國(guó)產(chǎn)uMI 780型PET/CT儀18F-FDG最適圖像采集及處理?xiàng)l件探討

孫 震，趙燕燕，毛旻航，王麗麗，張曉瑩，王惠煜，吳玉濤，顧思蕓，劉士濤，董 筠，錢(qián) 政，莊 橙，陳 濤

1.上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬曙光醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科，上海 201203；

2.上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬曙光醫(yī)院醫(yī)學(xué)裝備處，上海 201203；

3.上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司，上海 201807

正電子發(fā)射體層成像（positron emission tomography，PET）/計(jì)算機(jī)體層成像（computed tomography，CT）自20世紀(jì)末問(wèn)世以來(lái)，因其聯(lián)合18F-FDG對(duì)臨床腫瘤診斷和治療決策的卓越貢獻(xiàn)在全世界得到了迅猛的發(fā)展。uMI 780型PET/CT儀是上海聯(lián)影醫(yī)療科技股份有限公司研發(fā)的第二代PET/CT儀，它在繼續(xù)沿用硅酸釔镥晶體（LYSO）和飛行時(shí)間（time of fly，ToF）技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用“晶體-硅光電倍增管（silicon photomultiplier，SiPM）”取代了傳統(tǒng)的“晶體-光電倍增管”P(pán)ET探測(cè)器系統(tǒng)，使PET探測(cè)進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代［1-2］。

由于采用了區(qū)別于已有PET/CT設(shè)備的PET探測(cè)系統(tǒng)，因此確定其在應(yīng)用18F-FDG進(jìn)行臨床顯像檢查時(shí)的最適圖像采集和處理?xiàng)l件對(duì)于合理、有效地使用這款設(shè)備，保證圖像質(zhì)量是非常必要的。為此本研究采用臨床試驗(yàn)的方式對(duì)使用uMI 780型PET/CT儀進(jìn)行18F-FDG全身代謝顯像的最適圖像采集條件，如最適18F-FDG體重注射量、最適單床位采集時(shí)間及最適的PET圖像重建參數(shù)進(jìn)行了探討，以期提出最佳的臨床應(yīng)用方案。

1 資料和方法

1.1 研究對(duì)象

隨機(jī)納入2017年8月—2018年5月400例符合要求的受試者，其中男性213例，女性187例，年齡27～95歲，平均年齡（60.2±12.1）歲。將受試者分為4組（A1、A2、B1、B2，每組100例）研究序列。A1：18F-FDG注射量按體重2.96 MBq/kg（0.08 mCi/kg），體部PET顯像2 min/床位、腦部3 min；A2：18F-FDG注射量按體重2.96 MBq/kg（0.08 mCi/kg），體部PET顯像1.5 min/床位、腦部2 min；B1：18F-FDG注射量按體重3.70 MBq/kg（0.10 mCi/kg），體部PET顯像2 min/床位、腦部3 min；B2：18F-FDG注射量按體重3.70 MBq/kg（0.10 mCi/kg），體部PET顯像1.5 min/床位、腦部2 min。受試者納入標(biāo)準(zhǔn)：① 年齡大于18歲，同意參加本臨床試驗(yàn)，并簽署知情同意書(shū)；② 依從性良好；③ 3個(gè)月內(nèi)無(wú)生育計(jì)劃。排除標(biāo)準(zhǔn)：① 不具有完全民事行為能力者；② 妊娠及有可能妊娠的婦女（須接受尿人絨毛膜促性腺激素檢測(cè)且為陽(yáng)性），哺乳期婦女；③ 體內(nèi)有金屬植入物或者短期內(nèi)注射或口服CT造影劑者；④ 依從性差者；⑤ 糖尿病且血糖控制不佳者（試驗(yàn)當(dāng)天空腹血糖值大于10 mmol/L）；⑥ 臨床診斷為終末期腎功能不全者；⑦ 情緒不穩(wěn)定或者出現(xiàn)痙攣癥狀等無(wú)法正常完成PET/CT檢查者；⑧ 在PET/CT檢查前24 h內(nèi)進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)者；⑨ 在PET/CT檢查前6 h內(nèi)未禁食者，或者口服高含糖藥物者；⑩ 研究者認(rèn)為不宜參加本臨床試驗(yàn)者。本研究經(jīng)上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬曙光醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，所有受試者均簽署知情同意書(shū)。本研究符合《赫爾辛基宣言》的原則。

1.2 18F-FDG PET/CT顯像

采用上海聯(lián)影醫(yī)療科技股份有限公司的uMI 780型PET/CT儀。18F-FDG由上海原子科興藥業(yè)有限公司提供，放射化學(xué)純度＞95%。受試者空腹6 h以上，確認(rèn)血糖＜10 mmol/L，平靜狀態(tài)下按受試者納入組別劑量靜脈注射18F-FDG后安靜休息約60 min，顯像檢查前5 min排空膀胱并口服250～300 mL對(duì)比劑充盈胃腔，分別進(jìn)行腦部和體部PET/CT檢查。

腦部PET/CT檢查，受試者取仰臥位、頭部固定于專(zhuān)用頭托內(nèi)，眶耳線（orbitomeatal line，OML）垂直于掃描床平面。PET顯像采用列表 模式，顯像時(shí)間按受試者納入組別施行；CT掃描參數(shù)：電壓120 kV、電流為自動(dòng)毫安秒（根據(jù)患者體重不同自動(dòng)匹配毫安秒）、螺距0.6、球管單圈旋轉(zhuǎn)時(shí)間0.8 s、層厚2 mm。

體部PET/CT檢查，顯像范圍自股骨中上段至顱底部。PET顯像采用列表模式，單床位顯像時(shí)間按受試者納入組別施行，床位間重疊35%，采集4～5個(gè)床位；CT掃描參數(shù)：電壓120 kV、電流為自動(dòng)毫安秒（根據(jù)患者體重不同自動(dòng)匹配毫安秒）、螺距1.0、球管單圈旋轉(zhuǎn)時(shí)間0.5 s、層厚3 mm。

1.3 PET圖像處理及評(píng)價(jià)

對(duì)4組受試者PET圖像應(yīng)用不同的重建算法，或相同重建算法、不同參數(shù)進(jìn)行處理、評(píng)價(jià)。

1.3.1 PET圖像處理

腦部PET圖像處理，分別應(yīng)用濾波反投影法（filtered back projection，F(xiàn)BP）和有序子集最大期望值法（ordered subset expectation maximization，OSEM）進(jìn)行圖像重建，視野300 mm，矩陣128×128，層厚1.34 mm，并對(duì)圖像進(jìn)行CT衰減校正、散射校正和隨機(jī)校正。R1：斜坡函數(shù)濾波（0.5）+漢寧窗+平滑（非局部均值+梅斯濾波）；R2：OSEM（4次迭代，20個(gè)子集）+ToF+點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（point spread function，PSF）+平滑（非局部均值+梅斯濾波）。

體部PET圖像處理，采用OSEM算法不同的迭代次數(shù)或平滑的高斯半高寬（full width at half maximum，F(xiàn)WHM）進(jìn)行圖像重建，視野600 mm，矩陣150×150，層厚2.68 mm，并對(duì)圖像進(jìn)行CT衰減校正、散射校正和隨機(jī)校正。R3：OSEM（2次迭代，20個(gè)子集）+ToF+PSF+平滑（高斯FWHM 3 mm）；R4：OSEM（3次迭代，20個(gè)子集）+ToF+PSF+平滑（高斯FWHM 3 mm）；R5：OSEM（2次迭代，20個(gè)子集）+ToF+PSF+平滑（高斯FWHM 4 mm）。

1.3.2 PET圖像評(píng)價(jià)

由2名具有多年P(guān)ET/CT讀片經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師各自獨(dú)立對(duì)4組受試者所有重建后的PET圖像按照表1、2所列的評(píng)價(jià)內(nèi)容、標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)等級(jí)設(shè)為優(yōu)、良、差3個(gè)等級(jí)，分別記為3、2、1分，當(dāng)2名醫(yī)師的評(píng)價(jià)結(jié)果出現(xiàn)歧義時(shí)由第3名更高級(jí)別的醫(yī)師進(jìn)行評(píng)價(jià)并共同討論后確定評(píng)價(jià)結(jié)果。

表1 腦部PET圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表2 體部PET圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用Matlab R2010b軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。應(yīng)用lillietest函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，應(yīng)用vartestn函數(shù)進(jìn)行方差齊次性檢驗(yàn)，適用于參數(shù)檢驗(yàn)的用anova1函數(shù)進(jìn)行顯著性分析，不適用于參數(shù)檢驗(yàn)的用Kruskal-Wallis函數(shù)進(jìn)行顯著性分析。符合正態(tài)分布的計(jì)量數(shù)據(jù)以x±s表示。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 受試者人群自然狀況比較

4組受試者人群除A1、A2組受試者的體重略高于B1、B2組外，其余男女性別比、年齡、身高差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（表3）。A1、A2組18F-FDG的體重注射量分別為（3.022±0.106）、（3.023±0.112）MBq/kg（P=0.641），B1、B2組分別為（3.763±0.101）、（3.789±0.124）MBq/kg（P=0.171，圖1）。

圖1 4組受試者人群的18F-FDG體重注射量

表3 4組受試者人群自然狀況比較x±s

2.2 腦部PET圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.2.1 不同重建算法對(duì)腦部PET圖像質(zhì)量的影響

各組圖像的代謝分布、設(shè)備性偽影、圖像均勻性均表現(xiàn)為R2（OSEM）重建算法明顯優(yōu)于R1（FBP），差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001，圖2）。

圖2 腦部PET不同重建算法（FBP vs OSEM）圖像質(zhì)量比較

2.2.2 不同顯像時(shí)間對(duì)腦部PET圖像質(zhì)量的影響

當(dāng)18F-FDG注射量為2.96或3.70 MBq/kg，應(yīng)用R2（OSEM）重建時(shí)，顯像時(shí)間3和2 min（A1vsA2或B1vsB2）圖像的代謝分布、設(shè)備性偽影、圖像均勻性差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05，圖3）。

圖3 腦部PET不同顯像時(shí)間、不同注射劑量圖像質(zhì)量比較

2.2.3 不同18F-FDG注射量對(duì)腦部PET圖像質(zhì)量的影響

當(dāng)顯像時(shí)間為3或2 min、應(yīng)用R2（OSEM）重建時(shí)，18F-FDG注射量2.96和3.70 MBq/kg（A1vsB1或A2vsB2）圖像的代謝分布、設(shè)備性偽影、圖像均勻性差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05，圖3）。

2.3 體部PET圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.3.1 不同顯像時(shí)間對(duì)體部PET圖像質(zhì)量的影響

當(dāng)18F-FDG注射量為2.96 MBq/kg時(shí)，顯像時(shí)間2 min圖像（A1）的代謝分布、圖像均勻性均明顯優(yōu)于1.5 min的圖像（A2）（P＜0.05），而設(shè)備性偽影兩者間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；當(dāng)注射量為3.70 MBq/kg時(shí)，顯像時(shí)間2 min（B1）和1.5 min（B2）的圖像質(zhì)量差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，僅在采用R3（迭代次數(shù)2、高斯FWHM 3 mm）重建時(shí)，顯像時(shí)間2 min的圖像均勻性和總評(píng)分優(yōu)于1.5 min（P＜0.05，圖4）。

圖4 體部PET不同顯像時(shí)間、不同注射劑量圖像質(zhì)量比較

2.3.2 不同18F-FDG注射量對(duì)體部PET圖像質(zhì)量的影響

當(dāng)顯像時(shí)間為2 min時(shí)，注射量3.70 MBq/kg（B1）和2.96 MBq/kg（A1）的圖像質(zhì)量差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；當(dāng)顯像時(shí)間為1.5 min時(shí)，注射量3.70 MBq/kg（B1）的圖像在代謝分布和圖像均勻性上表現(xiàn)為比注射量2.96 MBq/kg（A1）更好的趨勢(shì)，雖然在R4（迭代次數(shù)3、高斯FWHM 3 mm）重建時(shí)圖像的代謝分布和圖像均勻性以及在R5（迭代次數(shù)2、高斯FWHM 4 mm）重建時(shí)圖像的代謝分布差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但圖像質(zhì)量的總體評(píng)分在R3、R4、R5 3種重建參數(shù)組合均表現(xiàn)為注射量3.70 MBq/kg的圖像明顯高于2.96 MBq/kg（P＜0.05，圖4）。

2.3.3 不同迭代次數(shù)對(duì)圖像質(zhì)量的影響

應(yīng)用OSEM算法重建體部PET圖像時(shí)，迭代2次圖像的代謝分布和圖像均勻性明顯優(yōu)于迭代3次的圖像（P＜0.01），但對(duì)設(shè)備性偽影無(wú)顯著影響（圖5）。

圖5 體部PET應(yīng)用OSEM重建時(shí)迭代次數(shù)（2 vs 3）對(duì)圖像質(zhì)量的影響

2.3.4 不同高斯FWHM對(duì)圖像質(zhì)量的影響

應(yīng)用OSEM算法重建體部PET圖像時(shí)，高斯FWHM為4 mm的圖像代謝分布和圖像均勻性明顯優(yōu)于高斯FWHM為3 mm的圖像（P＜0.01），其中A2組高斯FWHM為4 mm的圖像設(shè)備性偽影明顯優(yōu)于高斯FWHM為3 mm的圖像（P＜0.01），而其他組別兩者間圖像的設(shè)備性偽影差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（圖6）。

圖6 體部PET應(yīng)用OSEM重建時(shí)高斯FWHM（3 mm vs 4 mm）對(duì)圖像質(zhì)量的影響

3 討 論

18F-FDG PET/CT是臨床腫瘤診斷、療效評(píng)估、預(yù)后預(yù)測(cè)的重要影像學(xué)診斷方法。在18F-FDG PET/CT檢查時(shí)，除了PET/CT儀設(shè)備的基本性能外，18F-FDG體重注射量、采集時(shí)間/床位以及圖像重建算法和參數(shù)是決定PET圖像質(zhì)量的主要因素，同時(shí)也關(guān)系到受檢者的輻射劑量和檢查感受以及PET/CT的使用效率。

在本研究中，根據(jù)uMI 780型PET/CT儀的基本性能以及以往應(yīng)用各種型號(hào)PET/CT儀進(jìn)行18F-FDG PET/CT的經(jīng)驗(yàn)確定了試驗(yàn)分組的原則，即18F-FDG體重注射量選擇2.96 MBq/kg（0.08 mCi/kg）和3.70 MBq/kg（0.10 mCi/kg），采集時(shí)間/床位選擇腦部顯像3 min和2 min、體部顯像2 min/床位和1.5 min/床位分別組合形成4個(gè)研究組序列。400例受試者依先后順序隨機(jī)納入4個(gè)研究組，每組各100例。4組間受試者人群的男女性別比、年齡及身高差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，雖然A1、A2組受試者人群的體重略高于B1、B2組，但是考慮到A1、A2組和B1、B2組采用相同的18F-FDG體重注射量，且A1和A2組間以及B1和B2組間的18F-FDG體重注射量差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，因此，可以認(rèn)為本研究4組受試者人群的結(jié)構(gòu)不存在對(duì)研究結(jié)果構(gòu)成影響的統(tǒng)計(jì)學(xué)偏倚。

腦部PET圖像各組內(nèi)OSEM算法重建的圖像質(zhì)量均明顯優(yōu)于FBP算法，且尤以“設(shè)備性偽影”差異最大，考慮這與OSEM算法本身對(duì)泊松噪聲做了統(tǒng)計(jì)建模以及使用了ToF技術(shù)能夠降低圖像的噪聲信號(hào)有關(guān)［3-4］。體部PET圖像OSEM重建時(shí)迭代2次明顯優(yōu)于3次，且主要表現(xiàn)為“代謝分布”和“圖像均勻性”的改善，考慮為3次迭代增加了圖像的噪聲信號(hào)所致；而高斯FWHM以4 mm為最佳［5］。

無(wú)論18F-FDG體重注射量為2.76 MBq/kg或者3.70 MBq/kg、顯像時(shí)間為3 min或者2 min，OSEM算法重建的腦部PET圖像質(zhì)量差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。體部PET圖像在18F-FDG注射量為2.76 MBq/kg時(shí)，顯像時(shí)間以2 min/床位為佳；注射量為3.70 MBq/kg時(shí)，顯像時(shí)間1.5 min/床位可以獲得滿意的圖像質(zhì)量。對(duì)比以往各種型號(hào)PET設(shè)備普遍采用的18F-FDG體重注射量3.70～5.55 MBq/kg、腦部顯像時(shí)間至少3 min、體部顯像時(shí)間1.5～2.0 min的圖像采集條件，uMI 780型PET/CT儀明顯降低了18F-FDG的注射量、縮短了顯像時(shí)間，這與其明顯增高的系統(tǒng)靈敏度、較長(zhǎng)的軸向視野（300 mm）、優(yōu)化的采集模式以及重建算法和參數(shù)直接相關(guān)，這不僅減少了受檢者因注射18F-FDG產(chǎn)生的輻射劑量，降低了PET/CT的檢查成本，同時(shí)縮短檢查時(shí)間進(jìn)一步改善了受檢者的檢查感受，降低了檢查過(guò)程中受檢者發(fā)生體動(dòng)的概率，提高了PET/CT設(shè)備的使用效率［2，6-10］。

綜上所述，本研究推薦國(guó)產(chǎn)uMI 780型PET/CT儀臨床應(yīng)用18F-FDG的最適圖像采集和處理方案：①18F-FDG注射量2.96 MBq/kg；腦部顯像2 min，OSEM重建；體部顯像2 min/床位，OSEM重建的迭代次數(shù)為2、高斯FWHM為4 mm。②18F-FDG注射量3.70 MBq/kg；腦部顯像2 min，OSEM重建；體部顯像1.5 min/床位，OSEM重建的迭代次數(shù)為2、高斯FWHM為4 mm。