兩種圖像重建算法對實(shí)驗(yàn)?zāi)[瘤模型的18 F-脫氧葡萄糖PET/CT定量結(jié)果的影響

劉平安，萬良榮，黃鋼，孫曉光，馬玉波

（1.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科，上海200011；2.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科，上海200001）

兩種圖像重建算法對實(shí)驗(yàn)?zāi)[瘤模型的18F-脫氧葡萄糖PET/CT定量結(jié)果的影響

劉平安1，萬良榮2，黃鋼2，孫曉光2，馬玉波1

（1.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科，上海200011；2.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科，上海200001）

目的：比較不同圖像重建算法對試驗(yàn)動(dòng)物腫瘤的18F-脫氧葡萄糖（FDG）PET定量分析的影響。方法選用5只新西蘭大白兔，于前肢種植VX2瘤，分別進(jìn)行18F-FDG PET動(dòng)態(tài)顯像，獲得腫瘤的動(dòng)態(tài)圖像，利用濾波反投影法（filtered backprojection method，F(xiàn)BP）及有序子集最大期望值法（ordered-subset expectation maximization algorithm，OSEM）進(jìn)行圖像重建，計(jì)算并比較腫瘤的Ki值和SUVmax。結(jié)果FBP法重建圖像的噪聲較OSEM法高，兩種算法重建的圖像定量計(jì)算的參數(shù)Ki與SUVmax均高度相關(guān)（r≥0.95），但是OSEM法重建圖像計(jì)算的Ki和SUVmax（Ki：0.03 ±0.013；SUV：4.89±1.69）明顯高于FBP法重建圖像的計(jì)算值（Ki：0.025±0.011；SUV：4.14±1.42），P均＜0.05。結(jié)論：不同重建算法對18F-FDG PET定量分析的結(jié)果不同。在相同條件下，OSEM重建圖像計(jì)算的定量參數(shù)明顯高于采用FBP重建算法計(jì)算的定量參數(shù)。

體層攝影術(shù)；發(fā)射型計(jì)算機(jī)；脫氧葡萄糖；圖像重建

18F-脫氧葡萄糖（FDG）PET廣泛應(yīng)用于腫瘤的診斷和療效的評價(jià)，對腫瘤代謝分析最好的方法是進(jìn)行定量研究，通常是利用半定量參數(shù)SUV和通過動(dòng)力學(xué)參數(shù)定量來區(qū)分腫瘤代謝的差異［1］。PET圖像重建主要采用濾波反投影方法（filtered backprojection method，F(xiàn)BP），但是生成的圖像噪聲大，圖像質(zhì)量差。近年來有序子集最大期望值法（ordered-subset expectation maximization algorithm，OSEM）由于可以獲得良好信噪比的圖像而在PET及PET/CT圖像重建中廣泛應(yīng)用［2］。但兩種重建的方法對定量分析的影響尚需要進(jìn)行評估，本研究采用實(shí)驗(yàn)兔VX2腫瘤進(jìn)行FDG動(dòng)態(tài)顯像比較兩種重建算法對腫瘤定量分析的影響。

1 材料和方法

1.1 動(dòng)物模型

選用普通級(jí)雄性新西蘭大白兔5只，體質(zhì)量2.01～2.5 kg（購自中科院試驗(yàn)動(dòng)物中心），荷VX2瘤種兔由上海交通大學(xué)附屬第一人民醫(yī)院張貴祥教授惠贈(zèng)。所有VX2供體和受體新西蘭大白兔均采用1%戊巴比妥鈉（3 ml/L）靜脈麻醉。先在無菌條件下剝離種兔后腿肌肉內(nèi)VX2實(shí)體瘤，生理鹽水沖洗后，取瘤體邊緣生長旺盛的魚肉樣組織，約3mm×5mm，種植于受體兔的右側(cè)前肢肌肉內(nèi)，縫合肌肉和皮膚。約2周后，腫瘤生長直徑＞2 cm用于顯像試驗(yàn)。

1.2 動(dòng)物準(zhǔn)備

顯像前所有動(dòng)物均禁食4 h以上。采用速眠新Ⅱ（軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院軍事獸醫(yī)研究所產(chǎn)品）肌肉注射麻醉，然后行股動(dòng)脈穿刺手術(shù)，股動(dòng)脈留置導(dǎo)管進(jìn)行動(dòng)脈采血，在耳緣靜脈穿刺建立靜脈通道進(jìn)行18F-FDG注射。18F-FDG為上海安盛科興公司產(chǎn)品，放射化學(xué)純度＞90%。

1.3 采血及血液樣品處理

在注射FDG前，抽取血液樣品檢測血糖濃度。經(jīng)耳緣靜脈彈丸式注射18F-FDG（26.4～65.8 MBq），注射藥物同時(shí)開始血液樣品采集，采集序列為0.25，0.5，0.75，1，1.25，1.5，1.75，2，5，10，15，30，45，60min，每次約0.5mL，采集后立即分離血漿，采用γ計(jì)數(shù)器測量放射性活度，所有血漿放射性計(jì)數(shù)均進(jìn)行衰減校正并采用圓柱形（圓柱內(nèi)徑21.6 cm，圓柱內(nèi)高18.6 cm，圓柱壁厚3.2 mm）模型進(jìn)行γ計(jì)數(shù)器和PET計(jì)數(shù)效率校正。

1.4 動(dòng)態(tài)PET顯像

采用美國GE公司DISCOERY LSPET/CT顯像儀。先進(jìn)行CT采集，掃描參數(shù)：電壓120 kV，電流140 mA，螺距5.0 mm，球管單圈旋轉(zhuǎn)時(shí)間0.8 s，層厚5.0 mm。CT掃描數(shù)據(jù)用于圖像衰減校正。顯像采用2D模式，采集過程中圖像均進(jìn)行隨機(jī)、散射、死時(shí)間和衰減校正。在FDG注射同時(shí)進(jìn)行PET采集過程：動(dòng)態(tài)PET采集持續(xù)60 min，采集的幀時(shí)間和數(shù)量為6×5 s，6×10 s，3×20 s，5×30 s，5×60 s，8×150 s和6×300 s。

1.5 圖像重建

采用OSEM算法和FBP算法分別對PET采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建，獲得橫斷面圖像，圖像矩陣均為128×128。其中OSEM算法參數(shù)選用子集個(gè)數(shù)為28個(gè)，迭代次數(shù)為2次。

1.6 參數(shù)計(jì)算

Ki值計(jì)算：采用FDG定量分析三室模型進(jìn)行Patlak分析計(jì)算Ki［3-4］。在兩種方法重建的圖像中，分別在動(dòng)態(tài)顯像后期腫瘤顯影清晰的同一斷層圖像上，勾畫感興趣區(qū)（ROI），復(fù)制ROI，拷貝到同一斷層的其他幀。每例研究對象在不同斷層勾畫3個(gè)ROI。獲得組織攝取ROI曲線及數(shù)據(jù)資料。將每例3組ROI曲線數(shù)據(jù)取平均值用于參數(shù)計(jì)算。取得腫瘤攝取FDG動(dòng)態(tài)曲線并與取得的血漿輸入曲線進(jìn)行Ki值計(jì)算。標(biāo)準(zhǔn)攝取值（SUV）采用動(dòng)態(tài)顯像最后一幀圖像（60 min）的ROI進(jìn)行計(jì)算，采用體質(zhì)量校正的SUV算法［5］公式：

1.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用SPSS 10.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用雙尾配對t檢驗(yàn)，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 OSEM和FBP算法重建圖像的比較

OSEM和FBP兩種算法均可重建實(shí)驗(yàn)?zāi)[瘤的橫斷面圖像（圖1）。從重建圖像可見FBP重建的圖像有明顯的噪聲和放射狀偽影，而OSEM重建的圖像信噪比高，圖像清晰。

圖1 兩種算法重建的腫瘤橫斷面圖像

2.2 OSEM和FBP重建動(dòng)態(tài)圖像曲線比值的時(shí)間分布

見圖2，結(jié)果表明在VX2腫瘤組織動(dòng)態(tài)攝取FDG過程中，在30 s內(nèi)，OSEM計(jì)算的ROI值低于FBP算法（比值低于1），40～90 s之間兩者計(jì)算的ROI值基本一致（比值接近1），2 min后OSEM算法計(jì)算的腫瘤攝取值高于FBP算法（比值＞1），并呈現(xiàn)緩慢上升趨勢。

圖2 OSEM和FBP重建動(dòng)態(tài)圖像曲線比值的時(shí)間分布

2.3 兩種重建方法對動(dòng)態(tài)腫瘤顯像定量分析的影響

將兩種算法重建圖像的ROI數(shù)據(jù)使用Patlak方法計(jì)算估計(jì)參數(shù)Ki，結(jié)果顯示采用OSEM算法重建的圖像Ki值與FBP算法重建圖像Ki值高度相關(guān)（r=0.97），但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)OSEM算法重建的圖像Ki顯著高于FBP算法（t=2.986，P＜0.05），見表1。

2.4 兩種重建方法對腫瘤靜態(tài)圖像定量分析的影響

將動(dòng)態(tài)采集60 min時(shí)的圖像經(jīng)2種方法重建，計(jì)算SUVmax值，結(jié)果表明兩種算法計(jì)算的注射后60 min的SUVmax也存在顯著差異，OSEM算法重建的圖像SUVmax值明顯高于FBP算法重建圖像（t=2.938，P＜0.05）。相關(guān)性分析表明兩種重建算法呈高度相關(guān)（r=0.95），見表1。

表1 兩種重建方法計(jì)算的參數(shù)K i及SUVmax比較

3 討論

18F-FDG PET廣泛用于腫瘤的檢測和診斷。但是FDG不是腫瘤組織的特異性示蹤劑，良性病灶也可以攝取濃聚FDG，為了鑒別良惡性病灶，以及對于腫瘤治療前后的評估，都需要進(jìn)行定量測量［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計(jì)算方便而廣泛應(yīng)用［7］。早期PET圖像重建主要采用FBP法，其缺點(diǎn)是圖像噪聲明顯，且不適合3D重建［2］。而迭代算法重建圖像質(zhì)量好，信噪比高，逐漸成為PET重建的首選算法。尤其在腫瘤顯像中，OSEM算法重建的圖像噪聲低于FBP重建圖像，由于OSEM算法產(chǎn)生的噪聲與放射性活度有關(guān)，活度越高噪聲越大，活度低則噪聲低，因而比FBP重建圖像有更好的信噪比（signal-tonoise ratio，S/N），對圖像更容易解釋［8］。

VX2瘤株是由Shope病毒誘發(fā)出的兔惡性乳頭狀瘤發(fā)展而成的兔鱗狀細(xì)胞癌，經(jīng)72次傳代培養(yǎng)建立的可在兔體內(nèi)種植的腫瘤細(xì)胞株，具有種植成活率高、生物學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、生長迅速、易轉(zhuǎn)移、血供豐富等特點(diǎn)。其形態(tài)學(xué)和生物學(xué)特性與人類癌瘤相似，廣泛用于腫瘤的影像學(xué)和介入放射學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究。VX2瘤株可種植于肝、腎、肌肉、骨、膀胱、子宮、肺等部位，建立相應(yīng)的原位腫瘤動(dòng)物模型。因此，對常規(guī)臨床應(yīng)用的診斷儀器而言，兔VX2腫瘤模型是進(jìn)行大體研究的最好材料。已經(jīng)有多個(gè)采用VX2腫瘤進(jìn)行FDG PET的顯像研究［9-11］。

本研究通過新西蘭大白兔腫瘤模型進(jìn)行FDG PET顯像，結(jié)果顯示，兩種重建算法均能重建橫斷面圖像，F(xiàn)BP重建的圖像明顯存在放射狀偽影，而OSEM重建的圖像信噪比高。對腫瘤的動(dòng)態(tài)顯像數(shù)據(jù)分析表明，在0～60 min動(dòng)態(tài)采集過程中，采集早期（30 s內(nèi)）OSEM計(jì)算的ROI值低于FBP算法（比值低于1），在短暫的40～90 s之間兩者計(jì)算的ROI值基本一致（比值接近1），2 min后OSEM算法計(jì)算的腫瘤攝取值高于FBP算法（比值＞1），并呈現(xiàn)緩慢上升趨勢。通過Patlak方法計(jì)算Ki值，結(jié)果顯示采用OSEM算法重建的圖像Ki值與FBP算法重建圖像Ki值高度相關(guān)（r=0.97），但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)OSEM算法重建的圖像Ki顯著高于FBP算法（P＜0.05）。該結(jié)果和其他采用腦及模型定量分析研究的結(jié)果一致［12］，這可能與OSEM重建算法對動(dòng)態(tài)顯像早期噪聲抑制、而顯像終末期腫瘤攝取FDG增多導(dǎo)致放射性增加造成噪聲增加有關(guān)，亦可能是OSEM重建圖像分辨率提高造成的［8，12］。

將60 min時(shí)采集的圖像經(jīng)兩種方法重建，計(jì)算SUVmax值，結(jié)果表明兩種方法計(jì)算的SUVmax也存在顯著差異，OSEM算法重建的圖像SUVmax值明顯高于FBP算法重建圖像的SUVmax值。相關(guān)性分析表明這兩種重建算法呈高度相關(guān)（r=0.95）。

基于上述結(jié)果可見，無論是動(dòng)態(tài)顯像還是靜態(tài)顯像，不同的重建方法對PET重建圖像的差別是顯著的。對不同研究結(jié)果進(jìn)行比較時(shí)，應(yīng)區(qū)分其重建方法的異同，否則對不同采集和重建條件下的研究進(jìn)行比較是無意義的。如在區(qū)分良惡性病灶的SUV域值的設(shè)定時(shí)，通常認(rèn)為SUV區(qū)別良惡性的域值為2.5［13-15］，但是此值是基于FBP的重建算法得出的，而目前多數(shù)PET均采用OSEM重建圖像，因此采用這個(gè)域值是不合適的［16］。

綜上所述，OSEM法和FBP算法對腫瘤組織的定量參數(shù)計(jì)算是有影響的。對同一腫瘤組織，OSEM法計(jì)算的腫瘤攝取的放射性濃度定量指標(biāo)高于FBP算法，從而造成絕對定量分析參數(shù)Ki和半定量SUV高于FBP算法。在不同的研究結(jié)果對比分析中應(yīng)注意圖像重建方法的異同，避免錯(cuò)誤的結(jié)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 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］ A ［文章編號(hào)］ 1671-7783（2015）03-0217-04

10.13312/j.issn.1671-7783.y150016

劉平安（1971—），男，河南平頂山人，主治醫(yī)師，博士，主要從事腫瘤核醫(yī)學(xué)研究。

2015-01-28 ［編輯］ 何承志