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(guó))投資有限公司，高級(jí)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)更好的多學(xué)科聯(lián)合診療，提高醫(yī)院綜合實(shí)力。病灶探測(cè)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(cè)能力已達(dá)到亞毫米水平，實(shí)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(cè)能力存在較大差距，還停留在10 mm左右[2-3]。新一代PET/CT因?yàn)椴捎脭?shù)字化探測(cè)器和正則化重建算法，技術(shù)飛躍帶來(lái)了設(shè)備性能全面提升，病灶探測(cè)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(cè)能力，設(shè)計(jì)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(jì)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(cè)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(cè)器，采用模糊目標(biāo)函數(shù)電壓實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，時(shí)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(shí)現(xiàn)了一一對(duì)應(yīng)，對(duì)每個(gè)光電進(jìn)行獨(dú)立解碼，采集通道數(shù)增加50倍，總數(shù)超過(guò)2萬(wàn)個(gè)[4]。數(shù)字化PET/CT探測(cè)器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)字化PET/CT探測(cè)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(wèn)題相近的良態(tài)解去逼近原方程的解，以此來(lái)較好地權(quán)衡病態(tài)解。首先建立含先驗(yàn)知識(shí)的正則化目標(biāo)函數(shù)，再對(duì)這個(gè)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(guò)引入圖像的先驗(yàn)分布信息，將迭代次數(shù)限制在一個(gè)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(chǔ)，正則化重建過(guò)程中將多種校正糅合其中，最終得到衰減校正后與無(wú)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(jì)與制造

為更細(xì)致了解PET/CT的病灶探測(cè)能力，需要設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)物照如圖3所示。

圖3 ZT1-10模體實(shí)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(duì)FDG攝取能力高于肌肉組織對(duì)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(huì)隨著時(shí)間變化而變化，因?yàn)檩^高比活度的放射性溶液在發(fā)生衰變的同時(shí)，較低比活度的放射性溶液也同時(shí)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(gè)半衰期，倍數(shù)比都保持不變。灌注ZT1-10模體熱區(qū)的長(zhǎng)針注射器如圖4所示。

圖4 灌注ZT1-10模體熱區(qū)的長(zhǎng)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(duì)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(cè)和每日質(zhì)控。全面檢測(cè)包括PET/CT系統(tǒng)空間分辨率、時(shí)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(xiàng)指標(biāo)，提前1個(gè)月邀請(qǐng)廠家資深工程師進(jìn)行檢測(cè)，確認(rèn)達(dá)標(biāo)。每日質(zhì)控包含的項(xiàng)目有PET基線核查、PET探測(cè)器的增益調(diào)整、時(shí)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(diǎn)前完成每日質(zhì)控，確保實(shí)驗(yàn)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(tái)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(gè)步驟：首先是定位片掃描，方便指定掃描范圍和計(jì)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(duì)比顯示。

表1 兩臺(tái)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?yàn)椴ＡЧ軆?nèi)放射性比活度更高。

圖7 兩臺(tái)PET/CT的斷層影像

3.2 視覺評(píng)分法與統(tǒng)計(jì)分析

采用視覺評(píng)分法明確PET/CT的病灶探測(cè)能力，評(píng)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(qǐng)5位經(jīng)驗(yàn)豐富的PET/CT中心醫(yī)生參與閱片，在不告知PET/CT型號(hào)、不告知采集重建參數(shù)的前提下，參考評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行打分。單獨(dú)評(píng)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(tái)PET/CT，ZT1-10模體熱區(qū)的視覺評(píng)估總分

圖8是對(duì)2臺(tái)PET/CT熱區(qū)進(jìn)行視覺評(píng)估所得總分繪制的折線圖。橫坐標(biāo)為10個(gè)熱區(qū)的直徑，直徑從1 mm到10 mm；縱坐標(biāo)為視覺評(píng)估的總分。帶三角形的實(shí)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(gè)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(tái)PET/CT熱區(qū)視覺評(píng)估總分的折線圖

統(tǒng)計(jì)軟件使用SPSS 22.0，計(jì)量資料經(jīng)檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)不滿足正態(tài)分布，配對(duì)資料兩組間差異性分析采用兩相關(guān)樣本非參數(shù)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)水準(zhǔn)定義為0.05。統(tǒng)計(jì)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(jì)學(xué)意義。

3.3 TBRmax定量法與統(tǒng)計(jì)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(cè)能力的定量指標(biāo)。最大靶本比最能反映病灶探測(cè)能力，其計(jì)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(cè)量得到放射性比活度的最大值，Bmax為本底區(qū)域勾畫ROI測(cè)量得到放射性比活度的最大值。

圖9直觀展示10個(gè)熱區(qū)TBRmax的差異，帶圓圈的虛線為Gemini，帶三角形的實(shí)線為Vereos。伴隨著熱區(qū)直徑變小，TBRmax值均呈下降趨勢(shì)。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(tái)PET/CT，ZT1-10模體熱區(qū)的TBRmax定量

圖9 兩臺(tái)PET/CT熱區(qū)TBRmax的折線圖

統(tǒng)計(jì)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(jì)學(xué)意義。

4 總結(jié)

原創(chuàng)設(shè)計(jì)并制造了ZT1-10模體，是評(píng)估PET/CT的病灶探測(cè)能力新模體，用于明確PET/CT小病灶的探測(cè)能力。模體研究采用視覺評(píng)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(cè)器帶來(lái)了更好更優(yōu)秀的病灶探測(cè)能力，可更好地實(shí)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(lái)可能[8]。