不同滤波方法对脑部PET图像质量和SUV值的影响引言神经内分泌肿瘤(Neuroendocrine Neoplasms,NENs)是一组起源于肽能神经元和神经内分泌细胞的异质性显著肿瘤,68Ga-DOTA-NOC PET/CT显像已成为诊断NENs的重要手段[1-3]。高质量PET图像是精确诊断NENs的基础,PET图像质量主要由注射剂量、病人体格、探测器性能、重建参数等因素决定[4-5]。在临床工作环境中,病人体格和探测器性能是固定的,且一般商业配置的68Ga-DOTA-NOC剂量不易根据病人体重进行调整,此时调整重建参数可作为提高PET图像分辨率的一个重要补偿手段。 PET重建参数包括重建算法、迭代次数、子集数量、矩阵大小、滤波处理等,其中有序子集期望最大(OSEM)+飞行时间技术(TOF)+点扩散技术(PSF)重建算法已被证实优于滤波反投影(FBP)算法,且有TOF技术迭次数设置为2,无TOF技术迭代次数设置为3,子集数量均为20。矩阵大小一般由探测器性能决定,体部采集采用256×256,脑部图像为128×128。我科采用的是上海联影112环数字光导PET/CT,滤波函数包含非局部均值滤波、高斯滤波、Metz滤波,其中非局部均值滤波是在一个目标像素周围区域平滑取均值的方法[6],主要基于像素灰度相关性和几何结构相似性,平滑噪声的同时不丢失细节信息;高斯滤波函数属于低通滤波器,平滑噪声性能优越[7];Metz是一种恢复型滤波函数,属于高通滤波器[8]。 目前国内外对68Ga-DOTA-NOC PET/CT的神经内分泌肿瘤临床诊断价值研究较多[9-11],而忽略不同重建方法对PET图像质量影响研究,尤其滤波方法对PET脑部图像质量的影响未见报道。2017年欧洲核医学学会颁布的68Ga-DOTA-NOC PET/CT显像指南仅给出注射剂量、显像时间和重建算法,并未给出具体的参考重建参数[12]。至今国内开展68Ga-DOTA-NOC PET/CT显像项目的医疗单位屈指可数,采集协议多基于经验主义,并无统一的指导标准。因此,本研究旨在探讨不同滤波方法对68Ga-DOTA-NOC PET图像和SUV值的影响,以期为68Ga-DOTA-NOC PET/CT脑部采集协议提供参考依据。 1 材料与方法1.1 模体和病人资料模体实验采用美国国家电气制造者协会标准的国际电工委员会模体,内含直径10、13、17、22、28、37 mm六个热球,本研究仅在直径37 mm热球内注射68Ga-DOTANOC,模体腔体内放射性活度为5.31 kBq/mL,热球与腔体放射性活度比值为4:1。 临床实验选取2017年12月至2018年8月于南京市第一医院核医学科行68Ga-DOTA-NOC PET/CT显像的39例患者进行回顾性分析,其中男18例,女21例,年龄5~75(50.10±15.33)岁。所有患者均经手术或活检明确病理,包括胃肠胰神经NEN 23例(胰腺NEN 15例,食管NEN 2例,胃NEN 3例,直肠NEN 3例),肺NEN 5例,恶性嗜铬细胞瘤8例,原发灶来源不明NEN 3例。患者体重为17~85(59.70±12.45)kg,身高为 1.06~1.80(1.63±0.12)m,体质量为15.13~30.48(22.12±3.23)kg/m2。本研究获本院伦理委员会批准,患者签署知情同意书。 1.2 图像采集与重建所有患者检查前无需禁食及控制血糖,68Ga-DOTA-NOC采用德国ITG公司的自动化标记模块在本科室净化实验室完成标记,患者注射剂量为38.00~127.43(71.05±19.19)MBq,每公斤体重注射剂量为0.50~2.99(1.27±0.51)MBq/kg,休息45~60 min后行PET/CT全身加脑部扫描。采用112环数字光导PET/CT(上海联影科技公司uM780)进行数据采集,该款PET/CT包含101920块晶体,轴向视野为30 cm,孔径为70 cm,时间符合窗为4 ns,系统灵敏度为16 cps/kBq,时间分辨率为520 ps。64排128层螺旋CT提供衰减校正:管电压为120 kV,管电流为100 mA,层厚3 mm,螺距为0.5 s。模体和临床患者脑部图像采集视野均为1个床位,时间为10 min和2 min。PET图像重建算法采用OSEM迭代(3次迭代,子集数20)+飞行时间(TOF)技术+点扩散(PSF)技术,图像大小128×128,层厚2.68 mm,滤波方法包括无处理(None)、平滑 1(Smooth1)、平滑 2(Smooth2)、平滑 3(Smooth3)、增强1(Enhance1)和增强2(Enhance2),具体滤波函数选取,见表1。 表1 不同滤波方法选用的滤波函数 注:FWHM表示高斯半高全宽。 后处理滤波方法 非局部均值滤波 高斯滤波 Metz滤波None否 否 否Smooth1是 否 否Smooth2 否 是(FWHM=3mm) 否Smooth3 是 是(FWHM=3mm) 否Enhance1否 否 是Enhance2是 否 是 1.3 图像分析模体PET图像质量采用变异系数(CV值),对比度(Contrast)和信噪比(SNR)评估[13],CV值越小,对比度和信噪比越大,表示图像质量越佳,如公式(1)~(3)所示,其中BG代表背景感兴趣区ROI(直径5 mm)的平均放射性计数率,SD代表背景ROI放射性计数率标准差,Signal代表热球ROI内最大计数率。临床PET图像质量采用垂体SUVpeak、SUVmax、SUVmean、和 SUVsd评估 [14],垂体感兴趣区(VOI)由工作站自动勾画。 1.4 统计学分析不同滤波处理对应的模体PET图像CV值、对比度和信噪比采用柱形图分析,临床脑部PET图像中垂体SUVpeak、SUVmax、SUVmean、和SUVsd得分比较采用单因素方差分析。P<0.05时差异具有统计学意义。 2 结果2.1 每床位不同采集时间对模体PET图像质量的影响不同滤波方法的模体PET图像,见图1。从图1可以看出,热球均清晰可见,无滤波处理(None)的图像背景噪声最明显;其次是Smooth2、Enhance1和Smooth1,Smooth3和Enhance2对应的图像噪声较低。不同滤波处理对应的CV值、对比度和信噪比,见图2。由图2可知CV值从小到大排序分别是Smooth3(16.57%)、Smooth1(18.61%)、Enhance2(20.00%)、Smooth2(25.98%)、None(30.62%)和Enhance1(33.62%),对比度(Contrast)从大到小排序为 Enhance1(46.09)、Enhance2(44.78)、None(44.27)、Smooth1(43.27)、Smooth2(42.00) 和Smooth3(41.16)。信噪比(SNR)从大到小为Smooth3(242.32)、Smooth1(227.10)、Enhance2(218.88)、Smooth2(157.83)、None(141.31)和 Enhance1(134.13)。 图1 不同滤波方法应的模体PET图像 2.2 不同滤波方法临床PET图像质量和SUV值影响图3表示不同滤波方法对应的临床脑部PET图像,容易看出不同滤波方法获得的脑部PET图像垂体均清晰可见,其中None和Enhance1获得的脑部PET图像噪声水平相当,图像质量肉眼判读无明显差别,噪声水平次之的是Smooth2、Smooth1和Enhance2,噪声水平最低的是Smooth3。定量分析结果如图4所示:① 垂体SUVpeak从大到小分别为: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 垂体 SUVMax从大到小分别为: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 临 床 脑 部PET图像的垂体SUVmean从大到小分别为: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 垂体SUVsd从大到小分别为: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);单因素方差分析显示,6组之间SUVpeak、SUVMax、SUVmean和SUVsd得分差异均无统计学意义(F=0.7354,P=0.5976;F=1.166,P=0.3270;F=1.725,P=0.1299;F=1.160,P=0.3301)。 图2 不同滤波方法应的CV值、对比度和信噪比 注:a. 不同滤波处理对应的CV值;b. 不同滤波处理对应的对比度值;c. 不同滤波处理对应的信噪比值。 图3 不同滤波方法对应的脑部PET图像 注:胰腺神经内分泌肿瘤患者(女,48岁),箭头代表脑垂体。 图4 不同滤波方法对应的垂体SUVpeak、SUVmean、SUVmax和SUVsd得分比较 注:None表示无滤波处理,Sm1代表Smooth1,Sm2代表Smooth2,Sm3代表Smooth3,En1代表Enhance1,En2代表Enhance2。 3 讨论68Ga-DOTA-NOC PET脑部摄取较少,图像易受噪声影响,平滑处理是滤除噪声的有效手段[15-17]。目前上海联影PET/CT装机量较多,还未形成统一的采集协议与重建参数,本款PET系统提供6种滤波方法,包括1种无滤波处理,2种增强处理,3种平滑滤波,本研究探讨不同滤波方法对图像质量以及SUV值的影响。 从视觉上看,无滤波处理获得的图像噪声最显著,Smooth3和Enhance2的图像噪声水平最低,但两者图像质量肉眼分辨不出差别。定量分析显示:① CV值是衡量资料中各观测值变异程度的另一个统计量,可用来表征图像均匀度,模体图像CV值最小的是Smooth3,表明图像背景均匀度最佳;CV值最大的是Enhance1,表明图像背景均匀度最差;② 对比度可表征图像目标与背景的灰度差别,Enhance1对应的对比度最大,表明图像目标最易分辨,Smooth3对应的对比度最小,但模体中热球与背景放射性浓度比值较大,热球均清晰可见,表明对比度对图像质量评估效果不显著;③ 信噪比表征图像信号与噪声的比值,信噪比最大的是Smooth3,最小的是Enhance1,表明Smooth3对噪声抑制能力最强,Enhance1最弱。综上可知,Smooth3的平滑效果最佳,能保证图像高均匀度和信噪比,主要由于Smooth3滤波处理包含非局部均值滤波和高斯滤波函数,平滑噪声性能优越,又保存图像细节;Enhance2图像增强效果最佳,主要得益于Mety滤波函数的高通滤波特性,高频信号和噪声均被保存。 不同滤波方法获得的脑部PET图像均伴随着一定程度噪声,噪点最不显著、图像质量最优的是Smooth3,噪声最显著的是None。定量分析可知,不同滤波方法所得SUV值差异较大,Smooth3对应的垂体SUVpeak、SUVmax、SUVmean和SUVsd在不同滤波方法中均最小,Enhnace1对应的SUV值均最大,但差异均无统计学意义(P>0.05),主要由于Smooth3滤除高频信号和噪声,使得图像整体平滑均匀;Enhnace1增强了垂体信号强度,但同时背景噪声水平也被增强。以Smooth3所得SUV值为参考目标,其他滤波方法所得SUVpeak、SUVmax、SUVmean和SUVsd涨幅分别为8.5%~30.3%,6.6%~43.5%,1.4%~43.8%,2.3%~43.2%。 不同滤波方法的PET脑部图像差异较大,模体实验图像与临床实例图像均显示Smooth3所得PET图像质量最佳,因此本机型PET脑部滤波方法采用Smooth3为宜,为建立和推广国产PET脑部采集协议提供参考依据。 [1] 崔碧霄,卢洁,王曼,等.TOF-PET图像重建技术评价小肿瘤病灶的临床价值[J].医学影像学杂志,2016,26(7):1237-1239. 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