數(shù)字化PET/CT病灶探測能力的初探

陶端， 張旭

(1.首都醫(yī)科大學(xué)，生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院, 北京 100069；2.飛利浦(中國)投資有限公司，高級分子影像業(yè)務(wù)部，北京 100600；3.首都醫(yī)科大學(xué)，臨床生物力學(xué)應(yīng)用基礎(chǔ)研究所，北京市重點實驗室，北京 100069)

0 引言

PET/CT成像是基于正電子技術(shù)的醫(yī)學(xué)影像，從分子和代謝水平明確疾病，提升臨床精準(zhǔn)診斷的水平，實現(xiàn)更好的多學(xué)科聯(lián)合診療，提高醫(yī)院綜合實力。病灶探測能力與疾病的早發(fā)現(xiàn)、早診斷、早治療密切相關(guān)[1]。CT的病灶探測能力已達(dá)到亞毫米水平，實現(xiàn)了肺微小結(jié)節(jié)和毛玻璃樣變的精準(zhǔn)診斷；但PET/CT的病灶探測能力存在較大差距，還停留在10 mm左右[2-3]。新一代PET/CT因為采用數(shù)字化探測器和正則化重建算法，技術(shù)飛躍帶來了設(shè)備性能全面提升，病灶探測能力有了提高的可能。為了明確新一代數(shù)字化PET/CT的病灶探測能力，設(shè)計并制造ZT1-10模體，進(jìn)行PET/CT顯像，進(jìn)行定性定量以及統(tǒng)計學(xué)分析。

1 數(shù)字化PET/CT和正則化重建算法

1.1 數(shù)字化硅基光電放大器件

數(shù)字化PET/CT與傳統(tǒng)PET/CT的硬件區(qū)別在于數(shù)字化PET/CT探測器，數(shù)字化硅基光電放大器件作為光電芯片，與閃爍晶體和電子線路共同構(gòu)成數(shù)字化PET/CT探測器，采用模糊目標(biāo)函數(shù)電壓實時監(jiān)控技術(shù)，時間分辨率提升到310 ps。閃爍晶體與數(shù)字化硅基光電放大器件結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了一一對應(yīng)，對每個光電進(jìn)行獨立解碼，采集通道數(shù)增加50倍，總數(shù)超過2萬個[4]。數(shù)字化PET/CT探測器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)字化PET/CT探測器的結(jié)構(gòu)圖

1.2 正則化重建算法

重建算法是PET/CT的靈魂，PET/CT廣泛采用有序子集似然法和最大極限似然法進(jìn)行重建運(yùn)算，伴隨著迭代次數(shù)的增加，噪聲增大，信噪比和圖像質(zhì)量有所降低。正則化重建算法是新重建算法，基于變分以及偏微分的方法，其目標(biāo)是用一些與原問題相近的良態(tài)解去逼近原方程的解，以此來較好地權(quán)衡病態(tài)解。首先建立含先驗知識的正則化目標(biāo)函數(shù)，再對這個函數(shù)求極值，得到的解就是重建解。正則化重建算法的核心思想是通過引入圖像的先驗分布信息，將迭代次數(shù)限制在一個合理的數(shù)目中，得到高質(zhì)量圖像，是數(shù)字化PET/CT的靈魂[6]。

1.3 正則化重建的流程

PET/CT的原始數(shù)據(jù)采用表模式存儲，正則化重建過程中將多種校正糅合其中，最終得到衰減校正后與無衰減校正的斷層數(shù)據(jù)，重建流程如圖2所示。

圖2 正則化重建的流程

2 ZT1-10模體的PET/CT顯像

2.1 ZT1-10模體的設(shè)計與制造

為更細(xì)致了解PET/CT的病灶探測能力，需要設(shè)計并制造新模體，命名為ZT1-10模體。ZT1-10模體分玻璃管、支架和外桶等3個部分，10根玻璃管內(nèi)徑不同，最大內(nèi)徑為10 mm，按1 mm逐個遞減，最小內(nèi)徑為1 mm，模擬不同大小的病灶。支架為上下有蓋的圓筒，直徑140 mm，高度140 mm，上下蓋均開10個孔，用以垂直放置玻璃管。外桶高260 mm，內(nèi)徑175 mm，壁厚2 mm，上方廣口，下方平底。ZT1-10模體實物照如圖3所示。

圖3 ZT1-10模體實物照

2.2 ZT1-10模體的灌注

分別配制不同比活度的放射性溶液，比活度較高的放射性溶液注入1～10 mm的玻璃管內(nèi)，形成熱區(qū)，模擬病灶。比活度較低的放射性溶液注入外桶，形成本底，模擬肌肉組織[7]。PET/CT臨床應(yīng)用最廣的是葡萄糖代謝顯像，腫瘤對FDG攝取能力高于肌肉組織對FDG攝取能力，大約在4倍左右，基于此，熱區(qū)放射性溶液與本底放射性溶液兩者比活度的倍數(shù)比設(shè)置為4∶1。

倍數(shù)比設(shè)定后，不會隨著時間變化而變化，因為較高比活度的放射性溶液在發(fā)生衰變的同時，較低比活度的放射性溶液也同時發(fā)生衰變，相同的放射性核素，半衰期完全相同，即便擱置3～5個半衰期，倍數(shù)比都保持不變。灌注ZT1-10模體熱區(qū)的長針注射器如圖4所示。

圖4 灌注ZT1-10模體熱區(qū)的長針注射器

2.3 顯像設(shè)備與質(zhì)控

選擇飛利浦公司Vereos作為數(shù)字化PET/CT的代表，為了對照，另選擇飛利浦公司Gemini作為非數(shù)字化、傳統(tǒng)PET/CT的代表。為保證圖像質(zhì)量和定量準(zhǔn)確，PET/CT設(shè)備質(zhì)控包括全面檢測和每日質(zhì)控。全面檢測包括PET/CT系統(tǒng)空間分辨率、時間分辨率、能量分辨率、散射分?jǐn)?shù)、靈敏度、NECR、圖像質(zhì)量多項指標(biāo)，提前1個月邀請廠家資深工程師進(jìn)行檢測，確認(rèn)達(dá)標(biāo)。每日質(zhì)控包含的項目有PET基線核查、PET探測器的增益調(diào)整、時間分辨率核查、能量分辨率核查、SUV標(biāo)準(zhǔn)攝取值準(zhǔn)確性核查、CT球管預(yù)熱、CT空氣校正、CT值核查等，早晨9點前完成每日質(zhì)控，確保實驗當(dāng)天的圖像質(zhì)量和定量準(zhǔn)確。相關(guān)機(jī)架如圖5、圖6所示。

圖5 Vereos PET/CT的機(jī)架

圖6 Gemini PET/CT的機(jī)架

2.4 ZT1-10模體的顯像

將灌注好的ZT1-10模體轉(zhuǎn)運(yùn)到PET/CT機(jī)房，在Gemini或Vereos 2臺PET/CT分別進(jìn)行掃描采集，PET/CT是雙模融合影像設(shè)備，采集流程包含3個步驟：首先是定位片掃描，方便指定掃描范圍和計劃；第二步為CT螺旋掃描，得到CT斷層影像；第三步為PET步進(jìn)掃描，得到PET斷層影像。采集重建參數(shù)參考表1。采集完成后，重建得到PET/CT斷層數(shù)據(jù)，然后導(dǎo)入后處理工作站，進(jìn)行融合對比顯示。

表1 兩臺PET/CT的采集和重建參數(shù)

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 PET/CT斷層影像

圖7為ZT1-10模體的PET/CT斷層影像，左為Gemini，右為Vereos。在Invert-greyscale色譜顯示下，玻璃管內(nèi)影像上表現(xiàn)更黑，因為玻璃管內(nèi)放射性比活度更高。

圖7 兩臺PET/CT的斷層影像

3.2 視覺評分法與統(tǒng)計分析

采用視覺評分法明確PET/CT的病灶探測能力，評分標(biāo)準(zhǔn)采用三分法，熱區(qū)清晰可見為2分，隱約可見為1分，看不見為0分。邀請5位經(jīng)驗豐富的PET/CT中心醫(yī)生參與閱片，在不告知PET/CT型號、不告知采集重建參數(shù)的前提下，參考評分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行打分。單獨評分完成后，再將5位醫(yī)生的分值進(jìn)行求和，得到總分，見表2。

表2 兩臺PET/CT，ZT1-10模體熱區(qū)的視覺評估總分

圖8是對2臺PET/CT熱區(qū)進(jìn)行視覺評估所得總分繪制的折線圖。橫坐標(biāo)為10個熱區(qū)的直徑，直徑從1 mm到10 mm；縱坐標(biāo)為視覺評估的總分。帶三角形的實線上可見，Vereos的1 mm熱區(qū)為0分，2～3 mm熱區(qū)落在5～8分這個區(qū)間，4～10 mm熱區(qū)都為10分；帶圓圈的虛線上可見，Gemini的1～7 mm熱區(qū)均為0分，8 mm熱區(qū)為7分，9～10 mm熱區(qū)為10分。

圖8 兩臺PET/CT熱區(qū)視覺評估總分的折線圖

統(tǒng)計軟件使用SPSS 22.0，計量資料經(jīng)檢驗，數(shù)據(jù)不滿足正態(tài)分布，配對資料兩組間差異性分析采用兩相關(guān)樣本非參數(shù)檢驗，檢驗水準(zhǔn)定義為0.05。統(tǒng)計分析結(jié)果Z等于-2.410，P等于0.016，P<0.05，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

3.3 TBRmax定量法與統(tǒng)計分析

靶本比(Target Background Ratio，TBR)是熱區(qū)內(nèi)放射性比活度與本底區(qū)域內(nèi)放射性比活度的比值，是PET/CT病灶探測能力的定量指標(biāo)。最大靶本比最能反映病灶探測能力，其計算式為

TBRmax=Hmax/Bmax

(1)

其中，TBRmax為最大靶本比，Hmax為熱區(qū)勾畫ROI測量得到放射性比活度的最大值，Bmax為本底區(qū)域勾畫ROI測量得到放射性比活度的最大值。

圖9直觀展示10個熱區(qū)TBRmax的差異，帶圓圈的虛線為Gemini，帶三角形的實線為Vereos。伴隨著熱區(qū)直徑變小，TBRmax值均呈下降趨勢。4∶1倍數(shù)比下，Vereos的4 mm熱區(qū)TBRmax為2.37，5 mm熱區(qū)TBRmax為2.83，6～10 mm熱區(qū)TBRmax均大于3.0，最高達(dá)3.72。Gemini的8 mm熱區(qū)TBRmax為1.50，9 mm熱區(qū)TBRmax為2.30，10 mm熱區(qū)TBRmax為3.21。

表3 兩臺PET/CT，ZT1-10模體熱區(qū)的TBRmax定量

圖9 兩臺PET/CT熱區(qū)TBRmax的折線圖

統(tǒng)計分析結(jié)果Z等于-2.666，P等于0.008。P<0.05，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

4 總結(jié)

原創(chuàng)設(shè)計并制造了ZT1-10模體，是評估PET/CT的病灶探測能力新模體，用于明確PET/CT小病灶的探測能力。模體研究采用視覺評分法和最大靶本比定量法，數(shù)字化PET/CT能清晰發(fā)現(xiàn)直徑3 mm的小病灶。正則化重建算法和數(shù)字化PET/CT探測器帶來了更好更優(yōu)秀的病灶探測能力，可更好地實現(xiàn)疾病的早診斷、精準(zhǔn)分期，為分子影像進(jìn)入疾病超早期診斷帶來可能[8]。