崔 燕，李亞明

（中國醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院，遼寧 沈陽 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，影響對病灶性質(zhì)的判定及放化療等治療效果的評估。本文對PVE的成因、影響因素、實際影響進(jìn)行初步的探討。

1 PVE的成因

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

1.1 點源擴展

1.1.1 理論上點源擴展的原因

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，才能與負(fù)電子結(jié)合，產(chǎn)生湮沒輻射，發(fā)射出雙光子。正電子的飛行距離使點源顯像有一定的擴展。核素發(fā)生β+衰變時，同時發(fā)射出4個中微子，衰變能由正電子和中微子隨機分配，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，也會造成點源成像后向周圍擴展。

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

1.1.2 探測技術(shù)上點源擴展的原因

目前臨床應(yīng)用的新型PET探測器多采用多排環(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BGO晶體探頭大小為橫斷面4 mm，軸向面8 mm，半徑30 mm，每個模塊都配有2個光電倍增管。當(dāng)射線在模塊中的任一個BGO單元中引起閃爍，模塊中所有光電倍增管都能探測到。探測器晶體的性能及大小影響分辨率。晶體厚度影響探測效率及能量分辨率。晶體加厚使入射光子和晶體相互作用機會增加，探測效率提高；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會也增加，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，接受入射光子的機會增加，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)，點源擴展。對視野中心處的點源，分辨率損失為晶體大小的一半，而對探頭附近的點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。最終每個體素的信號密度是包含其內(nèi)所有組織信號密度的平均值。

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

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，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。1979年Hoffman等[3]最早提出PVE的概念：“在正電子成像中，物體對比度的損失是因為該物體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有完全包括在視野中?！敝笥性S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)分辨率會受PVE影響，值得注意的是此結(jié)論是在本底放射性活動很低或沒有的情況下得出的，近些年一些學(xué)者[7-9]通過體模實驗研究發(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)論在病變療效評估隨訪中意義重大。當(dāng)惡性病變在治療過程中體積縮小時，PVE會導(dǎo)致視覺上比之前體積較大時暗淡。因此，即使病灶的實際代謝率保持不變或者升高，PVE也會導(dǎo)致測量的SUV降低；相反，當(dāng)小的良性病變在治療過程中體積增大，PVE會導(dǎo)致視覺上比之前體積較小時濃聚，測量的SUV也會升高，但事實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，病灶實質(zhì)分布的“緊實”程度相關(guān)。“緊密”指的是對于一個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”，球體是最“緊實”的病灶體積類型?！熬o實”程度低的病灶，實質(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)生對于不同形狀的病灶，特別是形狀不規(guī)整的病灶，對SUV變化的詮釋應(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)分辨率不變的時候，病灶的大小、形狀和病灶的攝取程度幾乎可以完全評估“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強度相關(guān)。Kessler等[10]于1984年最早討論本底對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PVE的影響，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)病灶和本底濃度相差較大時，直徑引起的SUV低估程度比二者相差較小時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，系統(tǒng)點擴展函數(shù)的峰值降低，形狀變寬，同時觀察到分辨率隨著本底濃度的升高而降低。因為人體內(nèi)病灶同時受到周圍多個不同組織信號的影響，所以“溢進(jìn)效應(yīng)”的影響程度是難以評估和預(yù)測的。

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。因此對于具有同樣大小、形狀、攝取的病灶在肺部的圖像會比在肝臟內(nèi)暗淡，SUV也相對較低。當(dāng)惡性病變在治療過程中出現(xiàn)壞死時，對造影劑的攝取會降低，但是如果本底升高時，會造成視覺上還有更多腫瘤活性細(xì)胞攝取造影劑，同時減弱SUV的降低程度，造成對療效的錯誤估計。

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候才有意義，否則SUV的變化可能只是周圍本底的變化，并沒有反應(yīng)病灶真實代謝率的改變。

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。分辨率決定了點源擴展的程度和點源的實際位置。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)的增加會改善分辨率，但是當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到某個閾值時，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)的截點如果設(shè)置過低，會導(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；然而在高計數(shù)率的情況下，F(xiàn)BP比OSEM法具有更高的信噪比。因為圖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)變化對分辨率的影響。

2.4 圖像采集條件

圖像采集對PVE的影響是通過組織分?jǐn)?shù)效應(yīng)實現(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，使圖像的對比度下降SUV低估。特別是那些和體素大小相當(dāng)?shù)牟≡?，PVE會嚴(yán)重影響病灶的探測和SUV的測量。但體素過小又會導(dǎo)致噪聲增加，特別是選擇易受噪聲影響的SUVmax作為測量指標(biāo)時，SUVmax會有很大的統(tǒng)計學(xué)漲落。因此合理的選擇體素大小對減少SUV測量偏差很有意義。

2.5 測量方法

一直以來，學(xué)術(shù)界公認(rèn)的觀點是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]。事實上，PVE的影響和測量病灶攝取值的ROI有關(guān)。關(guān)于最佳的測量方法至今沒有統(tǒng)一定論。幾種不同的測量方法如下：①SUVmax：SUVmax是病灶內(nèi)一個像素大小的ROI得到的SUV中的最大值。SUVmax的獲取不受勾畫ROI這種主觀測量的影響。在沒有噪聲的前提下，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、像素大小（像素越小，像素間噪聲越大）等[19]影響。在任何真實的成像情況中，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)，不是一個可靠的指標(biāo)[20]。因此，在不同儀器或同一個儀器的多次掃描（如治療前后），SUVmax的比較是令人質(zhì)疑的，可能會影響療效的評估。但是對于非均勻病灶，即使在沒有噪聲的前提下，SUVmax也不能代表整個病灶的攝取情況。②SUVmean：SUVmean的獲取有很多種，分為按病灶輪廓人工勾畫ROI、固定大小ROI、閾值法ROI等。人工勾畫ROI是按照病灶輪廓人為勾畫ROI，受主觀影響，觀察者間變異較大[21]；固定大小ROI法是通過計數(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)生變化時該方法會產(chǎn)生較大測量偏差[22]。閾值法ROI是使用一定閾值的SUVmax或靶區(qū)本底比值自動勾畫ROI[23-24]，這一閾值可以是固定的[25]，也可以是公式計算出來的[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，但會因為病灶代謝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)了真實的SUV,但因方法較為繁雜，尚未在臨床討論和使用。

3 PVE的實際影響

PVE會嚴(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，測量到的SUVmax會小于實際SUVmax，病灶也會呈現(xiàn)較實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。“溢進(jìn)效應(yīng)”在一定程度上可以補償 “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)測的。值得注意的是，在沒有本底的情況下，PVE不影響病灶的整體放射性活度。如果在病灶周圍勾畫一個足夠大的ROI，病灶所有的放射性活度就可以恢復(fù)。換句話說，PVE并沒有導(dǎo)致信號的丟失，它只是造成信號的再分布。

PVE也會影響病灶體積的測量。這種影響會在PET輔助放療勾畫靶區(qū)時產(chǎn)生問題。精確的勾畫病灶實際代謝活性區(qū)對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)的勾畫是以CT為根據(jù)的，但CT往往不能反映病灶的實際代謝活性區(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，但是因為PVE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大于實際代謝活性范圍，從而影響真實靶區(qū)的勾畫。

綜上所述，PVE對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。值得強調(diào)的是適合定量分析的最佳圖像未必是最適于探測病灶且成像質(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，適用高分辨率高噪聲的圖像；當(dāng)需要在圖像上視覺判讀病灶時，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、測量方式等，這樣才能相對正確的詮釋病灶的實際代謝活度變化，為臨床治療方案的制定和修改提供較為可靠的依據(jù)。

[1]Basu S,Zaidi H,Holm S,et al.Quantitative techniques in PETCT imaging[J].Curr Med Imaging Rev,2011,7(3):216-233.

[2]Lambrou T,Groves AM,Erlandsson K,et al.The importance of correction for tissue fraction effects in lung PET:preliminary findings[J].Eur J Nucl Med Mol Imaging,2011,38(12):2238-2246.

[3]Hoffman EJ,Huang SC,Phelps ME.Quantitation in positron emission computed tomography:1.effect of object size[J].J Comput Assist Tomogr,1979,3(3):299-308.

[4]Brambilla M,Matheoud R,Secco C,et al.Impact of target-tobackground ratio,target size,emission scan duration,and activity on physical figures of merit for a 3D LSO-based whole body PET/CT scanner[J].Med Phys,2007,34(10):3854-3865.

[5]Wilson JM,Turkington TG.Multisphere phantom and analysis algorithm for PET image quality assessment[J].Phys Med Biol,2008,53(12):3267-7328.

[6]李從心，郭寧，程午櫻，等.PET陽性結(jié)節(jié)灶的部分容積效應(yīng)校正[J]. 中國醫(yī)療設(shè)備，2009，24（8）：17-19.

[7]Park SJ,Lonascu D,Killoran J,et al.Evaluation of the combined effects of target size,respiratory motion and background activity on 3D and 4D PET/CT images[J].Phys Med Biol,2008,53(13):3661-3679.

[8]Srinivas SM,Dhurairaj T,Bural S,et al.A recovery coefficient method for partial volume correction of PET images[J].Ann Nucl Med,2009,23(4):341-348.

[9]Wiyaporn K,Tocharoenchai C,Pusuwan P,et al.Factors affecting standardized uptake value(SUV)of positron emission tomography(PET)imaging with18F-FDG[J].J Med Assoc Thai,2010,93(1):108-114.

[10]Kessler RM,Ellis JR,Eden M.Analysis of emission tomographic scan data:limitations imposed by resolution and background[J].J Comput Assist Tomogr,1984,8(3):514-522.

[11]Arne S. “Intensity diffusion” is a better description than “partial volume effect”[J].Eur J Nucl Med Mol Imaging,2009,36(3):536-553.

[12]Sakaguchi Y,Mizoguchi N,Mitsumoto K,et al.A simple table lookup method for PET/CT partial volume correction using a point-spread function in diagnosing lymph node metastasis[J].Ann Nucl Med,2010,24(8):585-591.

[13]Teo BK,Seo Y,Bacharach SL,et al.Partial-volume correction in PET:validation of an iterative postreconstruction method with phantom and patient data[J].J Nucl Med,2007,48(5):802-810.

[14]Fakhri GE,Santos PA,Badawi RD,et al.Impact of acquisition geometry,image processing,and patient size on lesion detection in whole-body18F-FDG PET[J].J Nucl Med,2007,48(12):1951-1960.

[15]Van Velden FH,Kloet RW,van Berckel BN,et al.Comparison of 3D-OP-OSEM and 3D-FBP reconstruction algorithms for high-resolution research tomography studies:effects of randoms estimation methods[J].Phys Med Biol,2008,53(12):3217-3230.

[16]Tong S,Alessio AM,Kinahan PE,et al.Image reconstruction for PET/CT scanners:past achievements and future challenges[J].Imaging Med,2010,2(5):529-545.

[17]Adams MC,Turkington TG,Wilson JM,et al.A systematic review of the factors affecting accuracy of SUV measurements[J].AJR,2010,195(2):310-320.

[18]Hoetjes NJ,Velden FH,Hoekstra OS,et al.Partial volume correction strategies for quantitative FDG PET in oncology[J].Eur J Nucl Med Mol Imaging,2010,37(9):1679-1687.

[19]Schwartz J,Humm JL,Gonen M,et al.Repeatability of SUV measurements in serial PET[J].Med Phys,2011,38(5):2629-2638.

[20]耿建華，陳英茂，田嘉禾，等.校正PET圖像上病灶SUV值的研究[J]. 核電子學(xué)與探測技術(shù)，2009，29（4）：926-930.

[21]Krak N,Boellaard R,Hoekstra OS,et al.Effects of ROI definition and reconstruction method on quantitative outcome and applicability in a response monitoring trial[J].Eur J Nucl Med Mol Imaging,2005,32(3):294-301.

[22]Soret M,Bacharach SL,Buvat I.Partial volume effect in PET tumor Imaging[J].J Nucl Med,2007,48(6):932-945.

[23]Schaefer A,Kremp S,Hellwig D,et al.A contrast-oriented algorithm for FDG-PET-based delineation of tumour volumes for the radiotherapy of lung cancer:derivation from phantom measurements and validation in patient data[J].Eur J Nucl Med Mol Imaging,2008,35(11):1989-1999.

[24]Zheng Y,Syh J,Yao M,et al.An automatic method for PET target segmentation using a lookup table based on volume and concentration ratio[J].Technol Cancer RES Treat,2010,9(3):243-252.

[25]Tylski P,Stute S,Grotus N,et al.Comparative assessment of methods for estimating tumor volume and standardized uptake value in18F-FDG PET[J].J Nucl Med,2010,51(2):268-276.

[26]Sydoff M,Uusijarvi H,Leide-Sveqborn S,et al.Absolute quantification of activity content from PET images using the Philips Gemini TF PET/CT system[J].Radiat Prot Dosimetry,2010,139(1-3):236-239.

[27]Jentzen W,Freudenberg L,Eising EG,et al.Segmentation of PET volumes by iterative image thresholding[J].J Nucl Med,2007,48(1):108-114.

[28]Geets X,Lee JA,Bol A,et al.A gradient-based method for segmenting FDG-PET images:methodology and validation[J].Eur J Nucl Med Mol Imaging,2007,34(9):1427-1438.

[29]Wanet M,Lee JA,Weynand B,et al.Gradient-based delineation of the primary GTV on FDG-PET in non-small cell lung cancer:a comparison with threshold-based approaches,CT and surgical specimens[J].Radiother Oncol,2011,98(1):117-125.