基于磁共振成像Dixon序列和CT的衰减校正方法在心脏PET中的应用比较*

毕 晓 刘家金 关志伟 陈英茂 王瑞民 徐白萱*

近年来，正电子发射计算机断层显像-MR(positron-emission tomography/magnetic resonance，PET/MR)作为一种新的多模态融合成像技术，将用于心肌灌注和冠状动脉血流储备绝对定量，以及在分子水平上对特定过程(如心肌代谢、炎症或神经支配)进行可视化和定量分析的PET成像，与具有左右心室功能分析及室壁运动量化、整体和局部室壁运动异常确定、组织特征(瘢痕、脂肪和水肿)及瓣膜功能诊断的磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)技术整合在一起，实现了两者同步扫描[1]。然而，对PET图像定量分析准确性影响较为严重的一个因素是所探测511 keV的γ光子在穿透人体时会被组织吸收而衰减，因此确定组织的衰减系数从而对γ光子的衰减进行校正成为PET成像中的关键技术之一[2-4]。

目前，心脏PET/MR成像的衰减校正方法是基于MRI的Dixon序列，将心血管及周边组织分类为空气、肺、脂肪及软组织，每类组织赋予相对应的衰减系数，然后对PET数据进行衰减校正[5]。但实际上不同患者、不同位置肺组织的衰减程度可能不一致，将整个肺组织赋予单一衰减系数，会造成肺及周边组织衰减校正的误差。此外，基于MRI的Dixon序列分割法无法获取心血管周围骨骼的衰减系数，因而会低估骨组织周边的心血管组织的衰减程度[6-8]。本研究旨在探讨基于MRI的Dixon序列衰减校正方法对心脏PET成像衰减校正的准确性。

1 资料与方法

1.1 研究资料

选取2016年3-7月解放军总医院核医学科18F-氟代脱氧葡萄糖(18F-flurodeoxyglucose，18F-FDG)在正电子发射计算机断层显像-CT(positron-emission tomography-CT，PET/CT)肿瘤筛查且心肌显像清晰的23例患者，其中男性11例，平均年龄(45.09±13.55)岁；女性12例，平均年龄(51.25±15.06)岁。所有患者均在自愿前提下，PET/CT检查后立即进行心脏PET/MR扫描。本研究方案除增加检查时间外不增加患者其他负担。

1.2 纳入与排除标准

(1)纳入标准：①PET/CT心肌显像清晰；②对研究表示理解；③依从性好签署知情同意书。

(2)排除标准：①体内含心脏起搏器、人工瓣膜、除颤器等金属植入物；②幽闭恐惧症患者或临床病情不稳定，难以配合完成上述检查者。

1.3 仪器设备

采用Biograph 64型PET/CT(德国西门子)；Biograph mMR型PET/MR(德国西门子)。

1.4 研究方法

(1)PET/CT成像：所有患者空腹4～6 h，静脉注射18F-FDG(3.70～5.55 MBq/kg)，安静休息45 min后使用Biograph 64型PET/CT进行图像采集，采集前去除体表金属异物，排空膀胱，并饮水800～1000 ml充盈胃部。患者仰卧位头先进双手交叉置于头顶，告知其检查过程中禁止移动体位；先进行CT扫描，再进行PET采集，躯干采集方向由股骨至颅底，常规4～5个PET床位。CT的管电流为110 mAs，管电压为120 kV，球管旋转时间为0.5 s，层厚为5 mm，螺距为1。躯干PET采集2 min/床位，使用基于CT的衰减校正(PETCTAC)和迭代加点扩散函数校正重建；重建参数为3次迭代，21个子集，256 mm×256 mm的矩阵，4.0 mm半高宽的高斯后滤波，散射校正。

(2)PET/MR成像：患者PET/CT检查结束后即进行PET/MR采集，两次采集时间间隔为(57.57±6.59)min，患者只接受PET/CT检查前注射的18F-FDG。使用Biograph mMR型PET/MR进行心脏采集，采集范围包含整个心脏，患者体位摆放过程中避免PET/MR兼容设备以外其他物品。患者仰卧位头先进双手置于身体两侧，身体居中，胸前贴磁共振兼容的心电电极，放置呼吸门控软垫，调整R波清晰可见后，在心前区覆盖PET/MR体表专用线圈；使用PET列表模式采集5 min，同时进行自由呼吸状态下Dixon衰减校正序列和心脏PET成像。PET使用基于Dixon序列的衰减校正(PETMRAC)和迭代重建。Dixon序列的成像参数为重复时间(repetition time，TR)为3.6 ms，回波时间(echo time，TE)1为1.23 ms，TE2为2.46 ms，扫描视野为500 mm×500 mm，脉冲翻转角为10°，采集时间19 s；PET迭代重建参数为3次迭代，21个子集，256 mm×256 mm的矩阵，4.0 mm半高宽的高斯后滤波，散射校正。

1.5 图像处理

使用西门子syngo MMWP图像工作站自带的Cedars QPS心脏功能软件分别对23例患者的PETCTAC和PETMRAC图像进行自动处理，获得美国心脏病协会(american heart association，AHA)左室20节段图中每段心肌18F-FDG代谢占左室心肌代谢最高点的百分比(代谢百分比)，见图1。

图1 左室AHA20节段图中每段心肌18F-FDG代谢百分比图像

1.6 统计学方法

采用SPSS 21.0统计学软件对数据进行统计分析，配对t检验评价PETCTAC和PETMRAC图像中心肌代谢百分比之间差异。Pearson相关性分析和Bland-Altman(BA)分析用于评价PETCTAC和PETMRAC图像中心肌代谢百分比的相关性与一致性，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 相关性比较

23例患者均成功完成PET/CT和心脏PET/MR检查，并分别得到PETCTAC和PETMRAC左室图像460个节段心肌代谢百分比，且两者相关性良好(r=0.891)，其95%一致性界限为11.95%～-9.49%，平均值为1.23%(见图2)；而在AHA 1～20节段图中，除了第5节段(r=0.464)、11节段(r=0.59)，其余各节段均相关性较好(r=0.84±0.09)。

图2 PETCTAC和PETMRAC图像左室心肌18F-FDG代谢百分比相关性及一致性散点图

2.2 一致性比较

23例患者的PETMRAC得到的460个节段心肌代谢百分比为(61.32±11.84)%，低于PETCTAC的(62.55±11.58)%，其差异有统计学意义(t=4.83，P＜0.001)。而在AHA 1～20节段图中，PETMRAC心肌代谢百分比低于PETCTAC结果：第14节段(52.78±11.14)%比(55.70±10.89)%，差异有统计学意义(t=3.59，P＜0.002)；15节段(53.26±11.74)%比(56.52±11.21)%，差异有统计学意义(t=3.06，P＜0.006)；19节段(62.91±11.09)%比(66.17±11.07)%，差异有统计学意义(t=3.80，P＜0.001)；20节段(47.22±7.86)%比(51.43±8.22)%，差异有统计学意义(t=4.53，P＜0.001)，其余各段均无明显统计学差异(P＞0.05)，见表1。

3 讨论

PET和MRI是两种已经在临床广泛应用的心血管成像技术，其一体化整合的主要挑战之一就是PET衰减校正导致的定量分析问题，主要包括硬件结构和人体组织两部分。硬件结构用低衰减材料制作，其对γ光子的衰减降至最小。此外，PET/MR系统文件中存储其衰减系数图，当系统检测到硬件已用于PET/MR采集时，系统会调取其衰减系数图对PET图进行衰减校正[9-10]。Delso等[11]通过模型研究证实，PET/MR硬件衰减校正能力与PET/CT相仿。目前，随着PET/MR在心血管领域的研究和应用越来越多，对基于MRI图像在人体组织衰减校正方法进行验证的需要也越来越突出。

Nensa等[12]对10例急性心肌梗死患者先后行18F-FDG PET/CT和PET/MR显像，通过比较两者前壁、后壁、下壁、侧壁及间隔区心肌的相同感兴趣区内的最大标准化摄取值，虽然并未发现有差异，但未对心肌部位更精细划分，也未考虑到双时间点显像对标准化摄取值的影响。而本研究通过对更大样本量和基于AHA左室心肌1～20节段图，分别对每一段心肌18F-FDG代谢百分比进行比较，避免了Nensa等研究的不足。虽然，本研究结果显示了PETMRAC与PETCTAC图像的左室心肌在整体上具有很好的相关性和一致性，但基于MRI的Dixon序列的衰减校正方法会使整个心肌被低估；此外，对AHA的1～20节段中的每一节段分析结果显示，除了处于间壁的14节段、15节段及心尖的19节段、20节段的PETMRAC图像的左室心肌18F-FDG代谢百分比低于PETCTAC外，其余各段并无差别；同时还发现下侧壁的5节段、11节段PETMRAC与PETCTAC图像的左室心肌18F-FDG代谢百分比相关性相对较弱，其余各段相关性良好。本研究结果与各段左室心肌位置有主要关系，因为间壁的14节段、15节段和心尖的19节段、20节段与肋骨相邻紧密，这会造成PETMRAC衰减校正不足[13]；下侧壁的5节段、11节段与多种组织相邻，而基于MRI的Dixon序列分割法仅计算为肺和软组织或脂肪的衰减系数，会造成衰减校正不足[14]。特别是PET/CT和PET/MR检查时胃部充盈状况不同，基于MRI的Dixon序列分割法会把胃内容物计算为软组织衰减系数图，进一步影响两者相关性和一致性。此外，Lassen等[15]等报道PET/MR心脏成像时由于衰减校正图像与PET数据空间位置配准错位也会导致结果被低估。为此，对于以上发现，需要在以后的工作和研究中加以关注，以便对结果做出更好的解释。

本研究局限性主要包括：①研究样本量较小，未能比较如左室射血分数、室壁增厚率等更多参数结果；②入组患者主要是肿瘤筛查患者，未能研究心脏疾病患者；③PET/CT和PET/MR仍是双时间点采集，局部心肌代谢的变化可能会影响每段心肌代谢程度，造成结果的差异；④未考虑重建参数对结果的影响。

本研究结果提示上述影响可能存在，但对PET/MR在心血管疾病的临床应用具有一定的指导意义。

表1 PETCTAC和PETMRAC图像左室心肌20个节段18F-FDG代谢百分比的相关性(±s)与一致性

表1 PETCTAC和PETMRAC图像左室心肌20个节段18F-FDG代谢百分比的相关性(±s)与一致性

注：表中PETCTAC为基于CT衰减校正的PET；PETMRAC为基于Dixon序列衰减校正的PET。

AHA分段 PETCTAC(%) PETMRAC(%) r值 t值 配对t检验P值1段 59.30±9.01 59.30±9.11 0.84 0.000 1.000 2段 66.43±11.61 66.41±10.88 0.85 -0.135 0.894 3段 66.04±8.89 66.61±8.55 0.72 -0.417 0.680 4段 66.70±8.08 65.52±6.67 0.74 1.033 0.313 5段 71.96±7.23 71.52±5.76 0.59 0.348 0.731 6段 54.78±8.16 52.70±6.74 0.80 2.047 0.053 7段 54.17±9.73 55.09±9.86 0.81 -0.732 0.472 8段 59.35±12.31 57.35±11.84 0.92 2.012 0.057 9段 63.57±12.11 62.87±12.74 0.92 0.680 0.503 10段 63.65±8.75 61.61±8.97 0.76 1.581 0.128 11段 75.22±7.22 75.96±5.01 0.46 -0.536 0.597 12段 70.22±9.41 68.70±8.12 0.84 1.434 0.166 13段 61.78±11.55 61.65±12.71 0.92 0.124 0.902 14段 55.7±10.89 52.78±11.14 0.94 3.586 0.002 15段 56.52±11.21 53.26±11.74 0.90 3.055 0.006 16段 54.78±8.64 54.09±9.10 0.79 0.578 0.569 17段 65.87±9.41 65.30±8.93 0.80 0.461 0.650 18段 67.30±10.89 65.26±11.60 0.91 2.034 0.054 19段 66.17±11.07 62.91±11.09 0.93 3.801 0.001 20段 51.43±8.22 47.22±7.86 0.85 4.533 0.00016总计460段 62.55±11.58 61.32±11.84 0.89 4.832 0.000002