52 4.42±0.50 4.37±0.52肝脏SUVmean 0.44±0.02 0.42±0.02 0.18±0.02 0.15±0.01血池SUVmean 2.12±0.08 2.12±0.08 2.15±0.08 2.08±0.08肝脏SUVSD 0.32±0.01 0.31±0.02 0.13±0.01 0.13±0.01 1.64±0.05 1.64±0.06 1.68±0.05 1.62±0.06血池SUVSD

在病灶方面，病灶数量为32个，平均病灶ROI面积为5 cm2，最小病灶ROI面积为0.66 cm2，最大病灶ROI面积为16.47 cm2。SUVmax四种重建方法所得结果差距较大，TOF+PSF的重建方法所得SUVmax较高，TOF次之，与TOF+PSF比较接近，其余两种重建方法所得病灶SUVmax差距不大。除TOF+MAP与TOF+MAP+PSF所得SUVmax以外（t=-0.52，P=0.60），其余四种重建方法间比较差异均有统计学意义（t=-9.01～9.52，P＜0.05）。病灶SUVmean方面，四种重建方法比较结果与SUVmax相同，除TOF+MAP与TOF+MAP+PSF所得SUVmean（t=0.89，P=0.39）以外差异均有统计学意义（t=-5.54～9.32，P＜0.05）。

在肝脏SUV方面，四种方法测得的SUVmean相似，四种重建方法间比较，差异均有统计学意义。（t=-2.5～4.3，P＜0.05）。肝脏SUVSD方面，TOF与TOF+PSF所得结果大致相近，TOF+MAP与TOF+MAP+PSF所得结果大致相似，其中除TOF+MAP与TOF+MAP+PSF两种重建方法（t=0.92，P=0.36）外，其余重建方法间比较差异均有统计学意义（t=-7.12～12.56，P＜0.05）。

在纵隔血池SUV方面，四种方法测得的SUVmean相似。四种重建方法间比较，TOF与TOF+PSF、TOF与TOF+MAP+PSF、TOF+PSF与 TOF+MAP+PSF间 比 较差异无统计学意义（t=0.21～0.67，P=0.51～0.83），其余重建方法间比较差异均有统计学意义（t=-2.89～3.90，P＜0.05）。纵隔血池 SUVSD方面，TOF与 TOF+PSF所得结果大致相近，TOF+MAP与TOF+MAP+PSF所得结果大致相似，其中除TOF与TOF+PSF、TOF+MAP与TOF+MAP+PSF重建方法间无统计学差异（t=0.88～1.16，P=0.25～0.39）外，其余重建方法间差异均有统计学意义（t=-13.78～13.85，P＜0.05）。

3 讨论与总结

近年来随着国产器械厂商的快速发展，国产PET/CT已广泛应用于临床，但不同厂商的设备其内置重建算法有一定差异，目前暂无相关研究评估其差异，为明确Neuwise PET/CT内不同重建方法对图像质量及SUV的影响，本研究通过模体和人体的18F-FDG PET/CT，评估图像质量及SUV的变化。

PET主要有两种重建方法：滤波反投影法及迭代法，因通过滤波反投影法重建的图像会出现条状或纺锤状影，导致图像质量及均匀度较差，因此临床通常不使用；迭代法为目前临床常用的重建算法，其中基于迭代法而研发的有序子集最大期望值迭代法（Ordered Subsets Expectation Maximum，OSEM）最为常用[6,9-11]。另有研究表明[12]，重建算法会影响图像空间分辨率及噪声[13]，进而影响图像质量。Neuwise PET/CT基于OSEM添加了不同方法如TOF、PSF及MAP算法，其中PSF为基于点扩散函数开发的方法，MAP为基于稀疏正则化算法开发的算法。

PSF被证实可提高图像的信噪比、空间分辨率并减少失真，被较多设备厂商添加至图像重建过程中。辛军等[11]研究表明，将PSF技术运用于临床中，可在提高图像视野边缘的空间分辨率、病灶检出率及灵敏度方面有改善作用。本研究显示在模体图像质量方面，仅添加TOF的重建方式所得图像可见较多本底噪声，并且图像SUV值恢复能力较差，而通过添加PSF重建方法后图像SUV恢复能力提升，更接近真实值，同时对图像噪声可轻度抑制。在病灶SUVmax、SUVmean方面，添加PSF重建方法后其较之前有一定提升，图像质量方面图像噪声得到轻度抑制，这是由于PSF重建方法使SUV恢复能力提升所致，并与其他研究结果一致[11]。在肝脏及血池SUVmean、SUVSD方面，SUVSD通过添加PSF技术后其数值较TOF组轻度下降，且组间比较有统计学差异，表示在引入PSF技术后，可轻度改善肝脏及纵隔血池的离散度从而使图像均匀度提升，而在肝脏及血池SUVmean方面添加PSF重建方法对其影响不大，这与解小芬等[3]的研究结果相似。

MAP作为基于稀疏化正则计算开发的算法，研究表明其抑制了图像噪声、提高了图像质量[2,5]。本研究模体图像质量方面，MAP对图像噪声抑制较明显，可使图像背景一致性较好，这与Tong等[14]的研究结果相似。临床图像质量方面，陶端等[15]和童基均等[16]的研究对是否添加该算法进行了比较，而未比较MAP与PSF分别对图像质量影响的差异，本研究引入MAP算法后图像噪声较TOF算法明显下降，且下降程度较引入PSF算法更加明显，但对病灶的显示效果不如引入PSF算法；在病灶SUVmax及SUVmean两方面，引入MAP算法也导致了其数值下降，这是由于MAP使病灶SUV恢复程度下降。肝SUVSD作为临床常用的参数之一，主要代表了ROI区域离散度，间接反映了肝脏的图像均匀程度。在肝脏及血池SUVSD、SUVmean方面，MAP算法明显降低了病灶与肝脏的对比度及肝脏的离散度，从而使图像均匀度提升，噪声明显减低，图像背景的一致性较好。

以TOF作为基础同时引入PSF及MAP算法后，二者可以同时发挥其优势，在模体及临床图像两方面使图像质量较单独引入PSF或MAP算法得到改善，使病灶SUV值恢复程度更好，更接近真实值的同时显著降低了病灶与肝脏的对比度及肝脏的离散度，进一步提升图像的均匀度，降低本底噪声，而未对图像质量产生其他影响。在肝脏和纵隔血池SUVSD方面，TOF与TOF+PSF比较、TOF+MAP与TOF+MAP+PSF比较，其数值差异均不大，无统计学意义。证明PSF算法在肝脏及纵隔血池的对比度、纵隔血池及肝脏离散度方面的作用没有MAP算法明显。

本研究通过Neuwise PET/CT的不同算法获得模体及临床图像的结果表明，PSF算法在轻度抑制图像噪声的同时可较明显地提升病灶SUVmax，使其恢复能力提升，更接近真实值。MAP算法会明显降低病灶与肝脏的对比度及肝脏的离散度，从而使图像均匀度提升，噪声明显减低，图像背景的一致性较好。二者联合应用既可使病灶SUV恢复能力提升，同时可降低图像本底噪声，降低图像离散度，从而使图像更为均匀。因此在使用东软Neuwise PET/CT进行图像采集时，建议在重建方法选择方面，应在TOF基础上同时添加PSF及MAP两种重建算法以获得高质量的图像及更接近真实值的SUV。

本研究不足之处：以迭代法加TOF技术为基础，本研究入组患者平均BMI为23.84 kg/m2，未对TOF技术对BMI不同患者SUV进行分析。王娇等[17]的研究表明TOF技术可提高质量较大（BMI＞25 kg/m2）受检者病灶的SUV，同时在重建参数方面仅使用默认推荐的参数，该参数更适合临床应用，因此在模体实验方面可能不是最优解。重建参数如重建矩阵、迭代次数、子集数的进一步优化可能会提高模体图像质量及改变SUV。上述不足之处将会在以后的研究中进一步探讨。