數字化PET/CT病灶探測能力的初探

陶端， 張旭

(1.首都醫科大學，生物醫學工程學院, 北京 100069；2.飛利浦(中國)投資有限公司，高級分子影像業務部，北京 100600；3.首都醫科大學，臨床生物力學應用基礎研究所，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的醫學影像，從分子和代謝水平明確疾病，提升臨床精準診斷的水平，實現更好的多學科聯合診療，提高醫院綜合實力。病灶探測能力與疾病的早發現、早診斷、早治療密切相關[1]。CT的病灶探測能力已達到亞毫米水平，實現了肺微小結節和毛玻璃樣變的精準診斷；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因為采用數字化探測器和正則化重建算法，技術飛躍帶來了設備性能全面提升，病灶探測能力有了提高的可能。為了明確新一代數字化PET/CT的病灶探測能力，設計并制造ZT1-10模體，進行PET/CT顯像，進行定性定量以及統計學分析。

1 數字化PET/CT和正則化重建算法

1.1 數字化硅基光電放大器件

數字化PET/CT與傳統PET/CT的硬件區別在于數字化PET/CT探測器，數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成數字化PET/CT探測器，采用模糊目標函數電壓實時監控技術，時間分辨率提升到310 ps。閃爍晶體與數字化硅基光電放大器件結構上實現了一一對應，對每個光電進行獨立解碼，采集通道數增加50倍，總數超過2萬個[4]。數字化PET/CT探測器的結構如圖1所示。

圖1 數字化PET/CT探測器的結構圖

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行重建運算，伴隨著迭代次數的增加，噪聲增大，信噪比和圖像質量有所降低。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，其目標是用一些與原問題相近的良態解去逼近原方程的解，以此來較好地權衡病態解。首先建立含先驗知識的正則化目標函數，再對這個函數求極值，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，將迭代次數限制在一個合理的數目中，得到高質量圖像，是數字化PET/CT的靈魂[6]。

1.3 正則化重建的流程

PET/CT的原始數據采用表模式存儲，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據，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模體的設計與制造

為更細致了解PET/CT的病灶探測能力，需要設計并制造新模體，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根玻璃管內徑不同，最大內徑為10 mm，按1 mm逐個遞減，最小內徑為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，形成熱區，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，熱區放射性溶液與本底放射性溶液兩者比活度的倍數比設置為4∶1。

倍數比設定后，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生衰變的同時，較低比活度的放射性溶液也同時發生衰變，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，倍數比都保持不變。灌注ZT1-10模體熱區的長針注射器如圖4所示。

圖4 灌注ZT1-10模體熱區的長針注射器

2.3 顯像設備與質控

選擇飛利浦公司Vereos作為數字化PET/CT的代表，為了對照，另選擇飛利浦公司Gemini作為非數字化、傳統PET/CT的代表。為保證圖像質量和定量準確，PET/CT設備質控包括全面檢測和每日質控。全面檢測包括PET/CT系統空間分辨率、時間分辨率、能量分辨率、散射分數、靈敏度、NECR、圖像質量多項指標，提前1個月邀請廠家資深工程師進行檢測，確認達標。每日質控包含的項目有PET基線核查、PET探測器的增益調整、時間分辨率核查、能量分辨率核查、SUV標準攝取值準確性核查、CT球管預熱、CT空氣校正、CT值核查等，早晨9點前完成每日質控，確保實驗當天的圖像質量和定量準確。相關機架如圖5、圖6所示。

圖5 Vereos PET/CT的機架

圖6 Gemini PET/CT的機架

2.4 ZT1-10模體的顯像

將灌注好的ZT1-10模體轉運到PET/CT機房，在Gemini或Vereos 2臺PET/CT分別進行掃描采集，PET/CT是雙模融合影像設備，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步進掃描，得到PET斷層影像。采集重建參數參考表1。采集完成后，重建得到PET/CT斷層數據，然后導入后處理工作站，進行融合對比顯示。

表1 兩臺PET/CT的采集和重建參數

3 數據分析

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，玻璃管內影像上表現更黑，因為玻璃管內放射性比活度更高。

圖7 兩臺PET/CT的斷層影像

3.2 視覺評分法與統計分析

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

表2 兩臺PET/CT，ZT1-10模體熱區的視覺評估總分

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

圖8 兩臺PET/CT熱區視覺評估總分的折線圖

統計軟件使用SPSS 22.0，計量資料經檢驗，數據不滿足正態分布，配對資料兩組間差異性分析采用兩相關樣本非參數檢驗，檢驗水準定義為0.05。統計分析結果Z等于-2.410，P等于0.016，P<0.05，差異具有統計學意義。

3.3 TBRmax定量法與統計分析

靶本比(Target Background Ratio，TBR)是熱區內放射性比活度與本底區域內放射性比活度的比值，是PET/CT病灶探測能力的定量指標。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為熱區勾畫ROI測量得到放射性比活度的最大值，Bmax為本底區域勾畫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。伴隨著熱區直徑變小，TBRmax值均呈下降趨勢。4∶1倍數比下，Vereos的4 mm熱區TBRmax為2.37，5 mm熱區TBRmax為2.83，6～10 mm熱區TBRmax均大于3.0，最高達3.72。Gemini的8 mm熱區TBRmax為1.50，9 mm熱區TBRmax為2.30，10 mm熱區TBRmax為3.21。

表3 兩臺PET/CT，ZT1-10模體熱區的TBRmax定量

圖9 兩臺PET/CT熱區TBRmax的折線圖

統計分析結果Z等于-2.666，P等于0.008。P<0.05，差異具有統計學意義。

4 總結

原創設計并制造了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，數字化PET/CT能清晰發現直徑3 mm的小病灶。正則化重建算法和數字化PET/CT探測器帶來了更好更優秀的病灶探測能力，可更好地實現疾病的早診斷、精準分期，為分子影像進入疾病超早期診斷帶來可能[8]。