基于放射性藥物18F-AV45的PET-CT圖像的腦組織內(nèi)照射吸收劑量蒙特卡羅計(jì)算

李永哲，盧昱，彭昭，倪明，謝強(qiáng)，汪世存，裴曦，徐榭，陳志

1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院，安徽合肥 230026；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)附屬第一醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科，安徽合肥 230001

前言

正電子發(fā)射斷層掃描（Positron Emission Tomography,PET）是一種強(qiáng)大的功能成像方式，可以通過特定的放射性藥物來檢測組織中分子水平的活性［1-3］，在腫瘤檢測、癌癥和神經(jīng)疾病的早期診斷中具有廣泛應(yīng)用［4-7］。近年來，放射性標(biāo)記物18F-AV45 在阿爾茨海默?。ˋlzheimer's Disease,AD）的PET 醫(yī)學(xué)影像診斷中表現(xiàn)出越來越好的效果［8］。人體組織和器官的吸收劑量與誘發(fā)癌癥的風(fēng)險(xiǎn)息息相關(guān)，因此內(nèi)照射劑量計(jì)算對于在核醫(yī)學(xué)影像診斷和放射性核素靶向治療過程中的風(fēng)險(xiǎn)評估至關(guān)重要［9-10］。但是對于在人體內(nèi)特別是腦部的放射性標(biāo)記物，接受放射性藥物注射患者的內(nèi)照射輻射劑量的測定還有較大的誤差。與此同時(shí)，放射性標(biāo)記物18F-AV45在人體腦部的內(nèi)照射輻射劑量也鮮有人研究。因此準(zhǔn)確計(jì)算18F-AV45在人體腦部的內(nèi)照射輻射劑量十分重要。

蒙特卡羅（Monte Carlo,MC）模擬是在臨床環(huán)境中內(nèi)照射劑量計(jì)算的金標(biāo)準(zhǔn)，可以準(zhǔn)確地計(jì)算全身劑量圖［11-12］。李玉豪等［13］直接使用國際輻射防護(hù)委員會（ICRP）在2008年發(fā)布的第106 號報(bào)告中的患者有效劑量與放射性藥物之間的換算系數(shù)來求解患者所受內(nèi)照射的有效劑量。李寧等［14］利用基于醫(yī)學(xué)內(nèi)照射劑量（MIRD）計(jì)算方法的OLINDA/EXM（Version 1.1）軟件，用標(biāo)準(zhǔn)成年男性模型來計(jì)算劑量的轉(zhuǎn)換因子。以上兩種方法均基于第一代人體模型，較真實(shí)的人體模型有很大差異，因此在內(nèi)照射計(jì)算時(shí)會產(chǎn)生較大誤差。Neira 等［15］在PET-CT 圖像和生物動力學(xué)模型基礎(chǔ)上，使用MC 模擬軟件GATE 來計(jì)算人體的吸收劑量，但該工作計(jì)算的是放射性藥物18F-FDG，不同的放射性藥物在人體的分布有較大差異，因此不適用于放射性藥物18F-AV45在人體內(nèi)吸收劑量的計(jì)算。Gupta 等［16］使用真實(shí)小鼠的PET-CT圖像在體素水平上估計(jì)敏感器官中的吸收劑量，評估MC 模擬軟件GATE 在臨床前劑量測定中的適用性，驗(yàn)證MC 模擬軟件GATE 在計(jì)算內(nèi)照射劑量方面的可靠性。但該論文只在小鼠身上計(jì)算內(nèi)照射劑量，并未應(yīng)用到真實(shí)的人體模型上。

本研究首先使用MC 軟件MCNP 驗(yàn)證GATE 計(jì)算的準(zhǔn)確性，然后提出一種使用PET 和CT 圖像以及生物動力學(xué)模型，并在MC 模擬軟件GATE 上模擬的方法，用來計(jì)算放射性藥物18F-AV45 在人體頭部時(shí)，頭部及各組織和器官的吸收劑量。

1 資料與方法

本方法包括以下3個(gè)步驟：一是將患者的PET 圖像作為劑量計(jì)算的放射性核素分布的初始條件，用MC 軟件GATE 計(jì)算患者頭部的體素輻射吸收劑量；二是利用簡化后的生物動力學(xué)模型，計(jì)算出患者頭部放射性核素的累積衰變數(shù)，從而求得患者頭部的總吸收劑量；三是基于CT 對頭部各組織和器官圖像進(jìn)行分割，并計(jì)算其吸收劑量。

1.1 數(shù)據(jù)來源

本試驗(yàn)使用來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)附屬第一醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科5 名有認(rèn)知障礙并懷疑AD 患者的18F-AV45 PET-CT顯像數(shù)據(jù)（表1），包括男性2名，女性3名；年齡55～70歲，平均年齡63歲；最高162 cm，最矮150 cm，平均身高158 cm；最大體質(zhì)量67 kg，最小體質(zhì)量55 kg，平均體質(zhì)量62.25 kg。放射性藥物為18F-AV45，注射部位均為右手手背，平均初始活度為（10.275±0.325）mCi。采集5名患者頭部PET-CT數(shù)據(jù)，其中PET掃描時(shí)間均為注射放射性藥物之后50 min開始掃描，動態(tài)掃描20 min。每套CT 圖像尺寸為512×512×174，單個(gè)體素大小為0.488 mm×0.488 mm×1.000 mm；每套PET 圖像尺寸為336×336×163，單個(gè)體素大小為1.016 mm×1.016 mm×1.000 mm。本試驗(yàn)僅考慮PET內(nèi)照射的劑量，而不考慮CT掃描所致的輻射劑量。

表1 患者信息Tab.1 General information of patients

1.2 MC模擬

采用MC軟件GATE v9.0來進(jìn)行吸收劑量的計(jì)算。GATE在OpenGATE協(xié)作組織內(nèi)開發(fā)并采用了GEANT4截面庫，以實(shí)現(xiàn)適用于核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的模塊化、多功能、腳本化仿真的工具軟件［12,17］。該軟件計(jì)算基于如下設(shè)置：第一，定義一個(gè)80 cm×100 cm×100 cm充滿空氣的仿真幾何世界，所有的物理過程均發(fā)生在這個(gè)幾何世界中；第二，輸入病人的CT圖像作為體模的參數(shù)，CT的HU值與電子密度具有很強(qiáng)的相關(guān)性，因此與介質(zhì)的質(zhì)量密度也具有很強(qiáng)的相關(guān)性，我們使用Schneider等［18］提出的將HU值轉(zhuǎn)換為質(zhì)量密度的方法；第三，所采用的物理軟件包為emstandard_opt3［17］，為提高計(jì)算效率，γ光子能量低于1 keV時(shí)停止MC計(jì)算；第四，程序初始化，使得無法再修改物理列表，也無法將新體模插入幾何世界中；第五，使用病人的PET圖像設(shè)置放射源，PET圖像上的每一個(gè)像素代表一個(gè)點(diǎn)源，GATE使用PET圖像上的像素分布作為放射源的分布來進(jìn)行MC模擬；第六，輸出吸收劑量（單位為Gy），同時(shí)輸出劑量計(jì)算的統(tǒng)計(jì)誤差。

MC數(shù)值模擬中采用的計(jì)算機(jī)配置為Intel（R）Xeon（R）Gold 5120T CPU（56個(gè)邏輯核心，64 G內(nèi)存）。對每個(gè)患者共模擬2×108個(gè)粒子，約需4～5 h。輸出的劑量圖像尺寸為168×168×172，輸出的統(tǒng)計(jì)誤差圖像尺寸也為168×168×172。最終可以得到單位衰變數(shù)的吸收劑量，用d表示，單位是Gy/（MBq?s）。

1.3 生物動力學(xué)模型

若As(t)為該器官在t時(shí)刻的活度，A0為人體注射活度，使用ICRP 的2008年第128 號［19］報(bào)告中提出的生物動力學(xué)一階方程：

其中，F(xiàn)s是在器官或組織S中的分?jǐn)?shù)分布（即如果沒有放射性衰變，則在整個(gè)時(shí)間內(nèi)都會到達(dá)源器官或組織S中的放射性藥物的分?jǐn)?shù)），該參數(shù)可用某時(shí)刻頭部放射性活度與全身總活度之比，即As(t)/A0(t)來表示。ai是生物半衰期為Ti組分的分?jǐn)?shù)（∑ai= 1），aj是生物半衰期為Tj組分的分?jǐn)?shù)（∑aj= 1），n是消除成分的數(shù)量，m是攝取成分的數(shù)量，Tj,eff和Tj,eff分別是消除和攝取有效半減期。

將患者頭部整體看作只從一個(gè)方向攝取且只向一個(gè)方向消除，即n=1，m=1，且消除的生物半衰期等于攝取的生物半衰期，即Ti=Tj，原方程簡化為：

因此，我們只需要一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的頭部PET 數(shù)據(jù)，就可以畫出患者頭部的活度-時(shí)間曲線，從而通過積分計(jì)算得到頭部在注射放射性藥物后到時(shí)間無窮大時(shí)的累積衰變數(shù)（MBq?s）：

通過MC 模擬的單位衰變數(shù)的平均吸收劑量進(jìn)而求得劑量矩陣，獲得頭部（包含空氣區(qū)域）的平均吸收劑量（Gy）：

1.4 計(jì)算組織和器官的平均吸收劑量

用基于深度學(xué)習(xí)的器官勾畫軟件Deepviewer［20］（安徽慧軟科技有限公司）在CT 圖像上勾畫出大腦區(qū)域以及周圍11 個(gè)組織器官，并將該區(qū)域的標(biāo)簽配準(zhǔn)到劑量矩陣上，以此計(jì)算大腦和其他組織器官的平均吸收劑量。

2 結(jié)果

分別用MC 軟件GATE 和MCNP 計(jì)算單個(gè)粒子在水箱內(nèi)部的輻射劑量，兩者計(jì)算結(jié)果一致，證明本工作中MC模擬的結(jié)果是可信的。

2.1 單位衰變數(shù)的平均吸收劑量

使用MC軟件GATE模擬2×108個(gè)粒子得到5名患者的頭部平均吸收劑量，分別為8.59×10-4、8.96×10-4、8.79×10-4、9.00×10-4、8.58×10-4mGy，將該結(jié)果除以200（MBq?s），得到單位衰變數(shù)的平均吸收劑量為4.29×10-6、4.48×10-6、4.39×10-6、4.49×10-6、4.29×10-6mGy/（MBq?s）。平均統(tǒng)計(jì)誤差為2.6%，在可接受范圍之內(nèi)。

2.2 累積衰變數(shù)與平均吸收劑量

表2為生物動力學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果，分別為5 名患者的注射活度A0、當(dāng)前頭部活度As(t)、當(dāng)前總活度A0(t)、分布分?jǐn)?shù)Fs以及有效消除半衰期Tj,eff，利用表2的結(jié)果可分別獲得5 名患者頭部放射性藥物活度-時(shí)間曲線，如圖1所示。對活度-時(shí)間曲線進(jìn)行無窮積分，分別得到5名患者頭部的累積衰變數(shù)9.11×104、1.33×105、2.66×105、2.24×105、1.65×105MBq?s，并通過MC 方法計(jì)算得到的頭部單位衰變數(shù)的平均吸收劑量求得頭部累積的平均吸收劑量，分別為0.39、0.59、1.17、1.01、0.71 mGy。圖2展示了4 號患者吸收劑量圖的切面圖。

圖1 不同患者的活度-時(shí)間曲線Fig.1 Activity-time curve of different patients

圖2 患者4頭部吸收劑量圖Fig.2 Absorbed dose in the head of patient 4

表2 生物動力學(xué)模型參數(shù)Tab.2 Biokinetic model parameters

2.3 組織和器官的平均吸收劑量

使用自動分割軟件DeepViewer 在CT 圖像上勾畫出大腦、腦干、左右眼球、左右視神經(jīng)、左右晶狀體、左右腮腺、下頜骨和脊髓共12個(gè)組織和器官，圖3是4號患者CT 分割結(jié)果的截面圖。將各組織和器官的標(biāo)簽配準(zhǔn)到劑量矩陣上，計(jì)算其平均吸收劑量，結(jié)果如表3所示。

表3 4號患者頭部組織和器官的平均吸收劑量Tab.3 Average absorbed dose in the organs and tissues of the head of patient 4

圖3 頭部器官分割（包含大腦、眼球及頭部輪廓）Fig.3 Head organs segmentation(including brain,eyes and head profile)

3 討論

本研究提出的使用PET 和CT 圖像以及生物動力學(xué)模型，并在MC 軟件GATE 上模擬的方法，準(zhǔn)確地計(jì)算了放射性藥物18F-AV45在人體頭部時(shí)，頭部及各組織和器官的吸收劑量。結(jié)果顯示，不同的患者所求得單位衰變數(shù)的吸收劑量結(jié)果差距不到5%，這是因?yàn)楸狙芯窟x取的患者體質(zhì)量差距不大，其頭部體積大小和腦部結(jié)構(gòu)相似度很高。使用簡化的生物動力學(xué)模型計(jì)算放射性藥物在頭部的累積衰變數(shù)，不同的患者所得結(jié)果差異很大，這是因?yàn)椴煌颊咭蚱淠挲g、體質(zhì)量等生理因素差別大，其頭部代謝活躍程度和身體代謝能力都有較大差異，因此導(dǎo)致進(jìn)入頭部的放射性藥物的分?jǐn)?shù)不同，進(jìn)而導(dǎo)致放射性藥物的累計(jì)衰變數(shù)差別較大。此外，計(jì)算患者頭部內(nèi)照射吸收劑量時(shí)可以看出，主要影響因素是進(jìn)入患者頭部的放射性藥物的累積活度，而不同患者單位衰變數(shù)的平均吸收劑量影響不大。在頭部各組織和器官的吸收劑量結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，腦部的平均吸收劑量要超過整個(gè)頭部的平均吸收劑量，這是因?yàn)榇蟛糠址派湫运幬锔患诖竽X中。本研究不考慮注射藥物后還未達(dá)到穩(wěn)定分布的時(shí)段，不考慮頭部以下人體所含的放射性藥物對頭部的影響，但本研究中基于MC 方法在計(jì)算吸收劑量方面較MIRD 方法更為準(zhǔn)確，并且可以定量到頭部的組織和器官。本研究提出的方法為采集PET 圖像時(shí)評估18F-AV45 在人體內(nèi)照射產(chǎn)生的吸收劑量提供更加準(zhǔn)確的參考，同時(shí)該方法可普及到任意放射性藥物或任意人體部位，還可以為放射性核素治療提供劑量學(xué)參考。未來，隨著人們對醫(yī)療水平要求越來越高，以及放射性藥物治療的廣泛應(yīng)用，內(nèi)照射劑量計(jì)算不可避免地越來越受到人們重視，后續(xù)將會向開發(fā)新的更加快速和準(zhǔn)確的劑量計(jì)算方法的方向努力。