【病例】肥胖患者做PET/CT，如何提高图像质量？

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PET/CT图像质量对于正确的诊断疾病至关重要，在临床工作中，我们都有体会，与正常体重患者相比，体重过大的患者图像质量往往更低，主要表现为图像信噪比低，噪声大，图像“颗粒感”重，比如下面这样:

淋巴瘤患者冠状断层PET图像，93kg，0.21 mCi/kg，2 min/bed[1]

如何才能提高图像质量，成这样？

同一患者冠状断层PET图像，肝门淋巴结病变显示清晰（上图不易与噪声区分），肝内噪声明显减低[1]

我们先简单回顾一下，为什么肥胖患者PET图像质量更差。

PET的成像原理是由正电子核素发生正电子衰变，再发生湮灭辐射后生成2个呈180°角运动的511kev的γ光子，然后被晶体探测转化成电信号。511kev的γ光子自体内发射出来，与组织的作用主要是光电效应和康普顿散射（另外还有相干散射，发生几率很低可忽略）。光电效应是γ光子的能量完全被组织吸收，是光子在组织内衰减的重要原因；康普顿散射与组织相互作用后损失部分能量，γ光子的运动轨迹也会发生改变。康普顿散射也是光子在组织内衰减的重要原因，是影响PET分辨率最重要的因素。

PET的信号采集核心是晶体探测到由同一湮灭事件中发射出来的2个γ光子，这2个γ光子的特点是能量511kev，成180°角运动，同时产生。根据这样的特征，当晶体同时接收到2个能量511kev的γ光子的信号时，根据正电子衰变的原理，会认为它们是由同一次湮灭事件产生的，并且运动路径在同一条直线上的2个相反方向，称为符合探测，接收到这2个γ光子的晶体之间的直线为响应线，是这2个γ光子的运动轨迹，而湮灭辐射的地点就在这条响应线上。

符合探测的2个要素是γ光子的能量和“同时发生”的时间。能量由能窗设置来区分，时间则由符合时间窗来区分。在符合时间窗内被晶体接收到的γ光子被认为是来自同一次湮灭事件。虽然来自同一次湮灭事件的2个γ光子是同时发射出的，但到达晶体的时间有先后差别，因为2个γ光子在到达晶体前的运动距离不一样，2个γ光子才是真正同时到达晶体。符合时间窗一般在几ns到10ns左右不等，都比γ光子在PET探测环孔径中的飞行时间长。这样的设置就决定了符合探测包括3种：真实符合、散射符合、随机符合。

真实符合指在符合时间窗被探测到的2个γ光子由同一湮灭事件产生，响应线是γ光子真实的运动轨迹。

散射符合指在符合时间窗被探测到的2个γ光子由同一湮灭事件产生，其中1个γ光子的运动未受周围组织影响，另1个γ光子由于康普顿散射，运动轨迹发射改变，这时的响应线是错误的，而湮灭辐射的地点也不在响应线上（下图虚线为错误的响应线）。

随机符合指在符合时间窗被探测到的2个γ光子来自2个不同的湮灭事件。实际上，由于几何、衰减、晶体探测效率等因素，大部分的湮灭事件都只有1个511keV的γ光子成功到达晶体。这时的响应线也是错误的（下图虚线）。

肥胖患者做PET时，散射分数（即散射符合与真实符合的比值）更大（3D采集模式下），主要因为光子在体内运动的轨迹更长，光子与组织发生康普顿散射的几率更大。所以与正常体重的患者相比，同样的采集和重建条件图像质量明显下降。

那么，肥胖患者的PET/CT可以采取哪些措施提高图像质量呢？在临床实践中，我们可以做什么？

作者：北京协和医院核医学科    罗亚平

参考文献：

1. Halpern BS1, Dahlbom M,Auerbach MA,et al. Optimizing imaging protocols foroverweight and obese patients: a lutetium orthosilicate PET/CT study. J Nucl Med. 2005 Apr;46(4):603-7.

肥胖患者PET图像质量的提高一直是PET技术的关注热点之一，也是一个技术难点。前面讲到PET采集到的信息包括真实符合、散射符合与随机符合。PET图像在进行重建时要经过一系列的校正，比如衰减校正、死时间校正、几何校正、随机校正、散射校正等等，随机校正校正的就是随机符合，散射校正校正散射符合。

随机校正相对容易，最常用的方法是delayed coincidence channel method，这种方法是将探测器中的timing signals延长至远大于符合时间窗，这时的信号都是随机事件，探测的符合事件都是随机符合，没有真实符合。将此时的符合事件信号在该探测器的正常采集信号中去除，就是随机校正。而散射校正就复杂得多，也困难许多。

在PET的技术发展过程中，3D采集是一个里程碑式的进步，它使采集的灵敏度大大提高，PET采集时间明显缩短。然而3D采集技术也并非完美。与2D采集相比，3D采集的随机符合和散射符合都大大增加（如下图示，主要因为几何因素）。在2D采集时代，图像重建时甚至可以不用进行散射校正（散射分数约15%），而3D采集由于散射分数高达60%以上而不得不需要散射校正[1]。

散射校正常用的方法包括convolution-subtraction，Monte-Carlo modelling，direct measurement，multiple energy window methods，"Gaussian fit" technique，model-based scatter correction algorithms等等，但它们都有一定缺陷。前面提到了肥胖患者的PET图像质量低主要因为散射分数大，不能在散射校正上做文章，我们能够怎么办？

PET图像的重建主要有2种方法：滤波反投影（FBP）和迭代法。FBP重建是把采集到的信息经过傅立叶变换成为Fourier projections，再用某个滤波（比如Hann, Hamming, Butterworth等）去除高频噪声，然后反投影重建，如下图。这种方法比较古老，在早期的PET技术中有应用，图像特点是星芒状伪影重。

迭代重建重建算法中包含了各种校正，所以不需先校正再重建。如果说FBP是利用采集到的信息通过计算“反推”成最终的图像，那么迭代法相反，先给定一个模拟值，然后计算模拟值和测得的数据之间的差异，然后通过算法不断修正，向正确值收敛，最后得到重建图像，每一次修正就是一次迭代。迭代次数越多，结果越接近真实值，但是迭代越多固有噪声也会增加（可以通过下面的图感受一下）。所以在图像重建时，应该合理的选择迭代次数。

OSEM重建，28个有序子集，迭代1，2，3，4，5，10，20，40次的图像，迭代次数越多，噪声越大（该机型推荐参数为28个有序子集，2次迭代）[3]。

上面提到的这种迭代是最大似然期望法（MLEM），是比较古老的迭代重建方法，这种方法需要很多次迭代才能获得最终可接受的图像，重建时间长。有序子集最大期望值法（OSEM）是改良的迭代方法，它把所有角度的投影数据分成若干个子集（subset），每个子集都用MLEM迭代，这种方法明显提高了迭代的收敛速度，显著减少迭代次数。大部分情况下，OSEM的n个子集迭代1次，相当于MLEM中迭代n次。但随着子集数增加，图像方差也有增加的趋势。所以在OSEM重建中，应合理的选择迭代次数和有序子集数，不同的机型最佳的参数不同，应根据机器性能特点进行选择。

另外需要注意的是，同一机型采集的同一组数据，如果选择不同的重建参数，SUV会发生变化。迭代/有序子集越多，SUV会逐渐增大，并且最大SUV增加更明显，如下图[2]。另外图像噪声也会增加。所以如果一定需要更改重建参数来获得更好的图像质量，一定记住同一患者不同次检查的重建参数一定保持一致，否则SUV不具备可比性，对于放化疗后复查的患者，病灶SUV的变化的意义就无从判断了。

前面我们提到，肥胖患者的散射分数大，由于患者“体积更大”，光子在组织中发生散射的几率比正常体重者更大，散射符合增多，真实符合的比例减少。如果我们能够采集更多的信息，那么采集到的信息中真实符合也会相应增多（比例不变），对图像重建更有利。那么，是提高注射剂量？延长采集时间？还是从PET技术上改进？

2009年一项日本的研究[3]就如何提高超重患者的PET图像质量做了分析。该研究将患者按BMI分为4组（G1：60kg以下，G2:60-70kg，G3:70-85kg，G4:85kg以上，每组20人），每组都进行标准采集（0.1mCi/kg＋2min/bed）。G2-G4组另外还按照增加注射剂量（G2：0.15mCi/kg，G3：0.20 mCi/kg，G4:0.25mCi/kg）、增加采集时间（G2：3min/bed，G3：4min/bed，G4:5min/bed）分别进行图像采集，所有图像用相同机器采集，相同参数重建。以肝脏信噪比（SNR）作为测量指标，研究最后发现延长采集时间能够明显提高信噪比，改善图像质量，但提高注射剂量并不改善超重患者PET图像的信噪比。

G1、G4、G4dose、G4time分别为14.8、8.5、9.0、10.6。

2012年，日本的另一项研究[4]分析了注射剂量对于图像质量的影响，该研究发现，对于某个体重的患者，存在有一个最优的注射剂量，最优注射剂量的NEC（noise equivalent count，NEC＝R_t²/(R_t+R_s+2R_r)）最大，CV（coefficientsof variation，评价噪声大小的指标之一）最小，此时图像质量最佳，如下图是模拟的60kg体重患者注射剂量与NEC的曲线图，最优注射剂量约0.16mCi/kg。超过最优注射剂量图像质量反而下降。

这是因为PET探测环采集到的信息包括真实符合、散射符合和随机符合，当注射剂量增加时，一方面会明显增加随机符合，另一方面也会增加晶体的死时间效应（即在接收一个g光子信号后需要一定的“冷却时间”才能继续有效地接收信号），从而导致图像质量降低。当然，注射剂量过大对图像质量的影响没有剂量不足那么大，但在最优注射剂量以上水平再增加剂量，既对图像质量无改善，又增加患者辐射量，还提高了成本。

另外很有意思的是，最优的注射剂量（每公斤体重的注射剂量）随体重增加反而略有降低，如下图是不同体重60min和90min uptake time的最优注射剂量。不同性能的PET机型，床位重叠范围不同，最优的注射剂量也会有差别。

在PET技术方面同样可以改进图像质量。TOF（time-of-flight）技术的发展使PET图像质量得到了很大的提高。non-TOF PET的数据只知道湮灭事件发生在哪条响应线上，不知道在响应线上哪个位置，而TOF PET还包含了在响应线上的位置信息。TOF PET是以晶体区分一次符合事件中2个光子到达晶体的时间差为基础的。目前普遍的TOF PET时间分辨率为500ps左右，根据光子的运动速度可计算得知，TOF PET能够把湮灭辐射地点定在响应线上7-8cm精度范围，虽然这还远远不够，但已经是非常大的进步了。

 TOF PET的主要优点是采集灵敏度得以提高，图像信噪比相应提高，采集灵敏度的提高倍数与患者的横断面“大小”和时间分辨率的比值成正比，如采集直径30cm的物体，时间分辨率为500ps，采集灵敏度和图像信噪比提高4倍。若采集的物体直径越大，采集灵敏度改善也就越显著，因此对于肥胖患者而言，TOF PET的作用更大、更重要。下图是一项临床研究中，TOF PET对病灶探测率改善的统计，患者BMI越大，通过TOF PET的获益越多[5]。

对于肥胖患者而言，另外一个显著的问题是视野内分辨率的不均一。由于PET探测器呈环形，来自中心视野的光子以近似于垂直的角度到达晶体，响应线能被正确地记录；但视野边缘发生的湮灭辐射，光子到达晶体表面后与晶体表面呈一定的角度，可能穿透晶体而被相邻的晶体接收，这时记录到的响应线是错误的，如下图，这称为深度效应（DOI）。这样的结果导致视野边缘的分辨率低于中心视野，肥胖患者受这个因素的影响较正常体重患者可能更大。

点扩散函数（PSF）是通过大量的实验数据建立的算法，用于校正DOI，从而提高图像质量。图像重建过程算法包含PSF可以提高图像信噪比，联合PSF＋TOF PET时，图像信噪比改善最明显[6]。

总的来说，对于肥胖患者，若有条件，利用TOF PET采集并用TOF+PSF重建是最好的办法。若条件有限，在平衡患者舒适度、长时间采集带来的位移影响的同时尽量延长采集时间是可行性最高的方法。

作者：北京协和医院核医学科    胡桂兰

作者：北京协和医院核医学科    罗亚平

参考文献：

1. Gopal B. Saha. Basics of PET imaging.Physicis, chemistry, and regulations. 3^rd edition.

2. Jaskowiak CJ, Bianco JA, Perlman SB, et al. Influence ofreconstruction iterations on 18F-FDG PET/CT standardized uptake values. JNucl Med. 2005;46:424-428.

3. M Yoko,KChisato, et al. Comparison of Imaging Protocols for 18F-FDG PET/CT inOverweight Patients: Optimizing Scan Duration Versus Administered Dose. J NuclMed 2009; 50:844–848 .

4. Inoue K,Kurosawa H, etal. Optimization of injection dose based on noise-equivalentcount rate with use of an anthropomorphic pelvis phantom in three-dimensional18F-FDG PET/CT. Radiology Physics Technology.2012;5:115–122.

5. Conti,M., Townsend, D., Casey, M., et al. Assessment of the clinical potential of atime-of flight PET/CT scanner with less than 600 ps timing resolution. J NuclMed. 2008;49 (Supplement 1):411P

6. TaniguchiT, Akamatsu G, Kasahara Y, et al. Improvement in PET/CT image quality inoverweight patients with PSF and TOF. Ann Nucl Med. 2015;29:71–7.