一體化PET/MR智能衰減校正ZTE MRAC技術(shù)及超級迭代Q.Clear技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展

馬 璐，顧海峰，周長圣綜述，蔡 軍審校

0 引 言

隨著精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)、影像組學(xué)以及人工智能的飛速發(fā)展，一體化正電子發(fā)射磁共振成像系統(tǒng)(positron emission computer tomography magnetic resonance imaging，PET/MRI)是目前最先進(jìn)的分子影像設(shè)備[1]。由于常規(guī)磁共振(magnetic resonance imaging, MRI)序列無法準(zhǔn)確獲取骨骼信號，基于磁共振圖像的衰減矯正(magnetic resonance imaging based attenuation correction，MRAC)技術(shù)也從最初的CT-Atalas圖譜序列、超短TE(ultrashort TE，UTE)序列至最新的零TE(zero TE,ZTE)序列，ZTE MRAC技術(shù)為PET/MR智能衰減校正帶來突破性飛躍；而搭載的Q.Clear超級迭代技術(shù)，實現(xiàn)了先驗信息不依賴數(shù)據(jù)空間分布的全新重建方案，使PET圖像高清、本真重建。依托技術(shù)的不斷革新，一體化PET/MR 搭載的ZTE MRAC智能衰減校正技術(shù)使MR掃描的解剖結(jié)構(gòu)信息更加精準(zhǔn)，而Q.Clear超級迭代后處理技術(shù)使PET功能代謝信息更真實，實現(xiàn)了精準(zhǔn)雙定量的目的，使MR圖像與PET定量信息100%精準(zhǔn)融合，PET/MR高清精準(zhǔn)融合圖像及多維度精準(zhǔn)定量將對影像診斷帶來全新的思考，全面助力臨床與科研發(fā)展。本文將詳細(xì)對ZTE MRAC技術(shù)、超級迭代Q.Clear技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展作一綜述。

1 ZTE MRAC簡介

1.1 ZTE序列特點及臨床優(yōu)勢與先施加射頻，然后通過切換射頻或梯度場產(chǎn)生信號的常規(guī)序列不同。ZTE的采集過程：先進(jìn)行梯度場的爬升，由于梯度場持續(xù)存在，射頻激勵硬脈沖配合較大的采樣帶寬實現(xiàn)掃描范圍內(nèi)的準(zhǔn)確激發(fā)，射頻結(jié)束后立即快速進(jìn)行信號放射狀K空間填充讀取，去除了射頻之后的梯度切換，由于硬件水平(縮短激勵時間的高性能射頻、高速切換信號的接收線圈)不斷提高以及信號處理方式(周邊數(shù)據(jù)的過采樣以及后續(xù)重建K算法)不斷進(jìn)步，F(xiàn)lorian等[2]新發(fā)明的Looping stra信號采集方式，明顯縮短ZTE采集時間，實現(xiàn)了回波時間(Time echo，TE)為零的信號采集，ZTE序列可對T2值接近為零的人體結(jié)構(gòu)進(jìn)行MR成像[3]。由于ZTE序列讀出梯度場的啟動先于射頻激發(fā)，且不在施加選層梯度，因此ZTE是3D采集成像，可完成高質(zhì)量3D各向同性采集后再進(jìn)行2D重建；ZTE序列不需劇烈的切換梯度場就可快速進(jìn)入到下一個重復(fù)時間的信號采集，實現(xiàn)“靜音”掃描，也顯著減輕渦流效應(yīng)，保證K空間填充的準(zhǔn)確性，減少磁敏感偽影及運動相關(guān)偽影的產(chǎn)生；由于TE為零，掃描用的線圈甚至周圍的襯墊可在ZTE上顯像，因此可將線圈信息納入PET的MRAC中，消除線圈對γ光子的影響，實現(xiàn)更精準(zhǔn)的MRAC；在圖像特點方面，ZTE主要表現(xiàn)為質(zhì)子密度加權(quán)對比，通過改變射頻翻轉(zhuǎn)角或磁化準(zhǔn)備模塊,也可以實現(xiàn)T1對比。Cho等[4]通過對比顱骨CT圖像、3T MR-ZTE顱骨圖像發(fā)現(xiàn)：ZTE顱骨成像在診斷效能及圖像質(zhì)量方面，與顱骨CT掃描非常接近，而且MR骨皮質(zhì)的定量方面也與CT一致。Argentieri等[5]采用3T MR-ZTE技術(shù)進(jìn)行脊柱成像，與CT掃描相對比，用以評估椎間孔狹窄情況，發(fā)現(xiàn)兩種成像方式在椎體、附件結(jié)構(gòu)的顯示上高度一致，并且在各個節(jié)段的椎間孔及狹窄程度的顯示方面也是一致的。Kang等[6]利用ZTE技術(shù)對下牙槽成像，發(fā)現(xiàn)ZTE技術(shù)可清楚顯示下牙槽牙齒及下頜神經(jīng)管的位置，并可精確牙根與神經(jīng)管的距離，因此ZTE可作為降低CT輻射檢查的替代手段。采用ZTE序列觀察骨小梁結(jié)構(gòu)，也不受小梁間空氣、脂肪結(jié)構(gòu)的磁敏感效用的干擾。此外ZTE結(jié)合動脈自旋標(biāo)記技術(shù)，通過標(biāo)記內(nèi)源性血流對血管進(jìn)行成像，該技術(shù)不受血流狀態(tài)及磁敏感效應(yīng)的影響，彌補了時間飛躍法-血管成像技術(shù)的不足。

1.2ZTE MRAC技術(shù)原理首先對ZTE序列采集的各種組織信號值進(jìn)行偏差校正和歸一化，利用不同組織ZTE的信號值與CT值的關(guān)系，獲得各組織的CT閾值范圍，并進(jìn)行組織分割，形成未校正的骨骼、軟組織、氣體圖簡稱ZTAC-UC圖；其次對鼻竇周邊的氣體、骨骼、軟組織進(jìn)行評估，利用各組織ZTE信號值與CT值的差異，形成鼻竇及邊緣結(jié)構(gòu)的二元掩碼圖像確定鼻竇竇腔的位置及形態(tài)，并最后形成整個顱腦的二元掩碼圖像，對顱腦ZTAC-UC圖校正后形成ZTAC-SEC圖，統(tǒng)稱為ZTE MRAC。ZTE MRAC對鼻竇竇壁骨質(zhì)與竇腔氣體交界處進(jìn)行校正，消除了兩者信號混疊的因素，把重要的骨衰減信息添加到傳統(tǒng)的MRAC的組織四分法(空氣、肺、脂肪、軟組織)中，更加科學(xué)的實現(xiàn)了空氣、肺、脂肪、軟組織、骨五分法，精確程度與作為“金標(biāo)準(zhǔn)”CTAC相當(dāng)[7]。

1.3ZTE MRAC相較與傳統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步之處一體化PET/MR一體化掃描方式與PET/CT的先CT后PET的順序掃描不同，而傳統(tǒng)MR本身對于骨骼組織成像效果欠佳，因此一體化PET/MR面世后的短短數(shù)年內(nèi)，基于MR的衰減矯正已經(jīng)歷了數(shù)代的飛速發(fā)展。第一代PET/MR的CT-Atalas圖譜 MRAC技術(shù)運用偽CT模板法掃描進(jìn)行衰減矯正，將CT模板(CT-Atalas圖譜)序列嵌入MRAC中,各種組織在這個范圍內(nèi)進(jìn)行處理，根據(jù)不同組織特性對人體組織(空氣、肺、脂肪、軟組織、骨骼)進(jìn)行分類，獲取骨信息，但模板法是數(shù)據(jù)庫中預(yù)置的圖像并非每個患者的真實情況，猜測與近似是其核心，尤其對顱骨變異、部分骨質(zhì)缺如的患者或動物顱腦不能與模板精準(zhǔn)匹配，甚至顱骨、鼻竇等含氣空腔信息識別也會出現(xiàn)錯配誤差；以及身體輪廓被掃描視野影響而產(chǎn)生的截斷偽影，雖然采用偏中心掃描的方式，但加時重復(fù)MR掃描補償，并不能有效解決截斷偽影的問題[8]。第二代TOF PET/MR在五組織分類的基礎(chǔ)上，加入了高時間分辨率TOF信息進(jìn)行衰減校正，極大提升了衰減校正的準(zhǔn)確率，消除金屬偽影和空腔器官對于衰減校正的影響，以及在不增加額外掃描序列、不增加掃描時間的基礎(chǔ)上，利用全曲線恢復(fù)技術(shù)同步有效恢復(fù)身體輪廓，提供完整且準(zhǔn)確的衰減校正圖譜信息。第三代在第二代的優(yōu)勢的基礎(chǔ)，探索使用不同序列使其達(dá)到智能精準(zhǔn)，但UTE序列用于頭顱MRAC進(jìn)行骨骼掃描，試圖獲取骨骼信號，然而臨床和研究證明，UTE存在眾多核心缺陷：由于UTE的TE無法更短，采集的是T2*的信號，磁敏感偽影明顯，無法精準(zhǔn)獲取牙齒和骨皮質(zhì)信號；不能精準(zhǔn)區(qū)分骨骼與其他組織；易導(dǎo)致組織分割錯誤，假骨骼、假空腔、假軟組織頻發(fā)[9]。經(jīng)過探索發(fā)現(xiàn)ZTE的TE為零，使用該序列采集骨質(zhì)信號，能完全、精準(zhǔn)獲取牙齒和骨皮質(zhì)信號，基于ZTE的MRAC，可針對每個病人進(jìn)行特異性掃描，既能精準(zhǔn)區(qū)分骨骼與其他組織，又可實時快速成像，真正實現(xiàn)精準(zhǔn)的頭顱MRAC[10-11]，成為PET/MR中衰減校正的金標(biāo)準(zhǔn)。

1.4ZTE MRAC 穩(wěn)定性評估Yang等[12]通過測量12名患者18F-FDG PET/CT、PET/MR的各腦區(qū)及對稱區(qū)域，共240個感興趣區(qū)的SUV值，對比分析各腦區(qū)的SUV值在ZTAC-SEC、ZTAC-UC、Atlas AC(ATAC)與CTAC的差異，結(jié)果顯示：ZTAC-SEC在各腦區(qū)的SUV值與CTAC的差異大約為(0.2%±2.4%)，二者之間無統(tǒng)計學(xué)差異；Blind-Altman分析不同方法，ZTAC-SEC與CTAC差異最小，控制在5%以內(nèi)，且大部分在0附近。因此分析，ZTE MRAC(ZTAC-SEC)能提供準(zhǔn)確的腦部PET定量，與金標(biāo)準(zhǔn)CTAC沒有差異。Schramm等[13]通過ZTE MRAC對PET動態(tài)成像、靜態(tài)成像中腦組織各區(qū)域定量數(shù)值的穩(wěn)定性進(jìn)行評估，動態(tài)成像時，ZTE MRAC比CTAC在各腦區(qū)的定量差異范圍在-0.8%至+4.8%；靜態(tài)成像時，ZTE MRAC相較于CTAC在各腦區(qū)的定量差異范圍在-8%至+7.7%，相較于金標(biāo)準(zhǔn)CTAC, ZTE MRAC也可提供精確穩(wěn)定的動態(tài)、靜態(tài)PET/MR成像。另有利用猩猩的顱腦PET/MR成像，驗證了ZTE MRAC與CTAC的兩者組織分割效果具有高度一致性，證明了ZTE MRAC的普適性[14-15]。Sousa等[16]使用3種 MRAC 方法：單圖譜 (Atlas)、多圖譜 (MaxProb)和零回波時間 (ZTE)對9名多巴胺轉(zhuǎn)運蛋白放射性配體 [11C]PE2I受試者的動態(tài)腦 PET/MR 數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性評估，證實Maxprob 和 ZTE-MRAC 的性能都優(yōu)于 Atlas-MRAC；ZTE-MRAC對[11C]PE2I 動態(tài)PET建模的結(jié)果分析中顯示出最高的精度和準(zhǔn)確度。MaxProb-MRAC 顯示出最高的可變性，而 Atlas-MRAC 和 ZTE-MRAC 的偏差隨著時間的推移保持不變。多項研究表明，相比于UTE+CT-Atalas圖譜為基礎(chǔ)的技術(shù)，ZTE-MRAC將誤差大大降低，與CT金標(biāo)準(zhǔn)保持一致，已成為了神經(jīng)疾病精準(zhǔn)評估、診療的基礎(chǔ)。

2 超級迭代Q.Clear技術(shù)

2.1 Q.Clear技術(shù)簡介基于貝葉斯后驗概率的圖像重建算法(bayesian penalised likelihood recons-truction, BPL)在最大似然估計推導(dǎo)中引入示蹤劑分布的先驗信息函數(shù)(relative difference penalty, RDP)，并結(jié)合PET軸向和橫斷面空間不同位置靈敏度的變化特點進(jìn)行改進(jìn)和參數(shù)優(yōu)化，給出了不依賴于空間分布的先驗信息全新重建方案Q.Clear[17]。Q.Clear的核心是RDP函數(shù)，在圖像局部灰度變化小的區(qū)域，將加強對信號的懲罰力度，抑制噪聲；在圖像灰度變化大的區(qū)域(器官或者病灶的交界)，則相應(yīng)的盡力保持住信號；Q.Clear在RDP函數(shù)前增加了β系數(shù)值優(yōu)化后，平衡了重建圖像的信噪比和對比度，增強臨床適應(yīng)性，在少量迭代次數(shù)之后，Q.Clear將快速收斂，不需再設(shè)置子集數(shù)和迭代次數(shù)，也無需進(jìn)行后濾波。

2.2超級迭代Q.Clear重建算法相較與傳統(tǒng)重建算法的進(jìn)步之處目前核醫(yī)學(xué)圖像重建中最常用的傳統(tǒng)PET重建算法是有序子集最大期望法(Ordered Subset Expectation Maximization OSEM)，OSEM重建過程通過數(shù)學(xué)建模模擬實際的數(shù)據(jù)采集過程，將獲得猜測的投影數(shù)據(jù)與實際采集到的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和圖像更正，使似然函數(shù)趨向更大的值，圖像更趨近真實示蹤劑分布(逐漸收斂)，每更新一次圖像即為一次迭代。由于OSEM不論怎么設(shè)置參數(shù)，都難以同時實現(xiàn)圖像的高信噪比和精準(zhǔn)定量。因此臨床應(yīng)用中，由于迭代次數(shù)與圖像噪聲成正比，需要在時間、成像性能及定量之間進(jìn)行折衷，為控制圖像噪聲，OSEM常預(yù)設(shè)迭代次數(shù)為2-4次，但據(jù)測算迭代次數(shù)需要達(dá)到25次才認(rèn)為圖像完全收斂，因此2-4次迭代所得到的診斷圖像與真實情況存在偏差，病灶大小、位置及真實組織標(biāo)準(zhǔn)攝取值(standard uptake value,SUV)不能完全準(zhǔn)確反映示蹤劑的分布，直接影響病變定量數(shù)值的準(zhǔn)確性；且常規(guī)傳統(tǒng)迭代在迭代過程內(nèi)部未引入噪聲控制，只是在迭代若干次之后，給最終圖像加一個平滑濾波處理，平滑濾波處理后的圖像感官上得到提升，降低圖像粗糙感，但使得圖像細(xì)節(jié)丟失，尤其是小病灶檢測能力的降低，小病灶被平滑濾波所掩蓋，圖像邊界不清晰，SUV值不準(zhǔn)確[18]。

全新Q.Clear超級迭代平臺的正則化重建迭代算法與嵌入式、定向智能式降噪系統(tǒng)結(jié)合，在每一次迭代過程中加入噪聲控制運算，實時感知噪聲、實時根據(jù)不同組織特征定向推送不同的深度學(xué)習(xí)模型中進(jìn)行專門運算處理，將噪聲消滅在每一次迭代當(dāng)中，通過25次超級迭代實現(xiàn)高圖像質(zhì)量下的全收斂，用于PET系統(tǒng)的圖像重建，追求病變定量準(zhǔn)確度的同時控制噪聲，使臨床圖像信噪比提高到2倍以上，并使小病灶標(biāo)準(zhǔn)攝取值提高2倍以上。

2.3Q.Clear的臨床價值PET成像中持續(xù)精確的SUV測量、病灶的大小、體積和對比度都受到重建算法的高度影響，而病灶的精確定量對惡性腫瘤分期、療效監(jiān)測、預(yù)后評估、放療計劃制定以及神經(jīng)退行性疾病診療等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。針對復(fù)發(fā)性前列腺癌18F-fluciclovine PET顯像研究發(fā)現(xiàn)：應(yīng)用超級迭代Q.Clear重建(β=300)比傳統(tǒng)OSEM算法更能明顯顯示盆腔病灶，Q.Clear可明顯提高18F-fluciclovine PET圖像質(zhì)量，更有利于臨床全身評估[19]。另1例斯坦福大學(xué)的病例報道發(fā)現(xiàn):18F-FPPRGD2PET顯像，應(yīng)用Q.Clear重建(β=250)右側(cè)點狀攝取灶，SUVmax=3.2 g/mL,但傳統(tǒng)OSEM重建算法下，無法明確觀察到此病灶，后續(xù)隨診復(fù)查證實此病灶為瘤灶，Q. Clear彌補了傳統(tǒng)算法的成像缺陷，精準(zhǔn)病灶定位、定性，指導(dǎo)臨床治療計劃的制定[20]。 Parvizi等[21]研究顯示，以肝作為背景測算標(biāo)準(zhǔn)，通過OSEM及Q.Clear不同重建方法對比，正常肝組織SUV并無明顯差異，但結(jié)腸癌肝轉(zhuǎn)移灶的SUV以及病灶與背景的對比度均有明顯提高，且病灶越小，SUVmax提高越明顯，兩者之間存在顯著負(fù)相關(guān),該研究顯示Q.Clear的應(yīng)用是科學(xué)且穩(wěn)定的，經(jīng)得住臨床檢驗，對于小病灶識別助益極大[21]。這種完全收斂且通過正則化重建來控制圖像噪聲PET圖像重建Q.Clear技術(shù)，將助益臨床獲的更高的信噪比和SUV恢復(fù)能力。

3 結(jié)語與展望

一體化PET/MR以精準(zhǔn)ZTE MRAC成像技術(shù)為依托，搭載Q.Clear超級迭代技術(shù)，在進(jìn)行腫瘤成像時可提供更好解剖細(xì)節(jié)、識別局部侵襲情況、對小病灶識別能力更強，提高了TNM分期的準(zhǔn)確度，適合于神經(jīng)系統(tǒng)、淋巴系統(tǒng)、肝臟、骨、胰腺、乳腺等部位的評估，在腫瘤初發(fā)診斷、分期分級、療效檢測、追蹤隨訪等具有明顯價值。ZTE MRAC技術(shù)不僅能為患者提供相對靜音檢查環(huán)境，而且還能保證骨骼、牙齒、血管等良好的成像效果，ZTE提供的精準(zhǔn)骨組織信息，突破了傳統(tǒng)模板法限制，特異性組織識別分割解決一體化PET/MR MRAC中骨質(zhì)信號錯配的問題，比UTE具有更強的信噪比、對比度，滿足了科研、臨床穩(wěn)定精確定量的需求；而Q.Clear的25次超級迭代技術(shù)，圖像重建過程中并行嵌入智能定向降噪，還原病灶真實解剖細(xì)節(jié)、明顯提高圖像信噪比、提高小病灶識別能力，提高TNM分期準(zhǔn)確度，這是從圖像重建層面對更高清成像、更精準(zhǔn)定量和反映更真實生物學(xué)本質(zhì)上的突破，高清本真圖像時代已來臨。

一體化PET/MR是目前最先進(jìn)的分子影像學(xué)前沿設(shè)備，代表的不僅僅是兩種圖、兩種設(shè)備的融合，而是多功能、多學(xué)科、多種人才和知識的融合，是以分子影像為特征的核醫(yī)學(xué)科與影像學(xué)科相結(jié)合的產(chǎn)物，是未來最具有發(fā)展?jié)摿Φ尼t(yī)學(xué)科學(xué)前沿領(lǐng)域，但是在目前的學(xué)科培養(yǎng)中真正熟悉影像醫(yī)學(xué)與核醫(yī)學(xué)、藥學(xué)的復(fù)合型人才較少，且該設(shè)備臨床應(yīng)用時間較短，面對機遇及挑戰(zhàn)，應(yīng)團(tuán)結(jié)一致加快培養(yǎng)復(fù)合型人才，構(gòu)建更加完善更符合時代發(fā)展的學(xué)科培養(yǎng)體系，實現(xiàn)影像科、核醫(yī)學(xué)科的交叉融合，真正發(fā)揮PET/MR高精尖設(shè)備的作用，引導(dǎo)科研、臨床及轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)多領(lǐng)域的發(fā)展，伴隨后期計算機深度學(xué)習(xí)和AI人工智能的開發(fā)引發(fā)，讓我們共同期待PET/MR在未來精準(zhǔn)醫(yī)療體系中能更好的造福人類。