PET自由呼吸门控技术的实验研究*

王 瞳 李 楠 朱文佳 朱朝晖 张 悦 霍 力 李 方* 张 辉

近年来，正电子发射断层扫描-CT(positronemission tomography，PET/CT)已成为肿瘤评估的有效检查工具，然而受限于PET的扫描速度，在PET扫描期间人体器官的呼吸运动会造成PET图像中器官和病灶区域边界模糊，图像对比度下降，与CT图像的融合度也会变差[1]。在典型的PET/CT扫描中，CT扫描时间短，呼吸运动可忽略，而PET扫描时间长，一般每床位采集2～3 min，胸腹部病灶受呼吸运动的影响明显，PET图像中病灶的尺寸往往在视觉上大于CT图像中的尺寸，且病灶的标准化摄取值(standardized uptake value，SUV)也会受到影响。呼吸运动对测量SUV的准确性会直接影响到对肿瘤病灶的诊断以及治疗方案的制定[7]。

采用呼吸门控技术可以对呼吸运动进行校正。呼吸门控技术通过门控设备采集患者的呼吸运动信号，目前临床常用的呼吸信号采集方式主要有ANZAI呼吸门控系统的压片式呼吸门控仪、红外感应呼吸幅度、鼻腔气流测量仪和口腔气流温度计量仪4种。以ANZAI呼吸门控系统为例，其特点是根据压片压力变化可得到呼吸运动的波形。在获得呼吸信号波形的基础上将1个呼吸周期分为6～8个时相，通过时相分割的方式进行门控图像重建，从而达到对呼吸运动进行校正的效果。本研究采用一种新的自动门控方法(自由呼吸门控技术)对呼吸运动进行校正，该技术无需使用传统的外部门控设备，通过PET采集的原始数据直接提取患者的呼吸运动信号[3，5，9]。为此，本研究通过实验对自由呼吸门控与ANZAI呼吸门控系统进行比对，以探讨自由呼吸门控技术的价值。

1 材料与方法

1.1 仪器设备

采用PoleStar m660型PET/CT仪[赛诺联合医疗科技(北京)有限公司]，56环硅酸铱镥(LYSO)晶体探测器环，具有飞行时间成像功能，配备64层高速螺旋CT。该设备提供自由呼吸成像技术，可以进行自由呼吸PET图像门控采集与重建。同时利用外部呼吸门控设备进行呼吸信号采集和门控重建，即采用WAVE DECK(Respiratory Gating System AZ-773V)型ANZAI呼吸门控系统装置(日本ANZAI公司)，电压220 V，提供门控触发信号。

1.2 体模模型

选用美国国家电气制造商协会(N a t i o n a l Electrical Manufacturers Association，NEMA)、国际电工委员会(International Electro technical Commission，IEC)体模中直径为2.8 cm、对应容积为11.49 ml的球体。实验中将球体固定于呼吸运动模拟器的头端，通过该模拟器带动球体的往复运动，以模拟患者的呼吸运动。

1.3 实验方法

利用ANZAI呼吸门控系统外接门控装置采集的数据，经重建可得到有呼吸门控校正的图像和无呼吸门控校正的图像，分别记为GATED和NON-GATED。利用PoleStar m660型设备提供的自由呼吸功能，也可分别重建得到呼吸门控校正图像和无呼吸门控校正的图像，分别记为FREE和NON-FREE。

按3.7 MBq/ml浓度配置18F-氟代脱氧葡萄糖(18F-flurodeoxyglucose，18F-FDG)溶液，将18F-FDG溶液注入球体模型，球体固定于呼吸运动模拟器的头端，置于检查床上，确保各设备均已连接正常，呼吸运动模拟器处于开启状态，调整门控波形及触发信号，浓度计算为公式1：

按公式计算出18F-FDG浓度为0.077 mCi/ml(2849000 Bq/ml)时的间隔时间，于该浓度点先后进行GATED球体采集和FREE模型数据采集，每次采集3 min，对两种采集方式进行图像后重建，按图像轮廓勾画感兴趣区域(region of interest，ROI)，测定体积并记录，然后勾画半径为2 cm的固定大小ROI，将ROI置于每组图像球体中心位置，测定平均浓度及最大浓度并记录，测量数据的单位为Bq/ml，记录并分析结果，上述实验重复5次。以上实验均为同一人操作，场所环境、设备采集和重建参数均一致，数据测量为2人各测一遍。

1.4 重建算法

重建算法采用有序子集最大期望值(ordered subset expectation maximization，OSEM)迭代法+飞行时间(time of flight，TOF)，迭代次数为2，子集为10，zoom为1，选用Gaussian滤波，半高宽(full width half maximum，FWHM)为4.5 mm。

1.5 观察与评价指标

(1)观察记录ANZAI门控系统采集重建图像(GATED)中体积、最大浓度、平均浓度及各时相平均值与理论值，其理论值计算为公式2：

式中ΔGATED为GATED-理论值；ΔNON为(NONGATED)-理论值。

(2)观察记录自由呼吸模式下门控图像(FREE)中体积、最大浓度及平均浓度各时相平均值与理论值，其理论值计算为公式3：

式中ΔFREE为FREE-理论值；ΔNON为(NONFREE)-理论值。

(3)观察比较两种门控方法和非门控方法患者病灶体积、SUVmean(平均SUV)、SUVmax(最大SUV)。

1.6 统计学方法

采用SPSS 13.0统计软件，不同方法的各时相数据平均值与理论值的差值以均值±标准差(x-±s)表示，进行配对t检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两种门控方法与非门控方法图像比较

门控采集时，将每个呼吸周期分为6个时相，经门控方式采集重建后的图像可明显校正由呼吸运动导致的运动伪影，数据由2人分别进行勾画测量，每个时相都按边界勾划，可得到在PET图像上测得的体积、最大浓度及平均浓度，然后分别对各时相体积、最大浓度及平均浓度取平均值，记录并分析数据(如图1所示)。

2.2 ANZAI下门控与非门控的比较

ANZAI门控系统采集重建图像(GATED)中体积、最大浓度、平均浓度及各时相平均值与理论值分别记录，非门控重建图像(NON-GATED)中体积、最大浓度及平均浓度与理论值分别记录，对GATED、NON-GATED、理论值及差值理论值进行比较分析结果见表1和表2。

2.3 自由呼吸模式下门控与非门控的比较

自由呼吸模式下门控图像(FREE)中体积、最大浓度及平均浓度各时相平均值与理论值分别记录，非门控图像(NON-FREE)中体积、最大浓度及平均浓度与理论值分别记录，对FREE、NON-FREE、理论值、差值和(或)理论值比较分析结果见表3和表4。

表1 ANZAI下门控与非门控的比较(x-±s)

表2 ANZAI下门控与非门控同理论值差值的比较(x-±s)

表3 自由呼吸模式下门控与非门控的比较(x-±s)

表4 自由呼吸下门控与非门控同理论值差值的比较(x-±s)

图1 FREE模式及ANZAI模式门控与非门控重建图像

图3 门控与非门控重建图像

2.4 两种门控与理论值差值的比较

对两种门控采集方法测得的体积、最大浓度及平均浓度平均值与理论值进行比较分析，ΔGATED÷理论值×100%与ΔFREE÷理论值×100%的关系见表5。

表5 两种门控与理论值差值的比较(x-±s)

2.5 两种门控重建图像测量值与非门控重建图像测量值比较

两种门控重建图像测量值与非门控重建图像测量值在体积上有明显差异，经两种门控方法校正后测得的平均浓度均高于非门控方法测得的平均浓度，ΔGATED÷理论值×100%、NONGATED÷理论值×100%平均值分别为(4.36±1.21)%和(51.11±3.01)%，ΔFREE÷理论值×100%、ΔNON-FREE÷理论值×100%的平均值分别为(5.36±3.00)%和(37.58±2.88)%，P均小于0.05，两种门控采集方法优于非门控采集方法，使测量体积和平均浓度更接近真实体积及平均浓度。

最大浓度的测量中，两种门控重建图像测量值与非门控重建图像测量值相差不大，ΔGATED÷理论值×100%、NON-GATED÷理论值×100%平均值分别为(13.40±5.60)%和(12.43±4.14)%，ΔFREE÷理论值×100%、ΔNON-FREE÷理论值×100%的平均值分别为(13.49±7.64)%和(13.92±4.23)%，且二者无统计学差异(t=1.11，t=-0.25；P＞0.05)，在非呼吸门控方法采集时，可采用测量最大SUV的方法分析病灶摄取药物的情况。

对两种门控重建图像测得的结果进行分析，ΔGATED÷理论值×100%与ΔFREE÷理论值×100%在体积、平均浓度及最大浓度的分析中二者无统计学差异(t=0.66，t=-0.62，t=-0.01；P＞0.05)，对两种门控波形及触发信号进行提取和拟合，二者的门控触发信号与波形完全一致(如图2所示)。

图2 ANZAI门控波形与触发信号和FREE门控波形与触发信号

3 病灶体积及SUV的测量

对肺癌患者分别用ANZAI呼吸门控方法和自由呼吸方法对肺部病灶进行2次局部采集，重建图像如图3所示。

对各方法病灶体积、SUVmean及SUVmax进行测量，由于病灶位于右肺中叶，受呼吸运动影响较明显，经门控采集校正后，体积和SUVmean有了很大的改善[10]，见表6。

对于病情稍重的患者，呼吸幅度有很大的变化，呼吸幅度变化过大时，ANZAI门控采集会出现丢失触

表6 患者病灶体积及SUV测量

发信号的情况，影响图像信噪比；自由呼吸方法在此状态下仍可获得较好的触发信号，在有限的采集时间内保证了图像的有效信息量。提取该患者两种模式的波形与触发信号，如图4所示。

图4 ANZAI门控波形与触发信号和FREE门控波形与触发信号

4 结论

对两种门控重建图像数据与非门控重建图像数据分析中，体积与平均浓度的ΔGATED÷理论值×100%与ΔNON-GATED÷理论值×100%、ΔFREE÷理论值×100%与ΔNON-FREE÷理论值×100%的P值＜0.05，且具有统计学差异，从差值的平均值来看，门控方法明显小于非门控方法，表明两种门控重建数据比非门控数据更接近于理论值，门控采集方法优于非门控采集方法[8]。

最大浓度数据测量中，门控重建图像测量值与理论值的差值以及非门控重建图像测量值与理论值的差值无统计学差异，即门控或非门控采集，重建图像病灶ROI最大浓度的测量差异不大，且有非门控采集，患者SUVmax的测量值相差不大，因此临床常规患者检查采用SUVmax进行病灶摄取能力评估。

两种门控重建图像数据分析中，ΔGATED÷理论值×100%与ΔFREE÷理论值×100%在体积、平均浓度及最大浓度的数据分析中，P值均＞0.05，表明两种门控方法模型实验结果无统计学差异。在模型采集中，FREE模式捕捉到的门控信号与GATED模式捕捉到的门控信号一样，可校正图像由于呼吸运动导致的伪影，表明实验中自由呼吸采集方法可达到与ANZAI门控采集方法一样的效果。

由于实验中18F-FDG溶液配比浓度远高于临床常规注射浓度，相同体积的病灶在不同的浓度时可能存在不同的差异，体积越小的病灶受部分容积效应的影响越大，测量值与理论值偏差增大，此内容还需继续完善实验做进一步研究[2，4，6]。

自由呼吸门控方法无需外接门控信号触发设备，常规躯干采集即可获得门控重建的信息，常规呼吸门控方法需在躯干采集结束发现问题后另行采集，在临床中受患者呼吸幅度影响较明显，会增加患者的受照射剂量，门控触发信号不理想会直接影响图像质量。

自由呼吸门控采集方法测量准确可靠，无需外接设备，操作简便，门控信号稳定，优于传统呼吸门控采集方法，适合应用为常规临床呼吸门控采集方法。