基于體積感興趣區(qū)的18F-FET PET腦膠質(zhì)瘤分析方法研究

胡彬，胡海勇

1.浙江醫(yī)藥高等專科學(xué)校 醫(yī)療器械學(xué)院，浙江 寧波 315010；2.寧波市第二醫(yī)院 設(shè)備科，浙江 寧波 315000

引言

氨基酸類正電子放射藥物（18F- fluorethyl-L-Tyrosin，18F-FET）是彌補當(dāng)前18F-FDG PET不足的重要藥物[1]。與18F-FDG不同，18F-FET在正常腦組織中的攝取很低，尤其在良性病變?nèi)缪装Y、水腫、壞死和纖維化的組織中幾乎不攝取，有助于提高PET顯像的特異度[2]。最新一些臨床研究已經(jīng)證明18F-FET PET可以鑒別低級別膠質(zhì)瘤（WHO Ⅰ級和Ⅱ級）和高級別膠質(zhì)瘤（WHO Ⅲ級和Ⅳ級），并將其與非腫瘤病變區(qū)分開來[3-5]。此外，F(xiàn)ET PET已被證明能夠可靠區(qū)分腫瘤復(fù)發(fā)與由各種治療（如手術(shù)，外部放射治療和全身或局部化療）誘發(fā)的反應(yīng)性病變[6]。最近有研究顯示18F-FET更適用于診斷腦膠質(zhì)瘤，由此對于這方面的研究再次被重視起來[7-8]。在選取分析18F-FET PET腦膠質(zhì)瘤影像時通常采用基于標(biāo)準(zhǔn)攝取值的感興趣體積（Volume of Interest，VOI）選取法[9]，由于實際腫瘤形狀大小的特異性，該方法在選取過程中的精確度不高，因此需要探尋一種更為精確的VOI選取法以獲得準(zhǔn)確的分析結(jié)果。

1 資料與方法

1.1 研究對象

共收集25例腦膠質(zhì)瘤患者，其中低級別腦膠質(zhì)瘤7例，高級別腦膠質(zhì)瘤18例，包括間變型少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤，間變型星形細(xì)胞瘤，膠質(zhì)母細(xì)胞瘤和膠質(zhì)肉瘤。

1.2 儀器

PET成像掃描儀：西門子Ecat Exact HR+scanner（Siemens Medical Systems, Hoffman Estates，IL，USA；32 rings）。

1.3 實驗方法

1.3.1 數(shù)據(jù)采集

首先使用鍺棒源進行標(biāo)準(zhǔn)空白掃描，隨后對受試對象行15 min透射掃描，由此獲得衰減校正數(shù)據(jù)。受試對象均禁食至少6 h，隨后經(jīng)靜脈注射200 MBq18F-FET示蹤劑。每位受試對象在注射后40 min內(nèi)完成PET動態(tài)頭部掃描，整個掃描時間被分為16個時間段，每段時長在1～5 min之間。所得圖像采用Shepp濾波反投影傅立葉圖像重建并完成衰減校正，隨后將數(shù)據(jù)和圖像傳送至UNIX工作站進行后處理。

由于PET頭部掃描需要較長時間，受試對象頭部可能發(fā)生移動，需要檢查圖像中可能存在的頭部運動并校正，否則可能在最終圖像上產(chǎn)生偽影而且會影響時間—放射性活度曲線的結(jié)果。傳統(tǒng)做法需要使用軟件對每一幀圖像進行檢查，效率很低。為了提高效率和準(zhǔn)確率，本研究使用MATLAB（Version 7.6，MathWorks）軟件程序來完成自動校驗檢查。具體工作方法是計算幀與幀之間的位置差異，即第n+1幀減去第n幀獲得總共15幀梯度變化的圖像。將這些梯度幀圖像用PMOD（Version 3.2，PMOD Technologies Ltd）軟件加載并顯示在同一幅圖中進行對比，如果掃描過程中存在頭部運動，則在梯度幀圖像之間就會有位置差并在圖中顯現(xiàn)為明顯的輪廓（圖1）。反之，則梯度幀圖像之間無位置差，圖中只有噪聲信號影像。對于檢查出有頭部運動的圖像幀需要使用MPItool（Multi Purpose Imaging Tool，Advanced Tomo Vision GmbH V5.36） 軟 件校正。不同時段由于其時間長短不一，受試對象所處狀態(tài)的不同，很有可能會存在頭部位置變化導(dǎo)致圖像偽影。經(jīng)MATLAB程序檢查后發(fā)現(xiàn)第8和第9幀圖像存在頭部運動（圖1）需要使用MPItool軟件手動校正。校正過程中主要運用輪廓線對比法（圖2），其中圖2中第一行為第8幀圖像（用紅色輪廓線顯示），第二行為第9幀圖像（用黃色輪廓線顯示），第三行為前兩行的疊加圖像。將第二行的圖像作為參照，對照其輪廓線移動第一行圖像來使得第三行疊加圖像中的紅色和黃色輪廓線完全重合，由此完成頭部運動校正。完成后的圖像將再次使用之前方法檢查，直至頭部運動被完全校正。

圖1 頭部運動圖像幀檢查與校正

圖2 圖像中的頭部運動

1.3.2 數(shù)據(jù)分析

頭部運動校正后的數(shù)據(jù)被導(dǎo)入PMOD軟件中對VOI內(nèi)放射性活度的統(tǒng)計分析。本研究將腦膠質(zhì)瘤部分定義為VOI，并采用等輪廓線法來設(shè)定，因此VOI的大小取決于輪廓線的變化。設(shè)定VOI時先在其中一幀圖像上的腦膠質(zhì)瘤外圍部分選取一個方形ROI，隨后將該ROI沿正反兩個方向分別復(fù)制到當(dāng)前圖像幀的前后兩幀上，形成覆蓋整個腫瘤部分的三維立方體，保存為標(biāo)準(zhǔn)初始值。檢查每一幀圖像確定腫瘤完全覆蓋于設(shè)定的三維立方體空間內(nèi)。然后將閾值設(shè)定為50%，使得VOI能夠覆蓋超過標(biāo)準(zhǔn)初始空間分辨率50%的范圍。此外還設(shè)定閾值70%和90%作比較。由于腦膠質(zhì)瘤圖像具有異質(zhì)性，因此閾值50% VOI能夠覆蓋整個腦膠質(zhì)瘤，而閾值70% VOI覆蓋范圍小于整個腫瘤，相比之下閾值90%能夠覆蓋的范圍就更加有限。通過PMOD軟件獲得相應(yīng)VOI內(nèi)膠質(zhì)瘤相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)反映在時間—放射性活度曲線上，并對數(shù)據(jù)進行比較。

2 實驗結(jié)果

2.1 時間放射性活度曲線分析

從時間—放射性活度曲線分析結(jié)果可以看出，閾值50%的曲線平穩(wěn)地持續(xù)上升（圖3a）曲線上每一點都在正確位置上。前5個點相當(dāng)接近，代表其間隔時間相對較短，而接下來10個點間隔時間較長，距離也相對較大。閾值70%的時間活動曲線與閾值50%非常相似，但并不像前者那么平穩(wěn)（圖3b）。這是因為輪廓的閾值越大，VOI越小，由此產(chǎn)生噪聲越多。閾值為90%的曲線完全不是一條平滑的曲線（圖3c），可見其受到圖像噪聲影響很大，無法得出反映真實情況的分析結(jié)果。

2.2 閾值對比分析

為了更清晰準(zhǔn)確地比較不同閾值下時間—放射性活度曲線的差異性，將PET動態(tài)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到單一時間下的同一幀圖像中進行比對。將之前所得VOI閾值50%、70%和90%的數(shù)據(jù)導(dǎo)入同個坐標(biāo)下形成時間—放射性活度曲線（圖4）。從圖4a中可以看出，即便是取50%閾值，如果PET成像中含有頭部運動，也會影響曲線的穩(wěn)定性，由此得出的結(jié)果無法體現(xiàn)準(zhǔn)確的腫瘤信息。除去頭部運動后的曲線（圖4b）VOI閾值90%曲線波動較大，放射性活度具有不確定性，這是因為它的感興趣體積在區(qū)域內(nèi)覆蓋的范圍很小，不能代表整個腫瘤部分。VOI閾值70%曲線趨勢相比于前者走勢更為平緩，但是也存在個別點偏離曲線正常位置。而VOI閾值50%曲線在所有曲線中最為平穩(wěn)持續(xù)，雖然其中第12點不在曲線正常位置上，但是這極有可能是由于一個尚未修正的頭部運動引起，再進行更為細(xì)致的頭部運動矯正后可以修復(fù)。

3 討論

近年來氨基酸類正電子顯像在膠質(zhì)瘤中得到了較好的發(fā)展，尤其是18F-FET因為其較長的半衰期、理想的生物分布，得到了越來越多的應(yīng)用[10-11]。在分析評估惡性腦膠質(zhì)瘤時，由于輪廓處理采用的成像模板不同會得到不同的目標(biāo)體積，由此將可能導(dǎo)致取得顯著不同的分析結(jié)果[12]。Filss等[13]使用靜態(tài)18F-FET PET結(jié)合形態(tài)學(xué)MR圖像生成VOI，并將這些VOI套用到相應(yīng)的灌注加權(quán)的MR圖像（PWI）上用于腦膠質(zhì)瘤影像分析。由于需要MR圖像的輔助，該方法在應(yīng)用過程中相對復(fù)雜。

在本研究中通過MATLAB、MPI-Tool和PMOD 3種軟件結(jié)合分析處理18F-FET腦膠質(zhì)瘤的攝取動力學(xué)情況。衰減校正數(shù)據(jù)來自PET掃描前進行的鍺棒源15 min透射掃描，存在以下限制和不足[14]：① 受檢者體內(nèi)發(fā)射計數(shù)的干擾；② 由于掃描時間和鍺放射源的限制導(dǎo)致統(tǒng)計性不足；③ 受限于透射源幾何位置及運動特征，透射掃描與發(fā)射掃描中的散射和偶然符 合計數(shù)有明顯差異。

圖4 閾值50%、70%和90%的時間—放射性活度曲線

近年來隨著PET/CT一體機的普及，應(yīng)用CT掃描數(shù)據(jù)來進行PET衰減校正技術(shù)也越來越成熟。CT衰減校正速度快效率高，但是由于需要進行衰減系數(shù)轉(zhuǎn)化，對于高原子序數(shù)材料存在過度校正問題，影響PET定量分析的準(zhǔn)確性，甚至導(dǎo)致PET圖像偽影[15-16]。MATLAB程序在計算分析每一幀圖像之間的差異上功能強大，能夠產(chǎn)生非常清晰的梯度圖像，有助于分辨圖像中存在的動態(tài)偽影。相比逐一比較每一幀圖像，亦可節(jié)約大量時間，提高了工作效率和準(zhǔn)確率。本研究中圖像質(zhì)量問題主要來源于受試對象在掃描過程中的頭部運動。因此在選取VOI前需先校正頭部運動，以提高圖像質(zhì)量和VOI選取的準(zhǔn)確性。在MPITool軟件環(huán)境下通過輪廓線對比法，可以手動糾正去除頭部運動導(dǎo)致的動態(tài)圖像偽影。此外，利用體表標(biāo)識或者骨性標(biāo)識進行圖像對比以去除頭部運動也有不錯的效果，成為目前研究的一大熱點。PMOD軟件不僅能顯示最終完成的圖像結(jié)果，而且在統(tǒng)計分析所設(shè)定的VOI內(nèi)時間—放射性活度曲線方面發(fā)揮了重要作用。

圖3 時間—放射性活度曲線閾值統(tǒng)計結(jié)果

綜上所述，在分析處理腦膠質(zhì)瘤攝取的動力學(xué)行為方面運用等輪廓線法設(shè)定VOI進行分析的方法是有效的，并在選取閾值50%的情況下準(zhǔn)確率相對較高。

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