崔 燕，李亞明

（中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院，遼寧 沈陽(yáng) 110001）

部分容積效應(yīng)（Partial volume effect，PVE）是影響醫(yī)學(xué)影像設(shè)備圖像分析的重要因素。PET成像系統(tǒng)有限的分辨率使PVE更加明顯，造成大病灶圖像邊緣模糊，小病灶圖像模糊暗淡；在定量分析上使標(biāo)準(zhǔn)化攝取值（SUV）降低，影響對(duì)病灶性質(zhì)的判定及放化療等治療效果的評(píng)估。本文對(duì)PVE的成因、影響因素、實(shí)際影響進(jìn)行初步的探討。

1 PVE的成因

PVE是由兩個(gè)效應(yīng)共同作用下形成的，即點(diǎn)源擴(kuò)展及組織分?jǐn)?shù)效應(yīng)。點(diǎn)源擴(kuò)展是PET分辨率較低造成的[1]，組織分?jǐn)?shù)效應(yīng)主要和PET采集圖像信號(hào)的方式有關(guān)[2]，下面進(jìn)行詳細(xì)的敘述。

1.1 點(diǎn)源擴(kuò)展

1.1.1 理論上點(diǎn)源擴(kuò)展的原因

正電子的飛行距離：核素衰變發(fā)射出的正電子有一定的能量，要飛行一段距離，當(dāng)能量減為0時(shí)，才能與負(fù)電子結(jié)合，產(chǎn)生湮沒(méi)輻射，發(fā)射出雙光子。正電子的飛行距離使點(diǎn)源顯像有一定的擴(kuò)展。核素發(fā)生β+衰變時(shí)，同時(shí)發(fā)射出4個(gè)中微子，衰變能由正電子和中微子隨機(jī)分配，正電子的能量從零到最大衰變能連續(xù)分布，因此正電子的飛行距離也是從零到最大射程連續(xù)分布的。具有最小能量和最大能量Emax的粒子數(shù)較少，而大多數(shù)正電子的能量位于1/3Emax左右，不同的核素Emax不同。再有，正電子在介質(zhì)中的軌跡并非直線而是曲折的，也會(huì)造成點(diǎn)源成像后向周圍擴(kuò)展。

電子的費(fèi)米（Fermi）運(yùn)動(dòng)：介質(zhì)中的自由電子為費(fèi)米粒子，遵守泡利不相容原理（Pauli exclusion principle），每個(gè)量子態(tài)上最多只有1個(gè)粒子，因此幾乎所有電子都有一定的能量。這樣在正負(fù)電子湮沒(méi)時(shí)，正負(fù)電子偶總的動(dòng)量并非為0，根據(jù)動(dòng)量守恒，2個(gè)湮沒(méi)光子的運(yùn)動(dòng)方向不可能成180°，要偏向電子偶的運(yùn)動(dòng)方向。偏轉(zhuǎn)角呈高斯分布，按費(fèi)米粒子能量公式可得出偏轉(zhuǎn)角的半高寬。這種因素造成的點(diǎn)源擴(kuò)展與符合探測(cè)的2個(gè)探測(cè)器之間的距離有關(guān)。

1.1.2 探測(cè)技術(shù)上點(diǎn)源擴(kuò)展的原因

目前臨床應(yīng)用的新型PET探測(cè)器多采用多排環(huán)形模塊結(jié)構(gòu)。以GE公司Discovery LS PET/CT為例，探測(cè)器由多環(huán)模塊結(jié)構(gòu)的鍺酸鉍（Bismuth Germanate，BGO）晶體單元組成，每個(gè)BGO晶體探頭大小為橫斷面4 mm，軸向面8 mm，半徑30 mm，每個(gè)模塊都配有2個(gè)光電倍增管。當(dāng)射線在模塊中的任一個(gè)BGO單元中引起閃爍，模塊中所有光電倍增管都能探測(cè)到。探測(cè)器晶體的性能及大小影響分辨率。晶體厚度影響探測(cè)效率及能量分辨率。晶體加厚使入射光子和晶體相互作用機(jī)會(huì)增加，探測(cè)效率提高；但晶體所產(chǎn)生的閃爍光在到達(dá)光電倍增管之前，被晶體自身吸收或散射的機(jī)會(huì)也增加，使光電倍增管產(chǎn)生的脈沖能譜展寬，能量分辨率下降。晶體的表面積影響靈敏度和空間分辨率，晶體面積大，接受入射光子的機(jī)會(huì)增加，靈敏度高；但因晶體上任何位置的入射光子均被定位到晶體中心（符合線），使空間分辨率下降，造成定位不準(zhǔn)，點(diǎn)源擴(kuò)展。對(duì)視野中心處的點(diǎn)源，分辨率損失為晶體大小的一半，而對(duì)探頭附近的點(diǎn)源分辨率為晶體大小。

1.2 組織分?jǐn)?shù)效應(yīng)

在PET成像系統(tǒng)中，示蹤劑的分布是以體素（voxel）為單位采集的。很明顯，體素的輪廓和示蹤劑分布的輪廓并不一致。因此大部分體素中包括了不同組織的示蹤劑分布。最終每個(gè)體素的信號(hào)密度是包含其內(nèi)所有組織信號(hào)密度的平均值。

綜上所述，校正PVE不僅要補(bǔ)償溢出的信號(hào)，也要考慮溢進(jìn)的信號(hào)，即來(lái)自周圍本底的影響。

2 影響PVE的因素

2.1 腫瘤大小和形狀

PVE和病灶的大小有密切的關(guān)系。病灶越小，“溢出效應(yīng)”越強(qiáng)，SUV低估的程度越高。因此，具有同樣攝取值但是不同體積的病灶會(huì)呈現(xiàn)出不同明暗度的圖像和不同程度低估的SUV。由PVE引起的SUV和病灶大小間的非線性關(guān)系已經(jīng)被很多學(xué)者所證實(shí)。1979年Hoffman等[3]最早提出PVE的概念：“在正電子成像中，物體對(duì)比度的損失是因?yàn)樵撐矬w在軸位上的大小比成像系統(tǒng)軸位分辨率小，或者該物體的末端沒(méi)有完全包括在視野中。”之后有許多學(xué)者進(jìn)行了此方面的研究[4-6]。目前較為公認(rèn)的是病灶直徑小于2～3倍系統(tǒng)分辨率會(huì)受PVE影響，值得注意的是此結(jié)論是在本底放射性活動(dòng)很低或沒(méi)有的情況下得出的，近些年一些學(xué)者[7-9]通過(guò)體模實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)模擬病灶達(dá)到分辨率4倍以上仍然存在SUV低估的情況。這一現(xiàn)象說(shuō)明PVE還受其他很多因素的影響，如本底、噪聲等，但最重要的因素仍然是病灶大小。

PVE引起的SUV低估這一結(jié)論在病變療效評(píng)估隨訪中意義重大。當(dāng)惡性病變?cè)谥委熯^(guò)程中體積縮小時(shí)，PVE會(huì)導(dǎo)致視覺(jué)上比之前體積較大時(shí)暗淡。因此，即使病灶的實(shí)際代謝率保持不變或者升高，PVE也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的SUV降低；相反，當(dāng)小的良性病變?cè)谥委熯^(guò)程中體積增大，PVE會(huì)導(dǎo)致視覺(jué)上比之前體積較小時(shí)濃聚，測(cè)量的SUV也會(huì)升高，但事實(shí)上病變的代謝率可能保持不變或者降低。

PVE和病灶的形狀也相關(guān)，更確切的說(shuō)，病灶實(shí)質(zhì)分布的“緊實(shí)”程度相關(guān)。“緊密”指的是對(duì)于一個(gè)給定體積的病灶具有的表面積多少。體積不變的情況下，表面積越大，越不“緊實(shí)”，球體是最“緊實(shí)”的病灶體積類型?！熬o實(shí)”程度低的病灶，實(shí)質(zhì)多分布在病灶的邊界，因此更容易受到“溢出效應(yīng)”和“溢進(jìn)效應(yīng)”的影響。Hoffman等[3]通過(guò)不同模型研究PVE得出結(jié)論，要想達(dá)到濃度完全恢復(fù)，圓柱體的表現(xiàn)較長(zhǎng)方體、三棱柱差，甚至球體都不能達(dá)到完全恢復(fù)。因此臨床醫(yī)生對(duì)于不同形狀的病灶，特別是形狀不規(guī)整的病灶，對(duì)SUV變化的詮釋?xiě)?yīng)謹(jǐn)慎。

2.2 病灶周圍本底

病灶周圍本底的影響即上文提到的“溢進(jìn)效應(yīng)”。當(dāng)分辨率不變的時(shí)候，病灶的大小、形狀和病灶的攝取程度幾乎可以完全評(píng)估“溢出效應(yīng)”的影響，而“溢進(jìn)效應(yīng)”則主要和周圍本底信號(hào)強(qiáng)度相關(guān)。Kessler等[10]于1984年最早討論本底對(duì)SUV的影響。近些年一些學(xué)者[8-9，11-12]研究均發(fā)現(xiàn)了“溢進(jìn)效應(yīng)”對(duì)PVE的影響，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)病灶和本底濃度相差較大時(shí)，直徑引起的SUV低估程度比二者相差較小時(shí)SUV低估程度大。Sakaguchi等[12]發(fā)現(xiàn)當(dāng)本底達(dá)到人體本底濃度或更高時(shí)，系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的峰值降低，形狀變寬，同時(shí)觀察到分辨率隨著本底濃度的升高而降低。因?yàn)槿梭w內(nèi)病灶同時(shí)受到周圍多個(gè)不同組織信號(hào)的影響，所以“溢進(jìn)效應(yīng)”的影響程度是難以評(píng)估和預(yù)測(cè)的。

在腫瘤療效隨訪中，病灶周圍本底（如心肌、腸管、輸尿管）的影響是不能忽視的。以18F-FDG PET顯像為例，肺部的放射性濃度要低于肝臟。因此對(duì)于具有同樣大小、形狀、攝取的病灶在肺部的圖像會(huì)比在肝臟內(nèi)暗淡，SUV也相對(duì)較低。當(dāng)惡性病變?cè)谥委熯^(guò)程中出現(xiàn)壞死時(shí)，對(duì)造影劑的攝取會(huì)降低，但是如果本底升高時(shí)，會(huì)造成視覺(jué)上還有更多腫瘤活性細(xì)胞攝取造影劑，同時(shí)減弱SUV的降低程度，造成對(duì)療效的錯(cuò)誤估計(jì)。

因此，病灶SUV變化的詮釋只有在充分考慮到周圍本底變化的時(shí)候才有意義，否則SUV的變化可能只是周圍本底的變化，并沒(méi)有反應(yīng)病灶真實(shí)代謝率的改變。

2.3 重建圖像中的系統(tǒng)分辨率

盡管腫瘤的大小、形狀和攝取等是不能人為控制的，但是PVE仍然和一些可控因素相關(guān)。在這些因素中，最重要的就是系統(tǒng)分辨率。分辨率決定了點(diǎn)源擴(kuò)展的程度和點(diǎn)源的實(shí)際位置。分辨率的大小一部分和掃描儀器的特性有關(guān)（如晶體的大小、編排位置、采集方式等），一部分和圖像重建有關(guān)，而這一部分是可以通過(guò)研究進(jìn)行改善的。例如在迭代法中，迭代的次數(shù)、迭代的子集數(shù)；在濾波反投影中濾波的設(shè)置等。因此，這些重建參數(shù)的選擇可以影響分辨率，進(jìn)而一定程度上影響和控制PVE。很多學(xué)者[13-16]致力于圖像重建方面的研究，他們發(fā)現(xiàn)OSEM法中迭代次數(shù)的增加會(huì)改善分辨率，但是當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到某個(gè)閾值時(shí)，分辨率不再提高，取而代之的是增加的噪聲，圖像質(zhì)量下降。在FBP重建方法中，濾波函數(shù)的截點(diǎn)如果設(shè)置過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致分辨率下降，圖像模糊。Van Velden等[15]和Tong等[16]研究發(fā)現(xiàn)，在計(jì)數(shù)率較低的情況下，OSEM重建出的圖像比FBP噪聲低；然而在高計(jì)數(shù)率的情況下，F(xiàn)BP比OSEM法具有更高的信噪比。因?yàn)閳D像重建是影響分辨率非常重要的可控因素，所以在療效隨訪中應(yīng)避免圖像重建參數(shù)變化對(duì)分辨率的影響。

2.4 圖像采集條件

圖像采集對(duì)PVE的影響是通過(guò)組織分?jǐn)?shù)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。體素的大小是其中最重要的因素。Adams等[17]和Hoetjes等[18]研究發(fā)現(xiàn)大體素比小體素更有可能包括更多的壞死或正常的組織信號(hào)，使圖像的對(duì)比度下降SUV低估。特別是那些和體素大小相當(dāng)?shù)牟≡?，PVE會(huì)嚴(yán)重影響病灶的探測(cè)和SUV的測(cè)量。但體素過(guò)小又會(huì)導(dǎo)致噪聲增加，特別是選擇易受噪聲影響的SUVmax作為測(cè)量指標(biāo)時(shí)，SUVmax會(huì)有很大的統(tǒng)計(jì)學(xué)漲落。因此合理的選擇體素大小對(duì)減少SUV測(cè)量偏差很有意義。

2.5 測(cè)量方法

一直以來(lái)，學(xué)術(shù)界公認(rèn)的觀點(diǎn)是PVE主要是影響大小在分辨率2～3倍以內(nèi)的病灶。而這一結(jié)論的前提是病灶位于FOV中心區(qū)域，均勻攝取顯像劑且攝取值是在病灶中心獲取的[3]。事實(shí)上，PVE的影響和測(cè)量病灶攝取值的ROI有關(guān)。關(guān)于最佳的測(cè)量方法至今沒(méi)有統(tǒng)一定論。幾種不同的測(cè)量方法如下：①SUVmax：SUVmax是病灶內(nèi)一個(gè)像素大小的ROI得到的SUV中的最大值。SUVmax的獲取不受勾畫(huà)ROI這種主觀測(cè)量的影響。在沒(méi)有噪聲的前提下，SUVmax受PVE影響是最小的。但是SUVmax受噪聲影響非常大，進(jìn)而受到重建方法、圖像平滑處理、像素大?。ㄏ袼卦叫。袼亻g噪聲越大）等[19]影響。在任何真實(shí)的成像情況中，噪聲都是存在的，這就使SUVmax具有高度的變異性。因此，在高噪聲的情況下，SUVmax可能按照非預(yù)期方式表現(xiàn)，不是一個(gè)可靠的指標(biāo)[20]。因此，在不同儀器或同一個(gè)儀器的多次掃描（如治療前后），SUVmax的比較是令人質(zhì)疑的，可能會(huì)影響療效的評(píng)估。但是對(duì)于非均勻病灶，即使在沒(méi)有噪聲的前提下，SUVmax也不能代表整個(gè)病灶的攝取情況。②SUVmean：SUVmean的獲取有很多種，分為按病灶輪廓人工勾畫(huà)ROI、固定大小ROI、閾值法ROI等。人工勾畫(huà)ROI是按照病灶輪廓人為勾畫(huà)ROI，受主觀影響，觀察者間變異較大[21]；固定大小ROI法是通過(guò)計(jì)數(shù)確定病灶“重心”，將固定大小的ROI置于“重心”獲取SUVmean，但當(dāng)病灶大小發(fā)生變化時(shí)該方法會(huì)產(chǎn)生較大測(cè)量偏差[22]。閾值法ROI是使用一定閾值的SUVmax或靶區(qū)本底比值自動(dòng)勾畫(huà)ROI[23-24]，這一閾值可以是固定的[25]，也可以是公式計(jì)算出來(lái)的[26]，或利用迭代[27]處理后得到，這種方法減少了主觀因素的影響，但會(huì)因?yàn)椴≡畲x率的改變及圖像處理（圖像重建及平滑處理等）的變化而導(dǎo)致測(cè)量偏差。近些年出現(xiàn)了一種梯度法[28-29]，較好的反應(yīng)了真實(shí)的SUV,但因方法較為繁雜，尚未在臨床討論和使用。

3 PVE的實(shí)際影響

PVE會(huì)嚴(yán)重影響PET的定量和定性分析，使圖像失真。當(dāng)病灶小于2～3倍系統(tǒng)分辨率時(shí)，測(cè)量到的SUVmax會(huì)小于實(shí)際SUVmax，病灶也會(huì)呈現(xiàn)較實(shí)際體積大且暗淡的圖像。

PVE導(dǎo)致了“溢出效應(yīng)”和“溢進(jìn)效應(yīng)”，這增加了PVE校正的難度?！耙邕M(jìn)效應(yīng)”在一定程度上可以補(bǔ)償 “溢出效應(yīng)”，但是二者往往不能平衡，因此二者的綜合效應(yīng)是難以預(yù)測(cè)的。值得注意的是，在沒(méi)有本底的情況下，PVE不影響病灶的整體放射性活度。如果在病灶周圍勾畫(huà)一個(gè)足夠大的ROI，病灶所有的放射性活度就可以恢復(fù)。換句話說(shuō)，PVE并沒(méi)有導(dǎo)致信號(hào)的丟失，它只是造成信號(hào)的再分布。

PVE也會(huì)影響病灶體積的測(cè)量。這種影響會(huì)在PET輔助放療勾畫(huà)靶區(qū)時(shí)產(chǎn)生問(wèn)題。精確的勾畫(huà)病灶實(shí)際代謝活性區(qū)對(duì)于放療而言可以減少不必要的損傷和并發(fā)癥。傳統(tǒng)放療靶區(qū)的勾畫(huà)是以CT為根據(jù)的，但CT往往不能反映病灶的實(shí)際代謝活性區(qū)，PET圖像可以較好的反映病灶代謝區(qū)，輔助靶區(qū)的勾畫(huà)，但是因?yàn)镻VE的影響，特別是小病灶，PET圖像中呈現(xiàn)出的代謝活性范圍會(huì)大于實(shí)際代謝活性范圍，從而影響真實(shí)靶區(qū)的勾畫(huà)。

綜上所述，PVE對(duì)PET的定量分析及圖像質(zhì)量產(chǎn)生的影響是不容忽視的。我們應(yīng)該采取措施減輕PVE帶來(lái)的影響。比如改善系統(tǒng)的分辨率，在不增加噪聲的前提下，增加迭代次數(shù)和子集，采用較小的體素采集圖像等。值得強(qiáng)調(diào)的是適合定量分析的最佳圖像未必是最適于探測(cè)病灶且成像質(zhì)量最佳的圖像。影像工作者應(yīng)根據(jù)不同的目的需求進(jìn)行圖像重建及采集處理，當(dāng)需要定量分析時(shí)，適用高分辨率高噪聲的圖像；當(dāng)需要在圖像上視覺(jué)判讀病灶時(shí)，適用平滑噪聲低的圖像。在臨床療效隨訪中，比較前后的SUV值，應(yīng)注意多方面的變化，如儀器參數(shù)、圖像重建、采集條件、測(cè)量方式等，這樣才能相對(duì)正確的詮釋病灶的實(shí)際代謝活度變化，為臨床治療方案的制定和修改提供較為可靠的依據(jù)。

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