数字化PET/CT病灶探测能力的初探

陶端， 张旭

(1.首都医科大学，生物医学工程学院, 北京 100069；2.飞利浦(中国)投资有限公司，高级分子影像业务部，北京 100600；3.首都医科大学，临床生物力学应用基础研究所，北京市重点实验室，北京 100069)

0 引言

PET/CT成像是基于正电子技术的医学影像，从分子和代谢水平明确疾病，提升临床精准诊断的水平，实现更好的多学科联合诊疗，提高医院综合实力。病灶探测能力与疾病的早发现、早诊断、早治疗密切相关[1]。CT的病灶探测能力已达到亚毫米水平，实现了肺微小结节和毛玻璃样变的精准诊断；但PET/CT的病灶探测能力存在较大差距，还停留在10 mm左右[2-3]。新一代PET/CT因为采用数字化探测器和正则化重建算法，技术飞跃带来了设备性能全面提升，病灶探测能力有了提高的可能。为了明确新一代数字化PET/CT的病灶探测能力，设计并制造ZT1-10模体，进行PET/CT显像，进行定性定量以及统计学分析。

1 数字化PET/CT和正则化重建算法

1.1 数字化硅基光电放大器件

数字化PET/CT与传统PET/CT的硬件区别在于数字化PET/CT探测器，数字化硅基光电放大器件作为光电芯片，与闪烁晶体和电子线路共同构成数字化PET/CT探测器，采用模糊目标函数电压实时监控技术，时间分辨率提升到310 ps。闪烁晶体与数字化硅基光电放大器件结构上实现了一一对应，对每个光电进行独立解码，采集通道数增加50倍，总数超过2万个[4]。数字化PET/CT探测器的结构如图1所示。

图1 数字化PET/CT探测器的结构图

1.2 正则化重建算法

重建算法是PET/CT的灵魂，PET/CT广泛采用有序子集似然法和最大极限似然法进行重建运算，伴随着迭代次数的增加，噪声增大，信噪比和图像质量有所降低。正则化重建算法是新重建算法，基于变分以及偏微分的方法，其目标是用一些与原问题相近的良态解去逼近原方程的解，以此来较好地权衡病态解。首先建立含先验知识的正则化目标函数，再对这个函数求极值，得到的解就是重建解。正则化重建算法的核心思想是通过引入图像的先验分布信息，将迭代次数限制在一个合理的数目中，得到高质量图像，是数字化PET/CT的灵魂[6]。

1.3 正则化重建的流程

PET/CT的原始数据采用表模式存储，正则化重建过程中将多种校正糅合其中，最终得到衰减校正后与无衰减校正的断层数据，重建流程如图2所示。

图2 正则化重建的流程

2 ZT1-10模体的PET/CT显像

2.1 ZT1-10模体的设计与制造

为更细致了解PET/CT的病灶探测能力，需要设计并制造新模体，命名为ZT1-10模体。ZT1-10模体分玻璃管、支架和外桶等3个部分，10根玻璃管内径不同，最大内径为10 mm，按1 mm逐个递减，最小内径为1 mm，模拟不同大小的病灶。支架为上下有盖的圆筒，直径140 mm，高度140 mm，上下盖均开10个孔，用以垂直放置玻璃管。外桶高260 mm，内径175 mm，壁厚2 mm，上方广口，下方平底。ZT1-10模体实物照如图3所示。

图3 ZT1-10模体实物照

2.2 ZT1-10模体的灌注

分别配制不同比活度的放射性溶液，比活度较高的放射性溶液注入1～10 mm的玻璃管内，形成热区，模拟病灶。比活度较低的放射性溶液注入外桶，形成本底，模拟肌肉组织[7]。PET/CT临床应用最广的是葡萄糖代谢显像，肿瘤对FDG摄取能力高于肌肉组织对FDG摄取能力，大约在4倍左右，基于此，热区放射性溶液与本底放射性溶液两者比活度的倍数比设置为4∶1。

倍数比设定后，不会随着时间变化而变化，因为较高比活度的放射性溶液在发生衰变的同时，较低比活度的放射性溶液也同时发生衰变，相同的放射性核素，半衰期完全相同，即便搁置3～5个半衰期，倍数比都保持不变。灌注ZT1-10模体热区的长针注射器如图4所示。

图4 灌注ZT1-10模体热区的长针注射器

2.3 显像设备与质控

选择飞利浦公司Vereos作为数字化PET/CT的代表，为了对照，另选择飞利浦公司Gemini作为非数字化、传统PET/CT的代表。为保证图像质量和定量准确，PET/CT设备质控包括全面检测和每日质控。全面检测包括PET/CT系统空间分辨率、时间分辨率、能量分辨率、散射分数、灵敏度、NECR、图像质量多项指标，提前1个月邀请厂家资深工程师进行检测，确认达标。每日质控包含的项目有PET基线核查、PET探测器的增益调整、时间分辨率核查、能量分辨率核查、SUV标准摄取值准确性核查、CT球管预热、CT空气校正、CT值核查等，早晨9点前完成每日质控，确保实验当天的图像质量和定量准确。相关机架如图5、图6所示。

图5 Vereos PET/CT的机架

图6 Gemini PET/CT的机架

2.4 ZT1-10模体的显像

将灌注好的ZT1-10模体转运到PET/CT机房，在Gemini或Vereos 2台PET/CT分别进行扫描采集，PET/CT是双模融合影像设备，采集流程包含3个步骤：首先是定位片扫描，方便指定扫描范围和计划；第二步为CT螺旋扫描，得到CT断层影像；第三步为PET步进扫描，得到PET断层影像。采集重建参数参考表1。采集完成后，重建得到PET/CT断层数据，然后导入后处理工作站，进行融合对比显示。

表1 两台PET/CT的采集和重建参数

3 数据分析

3.1 PET/CT断层影像

图7为ZT1-10模体的PET/CT断层影像，左为Gemini，右为Vereos。在Invert-greyscale色谱显示下，玻璃管内影像上表现更黑，因为玻璃管内放射性比活度更高。

图7 两台PET/CT的断层影像

3.2 视觉评分法与统计分析

采用视觉评分法明确PET/CT的病灶探测能力，评分标准采用三分法，热区清晰可见为2分，隐约可见为1分，看不见为0分。邀请5位经验丰富的PET/CT中心医生参与阅片，在不告知PET/CT型号、不告知采集重建参数的前提下，参考评分标准进行打分。单独评分完成后，再将5位医生的分值进行求和，得到总分，见表2。

表2 两台PET/CT，ZT1-10模体热区的视觉评估总分

图8是对2台PET/CT热区进行视觉评估所得总分绘制的折线图。横坐标为10个热区的直径，直径从1 mm到10 mm；纵坐标为视觉评估的总分。带三角形的实线上可见，Vereos的1 mm热区为0分，2～3 mm热区落在5～8分这个区间，4～10 mm热区都为10分；带圆圈的虚线上可见，Gemini的1～7 mm热区均为0分，8 mm热区为7分，9～10 mm热区为10分。

图8 两台PET/CT热区视觉评估总分的折线图

统计软件使用SPSS 22.0，计量资料经检验，数据不满足正态分布，配对资料两组间差异性分析采用两相关样本非参数检验，检验水准定义为0.05。统计分析结果Z等于-2.410，P等于0.016，P<0.05，差异具有统计学意义。

3.3 TBRmax定量法与统计分析

靶本比(Target Background Ratio，TBR)是热区内放射性比活度与本底区域内放射性比活度的比值，是PET/CT病灶探测能力的定量指标。最大靶本比最能反映病灶探测能力，其计算式为

TBRmax=Hmax/Bmax

(1)

其中，TBRmax为最大靶本比，Hmax为热区勾画ROI测量得到放射性比活度的最大值，Bmax为本底区域勾画ROI测量得到放射性比活度的最大值。

图9直观展示10个热区TBRmax的差异，带圆圈的虚线为Gemini，带三角形的实线为Vereos。伴随着热区直径变小，TBRmax值均呈下降趋势。4∶1倍数比下，Vereos的4 mm热区TBRmax为2.37，5 mm热区TBRmax为2.83，6～10 mm热区TBRmax均大于3.0，最高达3.72。Gemini的8 mm热区TBRmax为1.50，9 mm热区TBRmax为2.30，10 mm热区TBRmax为3.21。

表3 两台PET/CT，ZT1-10模体热区的TBRmax定量

图9 两台PET/CT热区TBRmax的折线图

统计分析结果Z等于-2.666，P等于0.008。P<0.05，差异具有统计学意义。

4 总结

原创设计并制造了ZT1-10模体，是评估PET/CT的病灶探测能力新模体，用于明确PET/CT小病灶的探测能力。模体研究采用视觉评分法和最大靶本比定量法，数字化PET/CT能清晰发现直径3 mm的小病灶。正则化重建算法和数字化PET/CT探测器带来了更好更优秀的病灶探测能力，可更好地实现疾病的早诊断、精准分期，为分子影像进入疾病超早期诊断带来可能[8]。