一體化PET/MR檢查中“熱氣管征”偽影探討

宋天彬，崔碧霄，楊宏偉，馬 杰，帥冬梅，梁志剛，盧 潔,2,3*，趙國(guó)光

(1.首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科，2.放射科，4.神經(jīng)外科，北京 100053；3.磁共振成像腦信息學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100053；5.北京腦重大疾病研究院癲癇所，北京 100069)

一體化PET/MR掃描儀的出現(xiàn)，使臨床可以同步獲得PET的分子代謝信息和MRI的結(jié)構(gòu)功能影像學(xué)信息[1]。同時(shí)“熱氣管征”偽影是一體化PET/MR全身檢查過程中出現(xiàn)的特有偽影征象之一[2]，表現(xiàn)為空腔臟器內(nèi)出現(xiàn)放射性高攝取，進(jìn)而導(dǎo)致一體化PET/MR檢查過程中出現(xiàn)假陽(yáng)性病變。究其原因可能是基于水脂成像的MR衰減校正(MR attenuation correction，MRAC)誤將空腔修正為組織所致[3]，理論上來說所有空腔臟器在一體化PET/MR檢查過程中均有可能出現(xiàn)此類偽影。時(shí)間飛行(time of flight, TOF)技術(shù)采用數(shù)字化固相陣列式光電轉(zhuǎn)化器(siliconphoto multiplier, SiPM)，與傳統(tǒng)的真空電子管(photo multipliertube, PMT)光電轉(zhuǎn)化器相比，使PET探測(cè)器的靈敏度和空間分辨率提高一倍以上[4]。而TOF技術(shù)可明顯降低一體化PET/MR掃描過程中因組織分割錯(cuò)誤引起的錯(cuò)誤衰減校正所導(dǎo)致PET圖像偽影，常見的例如金屬偽影、截?cái)鄠斡暗?，TOF技術(shù)也可減少運(yùn)動(dòng)偽影的發(fā)生等[5-6]。TOF技術(shù)理論上能夠通過糾正MRAC錯(cuò)誤，從而減少“熱氣管征”偽影的發(fā)生。本研究對(duì)一體化PET/MR全身檢查過程中“熱氣管征”偽影的發(fā)生部位及發(fā)生概率進(jìn)行了報(bào)道，并對(duì)TOF技術(shù)減輕一體化PET/MR檢查過程中“熱氣管征”偽影效果進(jìn)行了探討。

1 資料與方法

1.1 一般資料 回顧性分析2015年8月-2018年8月進(jìn)行一體化全身PET/MR檢查的105例受檢者(篩查腫瘤或?yàn)榇_診腫瘤行分期檢查)，其中男65例，女40例，年齡45～78歲，平均 (67.6±9.8)歲，平均身體質(zhì)量指數(shù)(body mass index, BMI)為(23.78±3.26)kg/m2。所有研究對(duì)象均在行一體化全身PET/MR檢查前簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 采用帶有TOF技術(shù)的一體化PET/MR掃描儀(GE公司Signa)，MRI場(chǎng)強(qiáng)為3.0T。受檢者接受18F-FDG注射，顯像劑采用本科室放射性藥物實(shí)驗(yàn)室制備的18F-FDG，放射化學(xué)純度>98%，靜脈注射18F-FDG 3.7 MBq/kg體質(zhì)量。PET數(shù)據(jù)采集6分鐘/床位，4～5個(gè)床位，掃描時(shí)間30～35 min。采用TOF技術(shù)，采用有序子集最大期望值迭代法(ordered subset expectation maximization, OSEM)進(jìn)行圖像重建，2次迭代，28個(gè)子集，高斯濾波半高寬5.0 mm，散射校正。MRI采用頭頸部及體部相控陣線圈，覆蓋軀干大部(頭頸部至股骨上段)，與PET同步掃描，掃描序列包括：軸位屏氣三維T1WI(LAVA-Flex)、軸位脂肪抑制快速T2WI、腹部檢查采用呼吸控制及導(dǎo)航技術(shù)。PET/MR圖像基于LAVA-Flex序列進(jìn)行MRAC。將全身list model PET數(shù)據(jù)進(jìn)行非TOF PET圖像的重建(圖1)。

1.3 “熱氣管征”偽影的圖像判讀及標(biāo)準(zhǔn)攝取值(standardized uptake value, SUV)測(cè)量

1.3.1 “熱氣管征”偽影的判讀 將所有受檢者一體化全身PET/MR圖像傳輸至GEAW4.6圖像后處理工作站，采用Fuse PET/MR分析軟件對(duì)PET圖像和MRI結(jié)構(gòu)像進(jìn)行配準(zhǔn)融合，由1名具有5年以上工作經(jīng)驗(yàn)的核醫(yī)學(xué)科和1名具有5年以上工作經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師根據(jù)一體化PET/MR檢查中T2WI/T1WI的解剖結(jié)構(gòu)共同判定的“熱氣管征”偽影發(fā)生的部位。

1.3.2 “熱氣管征”偽影部位SUV的測(cè)量 分別測(cè)量非TOF技術(shù)的一體化PET/MR全身圖像上的出現(xiàn)“熱氣管征”偽影部位的SUVmax和SUVmean，以及一體化TOF-PET/MR圖像上相應(yīng)部位的SUVmax和SUVmean，測(cè)量時(shí)選用后處理工作站軟件自動(dòng)默認(rèn)的測(cè)量ROI面積為119.4 mm2。

圖1 一體化PET/MR全身掃描流程示意圖

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)分析軟件，非TOF技術(shù)的一體化 PET/MR圖像上“熱氣管征”偽影部位的SUVmax和SUVmean與一體化TOF-PET/MR圖像上的相應(yīng)部位的SUVmax和SUVmean進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)，P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

105例受檢者在一體化PET/MR檢查過程中主要發(fā)生“熱氣管征”偽影的部位為鼻竇、氣管、胃竇、結(jié)腸、直腸部位，發(fā)生概率分別為60.00%(63/105)、68.57%(72/105)、8.57%(9/105)、20.00%(21/105)和16.19%(17/105)，見圖2。非TOF技術(shù)的一體化全身PET/MR圖像上鼻竇、氣管、胃竇、結(jié)腸和直腸的“熱氣管征”偽影部位的SUVmax分別為4.09±2.17、1.77±0.81、1.75±0.85、3.73±0.51和11.77±8.39；SUVmean分別為3.19±1.87、1.38±0.70、1.44±0.85、2.68±0.46和6.78±4.19。TOF-PET/MR圖像上相應(yīng)位置的SUVmax分別為2.47±1.20，1.23±0.55，1.05±0.54，2.17±0.78和3.57±1.46；SUVmean分別為1.76±0.81,0.75±0.31,0.67±0.29,1.10±0.41和1.73±0.60。非TOF技術(shù)的一體化全身PET/MR圖像上的“熱氣管征”偽影部位的SUVmax和SUVmean值均高于一體化TOF-PET/MR全身圖像上相應(yīng)部位 (P均<0.01)，見表1。

全身空腔部位的MRAC圖和相應(yīng)部位的TOF PET、非TOF PET放射性攝取情況對(duì)比：發(fā)現(xiàn)在MRAC正確情況下有無TOF技術(shù)均能較好反映空腔的真實(shí)放射性攝??；在MRAC錯(cuò)誤情況下，有TOF技術(shù)能較好還原空腔真實(shí)的放射性攝取情況，而非TOF技術(shù)常常表現(xiàn)為空腔高攝??；而在MRAC正確情況下，空腔內(nèi)攝取情況接近真實(shí)，有無TOF技術(shù)對(duì)其影響較小(圖3)。

3 討論

本研究探討的“熱氣管征”偽影發(fā)生在空腔部位，在這些部位通常存在水脂成像MRAC錯(cuò)將空腔當(dāng)作組織的情況，導(dǎo)致使用錯(cuò)誤MRAC的PET圖像高估了空腔部位的代謝[7-8]。“熱氣管征”偽影會(huì)給核醫(yī)學(xué)科醫(yī)師在病變判讀上帶來困惑。既往研究發(fā)現(xiàn)，277例患者在進(jìn)行一體化PET/MR檢查時(shí)，約2/3的患者(171例)氣管腔內(nèi)出現(xiàn)“熱氣管征”偽影[2]，本研究也發(fā)現(xiàn)氣管部位的“熱氣管征”偽影發(fā)生率約68.57%，和該文獻(xiàn)報(bào)道接近。本研究同時(shí)還發(fā)現(xiàn)一體化PET/MR檢查中除氣管以外的其他部位也可出現(xiàn)“熱氣管征”偽影，主要分布在鼻竇、胃竇、結(jié)腸和直腸，發(fā)生率分別為60.00%、8.57%、20.00%和16.19%。本研究發(fā)現(xiàn)全身出現(xiàn)“熱氣管征”偽影的部位中，氣管部位的該偽影發(fā)生概率最高。

表1 非TOF技術(shù)和TOF技術(shù)“熱氣管征”偽影部位的PET圖像SUVmax和SUVmean比較(±s)

表1 非TOF技術(shù)和TOF技術(shù)“熱氣管征”偽影部位的PET圖像SUVmax和SUVmean比較(±s)

部位非TOF技術(shù)PET圖像SUVmaxSUVmeanTOF-PET圖像SUVmaxSUVmeantSUVmax/tSUVmeanPSUVmax/PSUVmean鼻竇4.09±2.173.19±1.872.47±1.201.76±0.817.9/7.9<0.01/<0.01氣管1.77±0.81 1.38±0.70 1.23±0.55 0.75±0.31 10.0/13.9 <0.01/<0.01胃竇1.75±0.851.44±0.851.05±0.540.67±0.29 4.9/7.7<0.01/<0.01結(jié)腸3.73±0.512.68±0.462.17±0.781.10±0.41 4.6/12.5<0.01/<0.01直腸11.77±8.39 6.78±4.19 3.57±1.46 1.73±0.60 4.4/3.3<0.01/<0.01

圖2一體化PET/MR檢查中“熱氣管征”偽影發(fā)生部位及TOF技術(shù)對(duì)該偽影的減輕情況 蝶竇內(nèi)出現(xiàn)“熱氣管征”偽影(A)，加入TOF技術(shù)后，蝶竇內(nèi)該偽影消失(B)；氣管內(nèi)出現(xiàn)“熱氣管征”偽影(C)，加入TOF技術(shù)后，氣管內(nèi)該偽影消失(D)；胃竇內(nèi)出現(xiàn)“熱氣管征”偽影(E)，加入TOF技術(shù)后，胃竇內(nèi)該偽影消失(F)；乙狀結(jié)腸內(nèi)出現(xiàn)“熱氣管征”偽影(G)，加入TOF技術(shù)后，乙狀結(jié)腸內(nèi)該偽影消失(H)；直腸內(nèi)可見“熱氣管征”偽影(I)，加入TOF技術(shù)后，直腸內(nèi)該偽影消失(J)

圖3 全身空腔部位的MRAC圖和相應(yīng)部位的TOF PET、非TOF PET放射性攝取情況對(duì)比 冠狀位解剖像(由上到下)，軸位的MRAC、非TOF PET融合、TOF PET融合影像。標(biāo)記為1、2、3、4的空腔ROI代表四類常見的MRAC與TOF重建組合：1為將MRAC的空腔誤分為骨，TOF和非TOF重建均表現(xiàn)為高攝取，但非TOF假攝取更高；2為MRAC正確，TOF能更減輕假攝??；3為MRAC正確，TOF和非TOF均得到合理的PET圖像；4為MRAC將空腔誤分為脂肪，TOF能進(jìn)一步減輕非TOF重建的空腔內(nèi)高攝取

一體化PET/MR儀器的PET探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)化器以往采用PMT和雪崩式二級(jí)管(avalanche photodiode, APD)，基于SiPM可見實(shí)現(xiàn)TOF技術(shù)，使得一體化PET/MR的PET探測(cè)器的整體性能大大提高[9]。SiPM可將從晶體發(fā)出的熒光直接轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，具有極高的轉(zhuǎn)化效率、高時(shí)間分辨率和高空間分辨率、低工作電壓和高增益等幾方面的優(yōu)勢(shì)[10-11]。研究表明TOF技術(shù)可改善PET圖像信噪比，增加PET重建的可靠性和穩(wěn)定性，從而提高對(duì)于病變的檢出率[12-15]。目前TOF技術(shù)已經(jīng)成為新一代PET探測(cè)器的標(biāo)志，并已經(jīng)成為一體化PET/MR設(shè)備的核心技術(shù)。TOF技術(shù)同樣可以提高一體化PET/MR檢查中MRAC的準(zhǔn)確性[16]。Mehranian等[17]發(fā)現(xiàn)非TOF技術(shù)PET/MR的肺組織和骨骼MRAC平均誤差為11.9%和21.9%，而加入TOF技術(shù)后，肺組織和骨骼的MRAC平均誤差減小至7.7%和15.5%。既往研究[18]通過對(duì)4例大型假體，8例小型假體，27例種植體/填充物，48例種植體相關(guān)假體的TOF和非TOF PET圖像研究發(fā)現(xiàn)，TOF PET圖像上的假體偽影明顯小于非TOF PET圖像假體偽影。這提示在一體化PET/MR檢查中，TOF技術(shù)可以顯著降低PET圖像上植入物偽影，減少因衰減校正錯(cuò)誤引起的偽影[19]，提高PET圖像的信噪比。由于“熱氣管征”偽影是基于水脂成像MRAC誤將空腔當(dāng)作組織所致[3]，所以TOF技術(shù)理論上能夠通過糾正MRAC誤差從而減輕一體化全身PET/MR檢查過程中“熱氣管征”偽影的發(fā)生。本研究比較了4種空腔在正確和非正確的MRAC條件下對(duì)應(yīng)的TOF和非TOF技術(shù)重建中是否存在高攝取，發(fā)現(xiàn)在MRAC正確情況下有無TOF均能較好反映空腔的代謝真實(shí)對(duì)比度；在MRAC錯(cuò)誤情況下，有TOF技術(shù)重建能較好恢復(fù)空腔真實(shí)的放射性攝取情況，而非TOF技術(shù)重建常常表現(xiàn)為空腔放射性高攝??；而在MRAC均正確情況下，空腔內(nèi)攝取情況接近真實(shí)，有無TOF技術(shù)對(duì)其影響較??；若將MRAC中空腔當(dāng)作骨組織，即使使用了TOF技術(shù)重建，也不能完全降低空腔高攝取假象。本研究發(fā)現(xiàn)在一體化全身PET/MR檢查中鼻竇、氣管、胃竇、結(jié)腸、直腸等部位會(huì)出現(xiàn)的“熱氣管征”偽影，而加入TOF技術(shù)后，以上部位的“熱氣管征”偽影均未見明顯高攝取，說明TOF技術(shù)可以較好地減輕該偽影的發(fā)生，確保為臨床提供高質(zhì)量的一體化PET/MR臨床影像。

總之，一體化全身PET/MR檢查中發(fā)生“熱氣管征”偽影的部位主要發(fā)生在鼻竇、氣管、消化道等空腔臟器部位，其中氣管部位最容易出現(xiàn)該偽影。TOF技術(shù)有助于明顯減輕一體化全身PET/MR檢查圖像上的“熱氣管征”偽影，降低一體化PET/MR檢查圖像上的假陽(yáng)性病變發(fā)生，進(jìn)一步提高核醫(yī)學(xué)科醫(yī)師在一體化PET/MR檢查中對(duì)疾病診斷的準(zhǔn)確性。