靜態(tài)掃描協議下的動態(tài)FDG PET成像技術研究

葉 青，姚樹林，呂振雷，劉亞強，馬天予*

（1．清華大學工程物理系，北京 100084；2．清華大學粒子技術與輻射成像教育部重點實驗室，北京100084；3.解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學中心核醫(yī)學科，北京 100853）

0 引言

動態(tài)PET成像是一種先進的成像技術，建立在藥物代謝動力學[1]的理論上，可以更好地發(fā)揮PET功能性成像的特點。動態(tài)掃描的過程通常是：患者先躺在掃描床上，保持靜止不動，醫(yī)生將導管（此導管也可用來采集血液樣品，用于獲取動態(tài)分析中的血漿輸入函數）插入患者體內，在開始掃描的同時進行放射性藥物的注射。為了掃描的重復性、安全性和準確性，在條件允許的情況下，按照設定好的注射計劃，通過靜脈注射泵或類似設備注入藥物[2]。在長時間的掃描后，獲得多幀圖像，分析各幀的變化可以估計藥物代謝的程度。與傳統(tǒng)靜態(tài)PET成像技術相比，動態(tài)PET成像藥物攝入和停留的過程可以更好地表現出來。動態(tài)分析得到的動態(tài)代謝參數可以更直接地反映藥物代謝水平及細胞組織的健康水平。

然而，動態(tài)PET成像技術在臨床上還未廣泛應用，主要受到掃描協議的制約。動態(tài)成像長時間地掃描一方面增加了患者精神和身體上的負擔，另一方面增大了運動偽影產生的可能性。采集患者血液樣品，分析獲得血漿輸入函數，是一種較通用的動態(tài)成像技術，但這一過程對技術設備和技術人員的要求很高。動脈采血是侵入式的，存在操作者接觸放射線及患者感染、出血和形成血栓的風險，對人的傷害較大[3]。此外，動態(tài)掃描還存在數據量大、分析處理復雜等問題。各種硬件軟件條件的限制，尤其是掃描時間長和采血困難，使得動態(tài)PET成像技術在臨床上難以推廣。

縮短掃描時間的方法有2種：一種是從注射時刻開始掃描約20 min，采用支持向量機算法預測20 min之后的時間-活度曲線[4]。該方法對噪聲較為敏感，不能發(fā)揮Patlak分析在后期才能達到的線性優(yōu)勢。另一種是掃描時間從注射FDG藥物一段時間之后開始。注射之后60～90 min的短時間掃描被證實具有可行性[5]，但對此方法還需要做進一步的研究比較。

綜上，本文提出了一種簡化的掃描協議，針對動態(tài)FDGPET成像，采用基于模板的血漿輸入函數（population-basedinputfunction，PBIF），縮短采集時間，實現靜態(tài)掃描協議下的動態(tài)FDG PET成像。該方法在基于感興趣區(qū)的分析中驗證了可行性[6]。本次研究針對基于體素的分析，獲取了PBIF，開發(fā)了間接和直接圖像重建的平臺，應用于模擬數據和動物試驗數據上，驗證了該掃描協議的可行性，取得了較好的結果?，F報道如下。

1 資料與方法

1.1 資料

本次的研究對象為大鼠。模仿大鼠的結構，建立用于蒙特卡羅模擬的簡化模型。如圖1所示，該模型由主體、感興趣區(qū)和血漿輸入函數獲得區(qū)3個部分組成。主體為圓柱形，感興趣區(qū)和血漿輸入函數獲得區(qū)為球形。其中感興趣區(qū)用來模擬大鼠的心肌部分。

動物試驗選用6周齡雄性SD1大鼠。采用的試驗設備為北京永新醫(yī)療設備有限公司的InliView 3000A多模態(tài)小動物成像系統(tǒng)。

圖1 模擬大鼠的簡化模型橫截面

1.2 方法

如圖2所示，本文提出的動態(tài)簡化掃描協議是在患者注射FDG藥物之后，休息一段時間進行較短時間的PET掃描，再對掃描數據進行基于體素的動態(tài)分析。決定該掃描協議的2個參數分別是掃描持續(xù)時間（T）和掃描開始時間（t*）。

圖2 簡化的動態(tài)掃描協議示意圖

基于體素的動態(tài)分析主要分為間接重建和直接重建2種方法[7]。間接重建是對各幀圖像分別重建，再對每一個體素的時間-活度曲線進行藥物代謝動力學分析。本研究中，圖像重建采用有序子集-最大期望（ordered subsets expectation maximization，OSEM）重建算法，子集數為10個。針對FDG的代謝動力學特征，采用Patlak線性分析方法計算代謝參數Ki和V[8-9]。直接重建方法是從采集到的數據直接計算得到代謝參數圖像，結合了圖像重建和Patlak分析方法。為了加快重建收斂速度，選用嵌套迭代算法[10]，對多幀動態(tài)圖像和代謝參數圖像分別迭代計算，具體迭代過程如圖3所示。多幀動態(tài)圖像的更新為外部迭代，代謝參數圖像的更新為嵌套的內部次級迭代，一次外部迭代中的內部次級迭代次數為20次[11]。

縮短掃描時間后，用于藥物代謝動力學分析的血漿輸入函數無法從血液樣品或者圖像中完整獲得。由于缺少剛注射藥物之后的信息，血漿輸入函數無法建立起來。因此，我們采用PBIF來替代血液取樣。

對于一些特定的放射性藥物，如FDG等，應用相似注射方案的患者或健康志愿者，血漿輸入函數的曲線形狀非常相似。因此，這些血漿輸入函數可以整合為一個數據庫，從中提取PBIF。提取過程包括對血漿輸入函數的擬合、標準化和平均化[12]。PBIF與采集血液樣品比較，過程更簡單、可操作性強，并且適用于短時間的簡化掃描協議。

圖3 直接重建嵌套迭代示意圖

將PBIF應用于一個新的對象時，需要對其進行縮放調整。直接重建中更新代謝參數圖像的過程是線性的，因此縮放系數可以作用于輸入函數，也可以作用于參數圖像，結果是等價的，該等價公式如下所示：

在本研究提出的簡化掃描協議中，短時間的掃描只能得到部分時間段的圖像。通過在圖像中劃取感興趣區(qū)域，如左心室等，可以獲得研究對象的血漿輸入函數，即基于圖像的血漿輸入函數（image-derived input function，IDIF）?？s放系數的計算需要比較IDIF和PBIF，需要建立在多幀圖像的基礎上。因此，將縮放系數作用于參數圖像，避免多幀圖像的重復計算。整個直接重建的流程如圖4所示，主要分為2個步驟：（1）應用PBIF進行直接圖像重建，獲得未縮放的代謝參數圖像；（2）對代謝參數圖像進行縮放，獲得準確的定量結果。

1.3 試驗

1.3.1 模擬試驗

對大鼠模型各部分設定代謝參數和血漿輸入函數，即可得到該模型在不同時間幀的真實圖像。血漿輸入函數獲得區(qū)的圖像值即為設定的輸入函數，由真實的大鼠實驗數據提取IDIF獲得。主體和感興趣區(qū)的圖像值由該輸入函數下房室模型計算得到。主體和感興趣區(qū)的Ki真實值分別為0.001和0.05 ml·min-1·cm-3。將真實圖像放入多模態(tài)小動物成像系統(tǒng)進行前投影，疊加泊松噪聲，獲得模擬數據。對模擬數據應用PBIF進行間接和直接的動態(tài)分析，這里PBIF是從文獻中獲取的[13]。研究比較2種不同時長和不同開始時刻的掃描協議（20～90和60～90 min）。

圖4 應用PBIF直接重建流程示意圖

1.3.2 動物試驗

動物試驗選用6周齡雄性SD1大鼠，實驗前一晚大鼠禁食禁水，開始采集前4h恢復供水供食。對麻醉的大鼠注射0.7 mCi FDG藥物，注射藥物的同時開始PET掃描，掃描時間約為90 min。PBIF同樣是從文獻中獲得[13]。研究比較3種不同時長和不同開始時刻的掃描協議（20～90、60～90 和 40～70 min）。

2 結果

2.1 模擬數據結果

模擬數據間接和直接重建的代謝參數圖像如圖5所示。與間接重建的圖像相比，直接重建得到的結果噪聲更小。采用短時間（60～90 min）的掃描協議時，間接重建的參數圖像有很大的噪聲，而直接重建的參數圖像得到了合理的結果。

圖5 間接和直接重建的模擬數據代謝參數圖像

圖6顯示了對模擬結果的定量分析，使用短時間的簡化掃描協議（60～90 min），與傳統(tǒng)掃描協議（20～90 min）分析相比，Ki的誤差為 3.2%，小于5%，在可接受范圍內。比較感興趣區(qū)域對主體的對比噪聲比（contrast to noise ratio，CNR），直接重建的結果更好。

圖6 模擬結果的定量分析

為了研究直接重建的收斂情況，比較了不同迭代次數下的直接重建結果，如圖7所示。直接重建表現出了更低的標準差（standard deviation，SD）和略微增大的誤差。采用簡化掃描協議誤差更大、收斂速度更慢。

圖7 模擬數據直接重建收斂分析

2.2 動物試驗結果

一只典型大鼠在不同掃描協議下間接和直接重建的Ki圖像如圖8所示。直接重建明顯降低了圖像噪聲。只掃描30 min進行直接重建，與掃描70 min進行間接重建，得到的圖像噪聲水平相近。圖9顯示了對心肌部分定量分析比較的結果。與模擬結果類似，對于簡化掃描協議，Ki的誤差在可接受范圍內。直接重建圖像表現出更高的對比度。對于T=30 min，t*為60和40 min，結果沒有表現出明顯差異。

圖8 動物試驗重建Ki圖像

圖9 動物試驗定量分析結果

3 結論

本研究中建立了基于體素分析的直接和間接重建平臺用于大鼠模擬數據和實驗數據，以驗證簡化的掃描協議可行性。直接重建明顯降低了代謝參數圖像噪聲水平，略微增大了誤差。與IDIF相比，PBIF的結果是合理可行的。因此，采用簡化的掃描協議，優(yōu)點在于可以在較短時間內獲得動態(tài)參數信息，且不需要采血，使得動態(tài)成像更高效、操作性更強；缺點是可能增大動態(tài)參數的誤差，略微降低準確度。但是應用簡化掃描協議獲得的動態(tài)參數結果來進行診斷的正確率，仍需進一步研究比較。

縮短掃描時間的掃描協議目前取得了較好的結果，有比較大的發(fā)展前景，值得進一步的研究。相關臨床試驗正在進行中，計劃未來實現臨床驗證，優(yōu)化掃描協議，進一步推動動態(tài)FDG PET成像在臨床上的應用。