PET自由呼吸門控技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究*

王 瞳 李 楠 朱文佳 朱朝暉 張 悅 霍 力 李 方* 張 輝

近年來(lái)，正電子發(fā)射斷層掃描-CT(positronemission tomography，PET/CT)已成為腫瘤評(píng)估的有效檢查工具，然而受限于PET的掃描速度，在PET掃描期間人體器官的呼吸運(yùn)動(dòng)會(huì)造成PET圖像中器官和病灶區(qū)域邊界模糊，圖像對(duì)比度下降，與CT圖像的融合度也會(huì)變差[1]。在典型的PET/CT掃描中，CT掃描時(shí)間短，呼吸運(yùn)動(dòng)可忽略，而PET掃描時(shí)間長(zhǎng)，一般每床位采集2～3 min，胸腹部病灶受呼吸運(yùn)動(dòng)的影響明顯，PET圖像中病灶的尺寸往往在視覺(jué)上大于CT圖像中的尺寸，且病灶的標(biāo)準(zhǔn)化攝取值(standardized uptake value，SUV)也會(huì)受到影響。呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)測(cè)量SUV的準(zhǔn)確性會(huì)直接影響到對(duì)腫瘤病灶的診斷以及治療方案的制定[7]。

采用呼吸門控技術(shù)可以對(duì)呼吸運(yùn)動(dòng)進(jìn)行校正。呼吸門控技術(shù)通過(guò)門控設(shè)備采集患者的呼吸運(yùn)動(dòng)信號(hào)，目前臨床常用的呼吸信號(hào)采集方式主要有ANZAI呼吸門控系統(tǒng)的壓片式呼吸門控儀、紅外感應(yīng)呼吸幅度、鼻腔氣流測(cè)量?jī)x和口腔氣流溫度計(jì)量?jī)x4種。以ANZAI呼吸門控系統(tǒng)為例，其特點(diǎn)是根據(jù)壓片壓力變化可得到呼吸運(yùn)動(dòng)的波形。在獲得呼吸信號(hào)波形的基礎(chǔ)上將1個(gè)呼吸周期分為6～8個(gè)時(shí)相，通過(guò)時(shí)相分割的方式進(jìn)行門控圖像重建，從而達(dá)到對(duì)呼吸運(yùn)動(dòng)進(jìn)行校正的效果。本研究采用一種新的自動(dòng)門控方法(自由呼吸門控技術(shù))對(duì)呼吸運(yùn)動(dòng)進(jìn)行校正，該技術(shù)無(wú)需使用傳統(tǒng)的外部門控設(shè)備，通過(guò)PET采集的原始數(shù)據(jù)直接提取患者的呼吸運(yùn)動(dòng)信號(hào)[3，5，9]。為此，本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)自由呼吸門控與ANZAI呼吸門控系統(tǒng)進(jìn)行比對(duì)，以探討自由呼吸門控技術(shù)的價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 儀器設(shè)備

采用PoleStar m660型PET/CT儀[賽諾聯(lián)合醫(yī)療科技(北京)有限公司]，56環(huán)硅酸銥镥(LYSO)晶體探測(cè)器環(huán)，具有飛行時(shí)間成像功能，配備64層高速螺旋CT。該設(shè)備提供自由呼吸成像技術(shù)，可以進(jìn)行自由呼吸PET圖像門控采集與重建。同時(shí)利用外部呼吸門控設(shè)備進(jìn)行呼吸信號(hào)采集和門控重建，即采用WAVE DECK(Respiratory Gating System AZ-773V)型ANZAI呼吸門控系統(tǒng)裝置(日本ANZAI公司)，電壓220 V，提供門控觸發(fā)信號(hào)。

1.2 體模模型

選用美國(guó)國(guó)家電氣制造商協(xié)會(huì)(N a t i o n a l Electrical Manufacturers Association，NEMA)、國(guó)際電工委員會(huì)(International Electro technical Commission，IEC)體模中直徑為2.8 cm、對(duì)應(yīng)容積為11.49 ml的球體。實(shí)驗(yàn)中將球體固定于呼吸運(yùn)動(dòng)模擬器的頭端，通過(guò)該模擬器帶動(dòng)球體的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以模擬患者的呼吸運(yùn)動(dòng)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

利用ANZAI呼吸門控系統(tǒng)外接門控裝置采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)重建可得到有呼吸門控校正的圖像和無(wú)呼吸門控校正的圖像，分別記為GATED和NON-GATED。利用PoleStar m660型設(shè)備提供的自由呼吸功能，也可分別重建得到呼吸門控校正圖像和無(wú)呼吸門控校正的圖像，分別記為FREE和NON-FREE。

按3.7 MBq/ml濃度配置18F-氟代脫氧葡萄糖(18F-flurodeoxyglucose，18F-FDG)溶液，將18F-FDG溶液注入球體模型，球體固定于呼吸運(yùn)動(dòng)模擬器的頭端，置于檢查床上，確保各設(shè)備均已連接正常，呼吸運(yùn)動(dòng)模擬器處于開(kāi)啟狀態(tài)，調(diào)整門控波形及觸發(fā)信號(hào)，濃度計(jì)算為公式1：

按公式計(jì)算出18F-FDG濃度為0.077 mCi/ml(2849000 Bq/ml)時(shí)的間隔時(shí)間，于該濃度點(diǎn)先后進(jìn)行GATED球體采集和FREE模型數(shù)據(jù)采集，每次采集3 min，對(duì)兩種采集方式進(jìn)行圖像后重建，按圖像輪廓勾畫(huà)感興趣區(qū)域(region of interest，ROI)，測(cè)定體積并記錄，然后勾畫(huà)半徑為2 cm的固定大小ROI，將ROI置于每組圖像球體中心位置，測(cè)定平均濃度及最大濃度并記錄，測(cè)量數(shù)據(jù)的單位為Bq/ml，記錄并分析結(jié)果，上述實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次。以上實(shí)驗(yàn)均為同一人操作，場(chǎng)所環(huán)境、設(shè)備采集和重建參數(shù)均一致，數(shù)據(jù)測(cè)量為2人各測(cè)一遍。

1.4 重建算法

重建算法采用有序子集最大期望值(ordered subset expectation maximization，OSEM)迭代法+飛行時(shí)間(time of flight，TOF)，迭代次數(shù)為2，子集為10，zoom為1，選用Gaussian濾波，半高寬(full width half maximum，F(xiàn)WHM)為4.5 mm。

1.5 觀察與評(píng)價(jià)指標(biāo)

(1)觀察記錄ANZAI門控系統(tǒng)采集重建圖像(GATED)中體積、最大濃度、平均濃度及各時(shí)相平均值與理論值，其理論值計(jì)算為公式2：

式中ΔGATED為GATED-理論值；ΔNON為(NONGATED)-理論值。

(2)觀察記錄自由呼吸模式下門控圖像(FREE)中體積、最大濃度及平均濃度各時(shí)相平均值與理論值，其理論值計(jì)算為公式3：

式中ΔFREE為FREE-理論值；ΔNON為(NONFREE)-理論值。

(3)觀察比較兩種門控方法和非門控方法患者病灶體積、SUVmean(平均SUV)、SUVmax(最大SUV)。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件，不同方法的各時(shí)相數(shù)據(jù)平均值與理論值的差值以均值±標(biāo)準(zhǔn)差(x-±s)表示，進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 兩種門控方法與非門控方法圖像比較

門控采集時(shí)，將每個(gè)呼吸周期分為6個(gè)時(shí)相，經(jīng)門控方式采集重建后的圖像可明顯校正由呼吸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)偽影，數(shù)據(jù)由2人分別進(jìn)行勾畫(huà)測(cè)量，每個(gè)時(shí)相都按邊界勾劃，可得到在PET圖像上測(cè)得的體積、最大濃度及平均濃度，然后分別對(duì)各時(shí)相體積、最大濃度及平均濃度取平均值，記錄并分析數(shù)據(jù)(如圖1所示)。

2.2 ANZAI下門控與非門控的比較

ANZAI門控系統(tǒng)采集重建圖像(GATED)中體積、最大濃度、平均濃度及各時(shí)相平均值與理論值分別記錄，非門控重建圖像(NON-GATED)中體積、最大濃度及平均濃度與理論值分別記錄，對(duì)GATED、NON-GATED、理論值及差值理論值進(jìn)行比較分析結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

2.3 自由呼吸模式下門控與非門控的比較

自由呼吸模式下門控圖像(FREE)中體積、最大濃度及平均濃度各時(shí)相平均值與理論值分別記錄，非門控圖像(NON-FREE)中體積、最大濃度及平均濃度與理論值分別記錄，對(duì)FREE、NON-FREE、理論值、差值和(或)理論值比較分析結(jié)果見(jiàn)表3和表4。

表1 ANZAI下門控與非門控的比較(x-±s)

表2 ANZAI下門控與非門控同理論值差值的比較(x-±s)

表3 自由呼吸模式下門控與非門控的比較(x-±s)

表4 自由呼吸下門控與非門控同理論值差值的比較(x-±s)

圖1 FREE模式及ANZAI模式門控與非門控重建圖像

圖3 門控與非門控重建圖像

2.4 兩種門控與理論值差值的比較

對(duì)兩種門控采集方法測(cè)得的體積、最大濃度及平均濃度平均值與理論值進(jìn)行比較分析，ΔGATED÷理論值×100%與ΔFREE÷理論值×100%的關(guān)系見(jiàn)表5。

表5 兩種門控與理論值差值的比較(x-±s)

2.5 兩種門控重建圖像測(cè)量值與非門控重建圖像測(cè)量值比較

兩種門控重建圖像測(cè)量值與非門控重建圖像測(cè)量值在體積上有明顯差異，經(jīng)兩種門控方法校正后測(cè)得的平均濃度均高于非門控方法測(cè)得的平均濃度，ΔGATED÷理論值×100%、NONGATED÷理論值×100%平均值分別為(4.36±1.21)%和(51.11±3.01)%，ΔFREE÷理論值×100%、ΔNON-FREE÷理論值×100%的平均值分別為(5.36±3.00)%和(37.58±2.88)%，P均小于0.05，兩種門控采集方法優(yōu)于非門控采集方法，使測(cè)量體積和平均濃度更接近真實(shí)體積及平均濃度。

最大濃度的測(cè)量中，兩種門控重建圖像測(cè)量值與非門控重建圖像測(cè)量值相差不大，ΔGATED÷理論值×100%、NON-GATED÷理論值×100%平均值分別為(13.40±5.60)%和(12.43±4.14)%，ΔFREE÷理論值×100%、ΔNON-FREE÷理論值×100%的平均值分別為(13.49±7.64)%和(13.92±4.23)%，且二者無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(t=1.11，t=-0.25；P＞0.05)，在非呼吸門控方法采集時(shí)，可采用測(cè)量最大SUV的方法分析病灶攝取藥物的情況。

對(duì)兩種門控重建圖像測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行分析，ΔGATED÷理論值×100%與ΔFREE÷理論值×100%在體積、平均濃度及最大濃度的分析中二者無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(t=0.66，t=-0.62，t=-0.01；P＞0.05)，對(duì)兩種門控波形及觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行提取和擬合，二者的門控觸發(fā)信號(hào)與波形完全一致(如圖2所示)。

圖2 ANZAI門控波形與觸發(fā)信號(hào)和FREE門控波形與觸發(fā)信號(hào)

3 病灶體積及SUV的測(cè)量

對(duì)肺癌患者分別用ANZAI呼吸門控方法和自由呼吸方法對(duì)肺部病灶進(jìn)行2次局部采集，重建圖像如圖3所示。

對(duì)各方法病灶體積、SUVmean及SUVmax進(jìn)行測(cè)量，由于病灶位于右肺中葉，受呼吸運(yùn)動(dòng)影響較明顯，經(jīng)門控采集校正后，體積和SUVmean有了很大的改善[10]，見(jiàn)表6。

對(duì)于病情稍重的患者，呼吸幅度有很大的變化，呼吸幅度變化過(guò)大時(shí)，ANZAI門控采集會(huì)出現(xiàn)丟失觸

表6 患者病灶體積及SUV測(cè)量

發(fā)信號(hào)的情況，影響圖像信噪比；自由呼吸方法在此狀態(tài)下仍可獲得較好的觸發(fā)信號(hào)，在有限的采集時(shí)間內(nèi)保證了圖像的有效信息量。提取該患者兩種模式的波形與觸發(fā)信號(hào)，如圖4所示。

圖4 ANZAI門控波形與觸發(fā)信號(hào)和FREE門控波形與觸發(fā)信號(hào)

4 結(jié)論

對(duì)兩種門控重建圖像數(shù)據(jù)與非門控重建圖像數(shù)據(jù)分析中，體積與平均濃度的ΔGATED÷理論值×100%與ΔNON-GATED÷理論值×100%、ΔFREE÷理論值×100%與ΔNON-FREE÷理論值×100%的P值＜0.05，且具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，從差值的平均值來(lái)看，門控方法明顯小于非門控方法，表明兩種門控重建數(shù)據(jù)比非門控?cái)?shù)據(jù)更接近于理論值，門控采集方法優(yōu)于非門控采集方法[8]。

最大濃度數(shù)據(jù)測(cè)量中，門控重建圖像測(cè)量值與理論值的差值以及非門控重建圖像測(cè)量值與理論值的差值無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，即門控或非門控采集，重建圖像病灶ROI最大濃度的測(cè)量差異不大，且有非門控采集，患者SUVmax的測(cè)量值相差不大，因此臨床常規(guī)患者檢查采用SUVmax進(jìn)行病灶攝取能力評(píng)估。

兩種門控重建圖像數(shù)據(jù)分析中，ΔGATED÷理論值×100%與ΔFREE÷理論值×100%在體積、平均濃度及最大濃度的數(shù)據(jù)分析中，P值均＞0.05，表明兩種門控方法模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。在模型采集中，F(xiàn)REE模式捕捉到的門控信號(hào)與GATED模式捕捉到的門控信號(hào)一樣，可校正圖像由于呼吸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的偽影，表明實(shí)驗(yàn)中自由呼吸采集方法可達(dá)到與ANZAI門控采集方法一樣的效果。

由于實(shí)驗(yàn)中18F-FDG溶液配比濃度遠(yuǎn)高于臨床常規(guī)注射濃度，相同體積的病灶在不同的濃度時(shí)可能存在不同的差異，體積越小的病灶受部分容積效應(yīng)的影響越大，測(cè)量值與理論值偏差增大，此內(nèi)容還需繼續(xù)完善實(shí)驗(yàn)做進(jìn)一步研究[2，4，6]。

自由呼吸門控方法無(wú)需外接門控信號(hào)觸發(fā)設(shè)備，常規(guī)軀干采集即可獲得門控重建的信息，常規(guī)呼吸門控方法需在軀干采集結(jié)束發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后另行采集，在臨床中受患者呼吸幅度影響較明顯，會(huì)增加患者的受照射劑量，門控觸發(fā)信號(hào)不理想會(huì)直接影響圖像質(zhì)量。

自由呼吸門控采集方法測(cè)量準(zhǔn)確可靠，無(wú)需外接設(shè)備，操作簡(jiǎn)便，門控信號(hào)穩(wěn)定，優(yōu)于傳統(tǒng)呼吸門控采集方法，適合應(yīng)用為常規(guī)臨床呼吸門控采集方法。