不同濾波方法對腦部PET圖像質(zhì)量和SUV值的影響

徐磊，孟慶樂，楊瑞，錢鑫宇，周蕾蕾，蔣紅兵,2

1. 南京醫(yī)科大學附屬南京醫(yī)院（南京市第一醫(yī)院） a. 核醫(yī)學科；b. 醫(yī)療設(shè)備處，江蘇 南京 210006；2. 南京市衛(wèi)生信息中心，江蘇 南京 210003

引言

神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤（Neuroendocrine Neoplasms，NENs）是一組起源于肽能神經(jīng)元和神經(jīng)內(nèi)分泌細胞的異質(zhì)性顯著腫瘤，68Ga-DOTA-NOC PET/CT顯像已成為診斷NENs的重要手段[1-3]。高質(zhì)量PET圖像是精確診斷NENs的基礎(chǔ)，PET圖像質(zhì)量主要由注射劑量、病人體格、探測器性能、重建參數(shù)等因素決定[4-5]。在臨床工作環(huán)境中，病人體格和探測器性能是固定的，且一般商業(yè)配置的68Ga-DOTA-NOC劑量不易根據(jù)病人體重進行調(diào)整，此時調(diào)整重建參數(shù)可作為提高PET圖像分辨率的一個重要補償手段。

PET重建參數(shù)包括重建算法、迭代次數(shù)、子集數(shù)量、矩陣大小、濾波處理等，其中有序子集期望最大（OSEM）+飛行時間技術(shù)（TOF）+點擴散技術(shù)（PSF）重建算法已被證實優(yōu)于濾波反投影（FBP）算法，且有TOF技術(shù)迭次數(shù)設(shè)置為2，無TOF技術(shù)迭代次數(shù)設(shè)置為3，子集數(shù)量均為20。矩陣大小一般由探測器性能決定，體部采集采用256×256，腦部圖像為128×128。我科采用的是上海聯(lián)影112環(huán)數(shù)字光導PET/CT，濾波函數(shù)包含非局部均值濾波、高斯濾波、Metz濾波，其中非局部均值濾波是在一個目標像素周圍區(qū)域平滑取均值的方法[6]，主要基于像素灰度相關(guān)性和幾何結(jié)構(gòu)相似性，平滑噪聲的同時不丟失細節(jié)信息；高斯濾波函數(shù)屬于低通濾波器，平滑噪聲性能優(yōu)越[7]；Metz是一種恢復型濾波函數(shù)，屬于高通濾波器[8]。

目前國內(nèi)外對68Ga-DOTA-NOC PET/CT的神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤臨床診斷價值研究較多[9-11]，而忽略不同重建方法對PET圖像質(zhì)量影響研究，尤其濾波方法對PET腦部圖像質(zhì)量的影響未見報道。2017年歐洲核醫(yī)學學會頒布的68Ga-DOTA-NOC PET/CT顯像指南僅給出注射劑量、顯像時間和重建算法，并未給出具體的參考重建參數(shù)[12]。至今國內(nèi)開展68Ga-DOTA-NOC PET/CT顯像項目的醫(yī)療單位屈指可數(shù)，采集協(xié)議多基于經(jīng)驗主義，并無統(tǒng)一的指導標準。因此，本研究旨在探討不同濾波方法對68Ga-DOTA-NOC PET圖像和SUV值的影響，以期為68Ga-DOTA-NOC PET/CT腦部采集協(xié)議提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 模體和病人資料

模體實驗采用美國國家電氣制造者協(xié)會標準的國際電工委員會模體，內(nèi)含直徑10、13、17、22、28、37 mm六個熱球，本研究僅在直徑37 mm熱球內(nèi)注射68Ga-DOTANOC，模體腔體內(nèi)放射性活度為5.31 kBq/mL，熱球與腔體放射性活度比值為4:1。

臨床實驗選取2017年12月至2018年8月于南京市第一醫(yī)院核醫(yī)學科行68Ga-DOTA-NOC PET/CT顯像的39例患者進行回顧性分析，其中男18例，女21例，年齡5～75（50.10±15.33）歲。所有患者均經(jīng)手術(shù)或活檢明確病理，包括胃腸胰神經(jīng)NEN 23例（胰腺NEN 15例，食管NEN 2例，胃NEN 3例，直腸NEN 3例），肺NEN 5例，惡性嗜鉻細胞瘤8例，原發(fā)灶來源不明NEN 3例?；颊唧w重為17～85（59.70±12.45）kg，身高為 1.06～1.80（1.63±0.12）m，體質(zhì)量為15.13～30.48（22.12±3.23）kg/m2。本研究獲本院倫理委員會批準，患者簽署知情同意書。

1.2 圖像采集與重建

所有患者檢查前無需禁食及控制血糖，68Ga-DOTA-NOC采用德國ITG公司的自動化標記模塊在本科室凈化實驗室完成標記，患者注射劑量為38.00～127.43（71.05±19.19）MBq，每公斤體重注射劑量為0.50～2.99（1.27±0.51）MBq/kg，休息45～60 min后行PET/CT全身加腦部掃描。采用112環(huán)數(shù)字光導PET/CT（上海聯(lián)影科技公司uM780）進行數(shù)據(jù)采集，該款PET/CT包含101920塊晶體，軸向視野為30 cm，孔徑為70 cm，時間符合窗為4 ns，系統(tǒng)靈敏度為16 cps/kBq，時間分辨率為520 ps。64排128層螺旋CT提供衰減校正：管電壓為120 kV，管電流為100 mA，層厚3 mm，螺距為0.5 s。模體和臨床患者腦部圖像采集視野均為1個床位，時間為10 min和2 min。PET圖像重建算法采用OSEM迭代（3次迭代，子集數(shù)20）+飛行時間（TOF）技術(shù)+點擴散（PSF）技術(shù)，圖像大小128×128，層厚2.68 mm，濾波方法包括無處理（None）、平滑 1（Smooth1）、平滑 2（Smooth2）、平滑 3（Smooth3）、增強1（Enhance1）和增強2（Enhance2），具體濾波函數(shù)選取，見表1。

表1 不同濾波方法選用的濾波函數(shù)

1.3 圖像分析

模體PET圖像質(zhì)量采用變異系數(shù)（CV值），對比度（Contrast）和信噪比（SNR）評估[13]，CV值越小，對比度和信噪比越大，表示圖像質(zhì)量越佳，如公式(1)～(3)所示，其中BG代表背景感興趣區(qū)ROI（直徑5 mm）的平均放射性計數(shù)率，SD代表背景ROI放射性計數(shù)率標準差，Signal代表熱球ROI內(nèi)最大計數(shù)率。臨床PET圖像質(zhì)量采用垂體SUVpeak、SUVmax、SUVmean、和 SUVsd評估[14]，垂體感興趣區(qū)（VOI）由工作站自動勾畫。

1.4 統(tǒng)計學分析

不同濾波處理對應(yīng)的模體PET圖像CV值、對比度和信噪比采用柱形圖分析，臨床腦部PET圖像中垂體SUVpeak、SUVmax、SUVmean、和SUVsd得分比較采用單因素方差分析。P＜0.05時差異具有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 每床位不同采集時間對模體PET圖像質(zhì)量的影響

不同濾波方法的模體PET圖像，見圖1。從圖1可以看出，熱球均清晰可見，無濾波處理（None）的圖像背景噪聲最明顯；其次是Smooth2、Enhance1和Smooth1，Smooth3和Enhance2對應(yīng)的圖像噪聲較低。不同濾波處理對應(yīng)的CV值、對比度和信噪比，見圖2。由圖2可知CV值從小到大排序分別是Smooth3（16.57%）、Smooth1（18.61%）、Enhance2（20.00%）、Smooth2（25.98%）、None（30.62%）和Enhance1（33.62%），對比度（Contrast）從大到小排序為 Enhance1（46.09）、Enhance2（44.78）、None（44.27）、Smooth1（43.27）、Smooth2（42.00） 和Smooth3（41.16）。信噪比（SNR）從大到小為Smooth3（242.32）、Smooth1（227.10）、Enhance2（218.88）、Smooth2（157.83）、None（141.31）和 Enhance1（134.13）。

圖1 不同濾波方法應(yīng)的模體PET圖像

2.2 不同濾波方法臨床PET圖像質(zhì)量和SUV值影響

圖3表示不同濾波方法對應(yīng)的臨床腦部PET圖像，容易看出不同濾波方法獲得的腦部PET圖像垂體均清晰可見，其中None和Enhance1獲得的腦部PET圖像噪聲水平相當，圖像質(zhì)量肉眼判讀無明顯差別，噪聲水平次之的是Smooth2、Smooth1和Enhance2，噪聲水平最低的是Smooth3。定量分析結(jié)果如圖4所示：① 垂體SUVpeak從大到小分別為：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 垂體 SUVMax從大到小分別為：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 臨 床 腦 部PET圖像的垂體SUVmean從大到小分別為：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 垂體SUVsd從大到小分別為：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）；單因素方差分析顯示，6組之間SUVpeak、SUVMax、SUVmean和SUVsd得分差異均無統(tǒng)計學意義（F=0.7354，P=0.5976；F=1.166，P=0.3270；F=1.725，P=0.1299；F=1.160，P=0.3301）。

圖2 不同濾波方法應(yīng)的CV值、對比度和信噪比

圖3 不同濾波方法對應(yīng)的腦部PET圖像

圖4 不同濾波方法對應(yīng)的垂體SUVpeak、SUVmean、SUVmax和SUVsd得分比較

3 討論

68Ga-DOTA-NOC PET腦部攝取較少，圖像易受噪聲影響，平滑處理是濾除噪聲的有效手段[15-17]。目前上海聯(lián)影PET/CT裝機量較多，還未形成統(tǒng)一的采集協(xié)議與重建參數(shù)，本款PET系統(tǒng)提供6種濾波方法，包括1種無濾波處理，2種增強處理，3種平滑濾波，本研究探討不同濾波方法對圖像質(zhì)量以及SUV值的影響。

從視覺上看，無濾波處理獲得的圖像噪聲最顯著，Smooth3和Enhance2的圖像噪聲水平最低，但兩者圖像質(zhì)量肉眼分辨不出差別。定量分析顯示：① CV值是衡量資料中各觀測值變異程度的另一個統(tǒng)計量，可用來表征圖像均勻度，模體圖像CV值最小的是Smooth3，表明圖像背景均勻度最佳；CV值最大的是Enhance1，表明圖像背景均勻度最差；② 對比度可表征圖像目標與背景的灰度差別，Enhance1對應(yīng)的對比度最大，表明圖像目標最易分辨，Smooth3對應(yīng)的對比度最小，但模體中熱球與背景放射性濃度比值較大，熱球均清晰可見，表明對比度對圖像質(zhì)量評估效果不顯著；③ 信噪比表征圖像信號與噪聲的比值，信噪比最大的是Smooth3，最小的是Enhance1，表明Smooth3對噪聲抑制能力最強，Enhance1最弱。綜上可知，Smooth3的平滑效果最佳，能保證圖像高均勻度和信噪比，主要由于Smooth3濾波處理包含非局部均值濾波和高斯濾波函數(shù)，平滑噪聲性能優(yōu)越，又保存圖像細節(jié)；Enhance2圖像增強效果最佳，主要得益于Mety濾波函數(shù)的高通濾波特性，高頻信號和噪聲均被保存。

不同濾波方法獲得的腦部PET圖像均伴隨著一定程度噪聲，噪點最不顯著、圖像質(zhì)量最優(yōu)的是Smooth3，噪聲最顯著的是None。定量分析可知，不同濾波方法所得SUV值差異較大，Smooth3對應(yīng)的垂體SUVpeak、SUVmax、SUVmean和SUVsd在不同濾波方法中均最小，Enhnace1對應(yīng)的SUV值均最大，但差異均無統(tǒng)計學意義（P>0.05），主要由于Smooth3濾除高頻信號和噪聲，使得圖像整體平滑均勻；Enhnace1增強了垂體信號強度，但同時背景噪聲水平也被增強。以Smooth3所得SUV值為參考目標，其他濾波方法所得SUVpeak、SUVmax、SUVmean和SUVsd漲幅分別為8.5%～30.3%，6.6%～43.5%，1.4%～43.8%，2.3%～43.2%。

不同濾波方法的PET腦部圖像差異較大，模體實驗圖像與臨床實例圖像均顯示Smooth3所得PET圖像質(zhì)量最佳，因此本機型PET腦部濾波方法采用Smooth3為宜，為建立和推廣國產(chǎn)PET腦部采集協(xié)議提供參考依據(jù)。