利用定制拟人人体模型精准计算 PET/CT 成像部分容积效应校正恢复系数的开创性研究

为解决 PET/CT 成像中 SUV 受 PVE 影响导致小病灶检测不准的问题，博阿兹齐大学的研究人员开展利用定制拟人人体模型计算 RC 值的研究。结果表明 RC 值受多种因素影响，该研究对提升 PET 成像准确性意义重大，推荐科研读者阅读。

　　

利用定制拟人人体模型计算 PET/CT 成像中部分容积效应校正的恢复系数

在医学影像技术不断发展的当下，正电子发射断层扫描 / 计算机断层扫描（Positron Emission Tomography/Computed Tomography，PET/CT）凭借其将代谢与解剖信息相结合的优势，在肿瘤诊断领域发挥着关键作用。来自博阿兹齐大学（Bo?azi?i University）生物医学工程研究所的 Gunes Yavuz 等人，在《BioMedical Engineering OnLine》期刊上发表了题为 “Calculation of recovery coefficients for partial volume effect correction in PET/CT imaging using a customized anthropomorphic body phantom” 的论文。这一研究成果对于提升 PET/CT 成像在肿瘤诊断中的准确性意义非凡，有望为临床医生提供更为可靠的诊断依据，推动肿瘤诊疗技术的进步。

PET/CT 成像通过一次扫描就能获取代谢和解剖的双重信息，这一技术利用了两种模态的优势。在肿瘤学领域，PET/CT 检查使用放射性药物 18F - 氟代脱氧葡萄糖（18F - FluoroDeoxyGlucose，18F - FDG），能有效辅助肿瘤的检测、分期以及治疗反应的监测。在评估 PET/CT 临床图像时，既需要进行定性的视觉评估，也离不开定量分析。其中，标准化摄取值（Standardized Uptake Value，SUV）用于衡量肿瘤代谢情况，它是一个半定量指标，通过比较感兴趣区域（Region of Interest，ROI）内放射性药物的活性浓度与全身分布情况，并根据患者体重和注射剂量进行归一化处理得到。然而，PET/CT 图像定量分析中 SUV 的准确性会受到多种因素的干扰，部分容积效应（Partial Volume Effect，PVE）就是其中一个重要因素。当病变区域小于扫描仪空间分辨率的 2 - 3 倍（约 4 - 5mm）时，PVE 会导致测量放射性药物浓度出现误差。

传统的 PET - NEMA（National Electrical Manufacturers Association）EIC（Electrotechnical International Commision）体模虽能用于评估 PET 成像系统性能，但在考虑不同组织密度以及进行精确的亚厘米测量时存在局限性。它通常使用水来模拟软组织的平均密度，以实现 PET 图像质量、对比度恢复等性能指标评估的标准化，然而人体组织密度是不均匀的，这使得该体模难以满足精准测量的需求。此外，PVE 还受到空间分辨率、图像采样、肿瘤大小和形状以及测量肿瘤内放射性药物浓度方法等多种因素的影响。在 PET 成像过程中，肿瘤内发生的一些电子 - 正电子湮灭事件可能会被误检测为来自周围组织，即 “溢出” 现象；相反，周围组织的湮灭事件也可能被误判为来自肿瘤，即 “混入” 现象，这两种情况都会影响 PET 成像定量测量的准确性。

为了提高 PET 成像系统对小病变的检测能力和测量精度，科研人员进行了大量的研究。目前已经有多种 PVE 校正策略，但在肿瘤 PET 研究中，这些策略的标准化应用尚未达成共识。在众多校正方法中，基于恢复系数（Recovery Coefficients，RC）模型的方法较为常见，该模型通过对测量的 SUV 应用校正因子来进行 PVE 校正。此次研究旨在利用定制的非均匀拟人人体模型，更精确地计算用于 PVE 校正的 RC 值，从而改进 PVE 校正策略，提高 PET 成像在小病变检测中的准确性和可靠性。

研究人员在四家不同的医院，使用来自三家供应商的四种 PET/CT 系统进行扫描实验。这些系统涵盖了两种不同的技术，它们的技术规格有所差异，例如晶体技术、矩阵、像素大小以及分辨率等方面均存在不同。实验采用定制的拟人人体模型，该模型能够模拟胸部、腹部和骨盆区域不同的组织衰减情况。模型内部放置了六个不同直径（0.3cm、0.5cm、0.9cm、1.3cm、1.9cm 和 2.8cm）的球体，这些球体被放置在填充有 F18 - FDG 溶液的圆柱体中，通过调整溶液浓度实现球体与背景 4:1 和 8:1 的活性比。

在图像采集环节，将拟人人体模型放置在 PET/CT 系统中，采用静态成像协议进行全身 PET/CT 扫描。扫描时，针对每组球体，在胸部、腹部和骨盆区域依次进行扫描，以确保全面获取数据。图像重建则依据各制造商的技术，使用系统特定的算法，如 TOF（Time of Flight，飞行时间）、UltraHD 和 Q - Clear 等。在数据量化过程中，选取对应球体中心的中央切片，手动绘制圆形感兴趣体积（Volume of Interest，VOI）来测量最大活性浓度。计算每个球体大小的 RC 值时，会考虑活性衰减，以保证测量的准确性，计算公式为：，RC 值是一个介于 0 到 1 之间的无量纲值，它反映了扫描仪测量球体内部活性浓度的准确性。研究人员还运用线性回归分析来评估球体大小、扫描站点和区域等变量对 RC 值的影响。

研究人员计算了不同尺寸球体在不同解剖区域和不同扫描站点的 RC 值，并将 RC 数据拟合到渐近回归模型（Asymptotic Regression Model，ARM）函数，以深入分析 RC 的特征。通过绘制 RC 值与球体直径的关系曲线，发现小尺寸球体由于部分容积效应，RC 值较低，成像系统难以准确捕捉其真实的活性浓度；随着球体直径的增大，RC 值通常会增加，因为较大的物体更容易被成像系统分辨，从而实现更精确的活性测量；当球体直径进一步增大时，RC 值会趋于稳定并接近 1，这表明成像系统能够准确恢复这些较大物体的真实活性浓度。同时，研究还发现成像系统的空间分辨率对 RC 值影响显著，高分辨率系统在较小直径球体的测量中能获得更好的 RC 值。

从不同解剖区域来看，胸部、腹部和骨盆区域的 RC 值在各中心表现相似，这说明 RC 值受身体位置的影响较小，在不同解剖区域具有一致性，这一特性使得 RC 值在临床和研究中的定量评估更为可靠。通过对不同 PET/CT 系统的研究发现，探测器技术、重建算法、轴向视野、系统灵敏度以及设备的使用年限和维护情况等因素，都会导致不同系统间 RC 值存在差异。在本研究中，使用拟人人体模型得到的 2.8cm 球体的 RC 值接近 0.9，而参考研究中使用 PET - NEMA 体模得到的 RC 值最高为 0.8（Srinivas 等人的研究）和 1（Krempser 等人的研究）；对于 1.3cm 的病变，本研究得到的 RC 值为 0.6，与其他研究中的 0.25（Srinivas 的研究）和 0.65（Krempser 的研究）也存在差异，这些差异可能是由体模特性、成像技术或其他实验因素导致的。此外，研究还发现，在 Site - 1 进行的研究中，随着 n 值增加，RC 值出现下降，这可能是由于活性加载与成像开始之间的时间差异，导致成像时体模内活性计数减少，图像噪声增加，进而影响了 RC 值的准确性。

准确测量 SUV 对于评估许多肿瘤的代谢活性、判断治疗反应至关重要。使用拟人人体模型并结合校正后的 SUV 值，有助于校准 PET 扫描仪，确保设备正常运行并提供可靠的数据。研究结果表明，球体直径对 RC 值的影响比 n 值更为显著，较小的球体更容易受到 PVE 的影响，在定量分析中需要特别关注。此外，虽然不同 PET/CT 系统间 RC 值存在差异，但通过本研究获得的不同尺寸球体在不同区域的 RC 值，能够对临床患者中相同大小肿瘤的平均 SUV 值进行标准化处理，消除设备和患者衰减等因素的影响，便于不同中心间 PET 结果的准确比较和解读。

本研究首次将拟人人体模型应用于小于 1cm（0.3cm、0.5cm、0.9cm）病变的分子成像，具有开创性意义。研究得到的 RC 值对于准确测量患者肿瘤放射性药物摄取量至关重要，一方面，它可以校正不同 PET/CT 系统导致的 SUV 数值差异，为临床医生评估治疗反应提供更准确的参考；另一方面，校正后的 SUV 参数能够独立于设备，应用于快速发展的人工智能算法和评估中，有助于更高效地进行患者评估。

然而，目前仍存在一些需要进一步研究的问题。例如，本研究使用的拟人人体模型虽然模拟了标准体型，但未来还需要研究不同体型以及患者特异性模拟对 PVE 校正的影响；同时，肿瘤的异质性并未在本研究中涉及，这也需要专门的研究进行探讨。此外，尽管本研究为 PVE 校正提供了有价值的数据和方法，但还需要开发更逼真的拟人人体模型，并在多中心、多种 PET/CT 系统中进行研究，以建立普遍认可的 RC 值。

总体而言，这项研究为 PET/CT 成像中 PVE 校正提供了新的思路和方法，其成果对于推动 PET 成像技术在肿瘤诊断中的标准化和精准化具有重要意义，为未来相关领域的研究奠定了坚实的基础，有望在临床实践中改善患者的诊疗效果。