国产uMI 780型PET/CT仪18F-FDG最适图像采集及处理条件探讨

孙 震，赵燕燕，毛旻航，王丽丽，张晓莹，王惠煜，吴玉涛，顾思芸，刘士涛，董 筠，钱 政，庄 橙，陈 涛

1.上海中医药大学附属曙光医院核医学科，上海 201203；

2.上海中医药大学附属曙光医院医学装备处，上海 201203；

3.上海联影医疗科技有限公司，上海 201807

正电子发射体层成像（positron emission tomography，PET）/计算机体层成像（computed tomography，CT）自20世纪末问世以来，因其联合18F-FDG对临床肿瘤诊断和治疗决策的卓越贡献在全世界得到了迅猛的发展。uMI 780型PET/CT仪是上海联影医疗科技股份有限公司研发的第二代PET/CT仪，它在继续沿用硅酸钇镥晶体（LYSO）和飞行时间（time of fly，ToF）技术的基础上，采用“晶体-硅光电倍增管（silicon photomultiplier，SiPM）”取代了传统的“晶体-光电倍增管”PET探测器系统，使PET探测进入数字化时代［1-2］。

由于采用了区别于已有PET/CT设备的PET探测系统，因此确定其在应用18F-FDG进行临床显像检查时的最适图像采集和处理条件对于合理、有效地使用这款设备，保证图像质量是非常必要的。为此本研究采用临床试验的方式对使用uMI 780型PET/CT仪进行18F-FDG全身代谢显像的最适图像采集条件，如最适18F-FDG体重注射量、最适单床位采集时间及最适的PET图像重建参数进行了探讨，以期提出最佳的临床应用方案。

1 资料和方法

1.1 研究对象

随机纳入2017年8月—2018年5月400例符合要求的受试者，其中男性213例，女性187例，年龄27～95岁，平均年龄（60.2±12.1）岁。将受试者分为4组（A1、A2、B1、B2，每组100例）研究序列。A1：18F-FDG注射量按体重2.96 MBq/kg（0.08 mCi/kg），体部PET显像2 min/床位、脑部3 min；A2：18F-FDG注射量按体重2.96 MBq/kg（0.08 mCi/kg），体部PET显像1.5 min/床位、脑部2 min；B1：18F-FDG注射量按体重3.70 MBq/kg（0.10 mCi/kg），体部PET显像2 min/床位、脑部3 min；B2：18F-FDG注射量按体重3.70 MBq/kg（0.10 mCi/kg），体部PET显像1.5 min/床位、脑部2 min。受试者纳入标准：① 年龄大于18岁，同意参加本临床试验，并签署知情同意书；② 依从性良好；③ 3个月内无生育计划。排除标准：① 不具有完全民事行为能力者；② 妊娠及有可能妊娠的妇女（须接受尿人绒毛膜促性腺激素检测且为阳性），哺乳期妇女；③ 体内有金属植入物或者短期内注射或口服CT造影剂者；④ 依从性差者；⑤ 糖尿病且血糖控制不佳者（试验当天空腹血糖值大于10 mmol/L）；⑥ 临床诊断为终末期肾功能不全者；⑦ 情绪不稳定或者出现痉挛症状等无法正常完成PET/CT检查者；⑧ 在PET/CT检查前24 h内进行剧烈运动者；⑨ 在PET/CT检查前6 h内未禁食者，或者口服高含糖药物者；⑩ 研究者认为不宜参加本临床试验者。本研究经上海中医药大学附属曙光医院伦理委员会批准，所有受试者均签署知情同意书。本研究符合《赫尔辛基宣言》的原则。

1.2 18F-FDG PET/CT显像

采用上海联影医疗科技股份有限公司的uMI 780型PET/CT仪。18F-FDG由上海原子科兴药业有限公司提供，放射化学纯度＞95%。受试者空腹6 h以上，确认血糖＜10 mmol/L，平静状态下按受试者纳入组别剂量静脉注射18F-FDG后安静休息约60 min，显像检查前5 min排空膀胱并口服250～300 mL对比剂充盈胃腔，分别进行脑部和体部PET/CT检查。

脑部PET/CT检查，受试者取仰卧位、头部固定于专用头托内，眶耳线（orbitomeatal line，OML）垂直于扫描床平面。PET显像采用列表 模式，显像时间按受试者纳入组别施行；CT扫描参数：电压120 kV、电流为自动毫安秒（根据患者体重不同自动匹配毫安秒）、螺距0.6、球管单圈旋转时间0.8 s、层厚2 mm。

体部PET/CT检查，显像范围自股骨中上段至颅底部。PET显像采用列表模式，单床位显像时间按受试者纳入组别施行，床位间重叠35%，采集4～5个床位；CT扫描参数：电压120 kV、电流为自动毫安秒（根据患者体重不同自动匹配毫安秒）、螺距1.0、球管单圈旋转时间0.5 s、层厚3 mm。

1.3 PET图像处理及评价

对4组受试者PET图像应用不同的重建算法，或相同重建算法、不同参数进行处理、评价。

1.3.1 PET图像处理

脑部PET图像处理，分别应用滤波反投影法（filtered back projection，FBP）和有序子集最大期望值法（ordered subset expectation maximization，OSEM）进行图像重建，视野300 mm，矩阵128×128，层厚1.34 mm，并对图像进行CT衰减校正、散射校正和随机校正。R1：斜坡函数滤波（0.5）+汉宁窗+平滑（非局部均值+梅斯滤波）；R2：OSEM（4次迭代，20个子集）+ToF+点扩散函数（point spread function，PSF）+平滑（非局部均值+梅斯滤波）。

体部PET图像处理，采用OSEM算法不同的迭代次数或平滑的高斯半高宽（full width at half maximum，FWHM）进行图像重建，视野600 mm，矩阵150×150，层厚2.68 mm，并对图像进行CT衰减校正、散射校正和随机校正。R3：OSEM（2次迭代，20个子集）+ToF+PSF+平滑（高斯FWHM 3 mm）；R4：OSEM（3次迭代，20个子集）+ToF+PSF+平滑（高斯FWHM 3 mm）；R5：OSEM（2次迭代，20个子集）+ToF+PSF+平滑（高斯FWHM 4 mm）。

1.3.2 PET图像评价

由2名具有多年PET/CT读片经验的医师各自独立对4组受试者所有重建后的PET图像按照表1、2所列的评价内容、标准进行质量评价，评价等级设为优、良、差3个等级，分别记为3、2、1分，当2名医师的评价结果出现歧义时由第3名更高级别的医师进行评价并共同讨论后确定评价结果。

表1 脑部PET图像质量评价标准

表2 体部PET图像质量评价标准

1.4 统计学处理

采用Matlab R2010b软件对数据进行统计学分析。应用lillietest函数对数据进行正态分布检验，应用vartestn函数进行方差齐次性检验，适用于参数检验的用anova1函数进行显著性分析，不适用于参数检验的用Kruskal-Wallis函数进行显著性分析。符合正态分布的计量数据以x±s表示。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

2.1 受试者人群自然状况比较

4组受试者人群除A1、A2组受试者的体重略高于B1、B2组外，其余男女性别比、年龄、身高差异均无统计学意义（表3）。A1、A2组18F-FDG的体重注射量分别为（3.022±0.106）、（3.023±0.112）MBq/kg（P=0.641），B1、B2组分别为（3.763±0.101）、（3.789±0.124）MBq/kg（P=0.171，图1）。

图1 4组受试者人群的18F-FDG体重注射量

表3 4组受试者人群自然状况比较x±s

2.2 脑部PET图像质量评价

2.2.1 不同重建算法对脑部PET图像质量的影响

各组图像的代谢分布、设备性伪影、图像均匀性均表现为R2（OSEM）重建算法明显优于R1（FBP），差异均有统计学意义（P＜0.001，图2）。

图2 脑部PET不同重建算法（FBP vs OSEM）图像质量比较

2.2.2 不同显像时间对脑部PET图像质量的影响

当18F-FDG注射量为2.96或3.70 MBq/kg，应用R2（OSEM）重建时，显像时间3和2 min（A1vsA2或B1vsB2）图像的代谢分布、设备性伪影、图像均匀性差异均无统计学意义（P＞0.05，图3）。

图3 脑部PET不同显像时间、不同注射剂量图像质量比较

2.2.3 不同18F-FDG注射量对脑部PET图像质量的影响

当显像时间为3或2 min、应用R2（OSEM）重建时，18F-FDG注射量2.96和3.70 MBq/kg（A1vsB1或A2vsB2）图像的代谢分布、设备性伪影、图像均匀性差异均无统计学意义（P＞0.05，图3）。

2.3 体部PET图像质量评价

2.3.1 不同显像时间对体部PET图像质量的影响

当18F-FDG注射量为2.96 MBq/kg时，显像时间2 min图像（A1）的代谢分布、图像均匀性均明显优于1.5 min的图像（A2）（P＜0.05），而设备性伪影两者间差异无统计学意义；当注射量为3.70 MBq/kg时，显像时间2 min（B1）和1.5 min（B2）的图像质量差异无统计学意义，仅在采用R3（迭代次数2、高斯FWHM 3 mm）重建时，显像时间2 min的图像均匀性和总评分优于1.5 min（P＜0.05，图4）。

图4 体部PET不同显像时间、不同注射剂量图像质量比较

2.3.2 不同18F-FDG注射量对体部PET图像质量的影响

当显像时间为2 min时，注射量3.70 MBq/kg（B1）和2.96 MBq/kg（A1）的图像质量差异无统计学意义；当显像时间为1.5 min时，注射量3.70 MBq/kg（B1）的图像在代谢分布和图像均匀性上表现为比注射量2.96 MBq/kg（A1）更好的趋势，虽然在R4（迭代次数3、高斯FWHM 3 mm）重建时图像的代谢分布和图像均匀性以及在R5（迭代次数2、高斯FWHM 4 mm）重建时图像的代谢分布差异无统计学意义，但图像质量的总体评分在R3、R4、R5 3种重建参数组合均表现为注射量3.70 MBq/kg的图像明显高于2.96 MBq/kg（P＜0.05，图4）。

2.3.3 不同迭代次数对图像质量的影响

应用OSEM算法重建体部PET图像时，迭代2次图像的代谢分布和图像均匀性明显优于迭代3次的图像（P＜0.01），但对设备性伪影无显著影响（图5）。

图5 体部PET应用OSEM重建时迭代次数（2 vs 3）对图像质量的影响

2.3.4 不同高斯FWHM对图像质量的影响

应用OSEM算法重建体部PET图像时，高斯FWHM为4 mm的图像代谢分布和图像均匀性明显优于高斯FWHM为3 mm的图像（P＜0.01），其中A2组高斯FWHM为4 mm的图像设备性伪影明显优于高斯FWHM为3 mm的图像（P＜0.01），而其他组别两者间图像的设备性伪影差异无统计学意义（图6）。

图6 体部PET应用OSEM重建时高斯FWHM（3 mm vs 4 mm）对图像质量的影响

3 讨 论

18F-FDG PET/CT是临床肿瘤诊断、疗效评估、预后预测的重要影像学诊断方法。在18F-FDG PET/CT检查时，除了PET/CT仪设备的基本性能外，18F-FDG体重注射量、采集时间/床位以及图像重建算法和参数是决定PET图像质量的主要因素，同时也关系到受检者的辐射剂量和检查感受以及PET/CT的使用效率。

在本研究中，根据uMI 780型PET/CT仪的基本性能以及以往应用各种型号PET/CT仪进行18F-FDG PET/CT的经验确定了试验分组的原则，即18F-FDG体重注射量选择2.96 MBq/kg（0.08 mCi/kg）和3.70 MBq/kg（0.10 mCi/kg），采集时间/床位选择脑部显像3 min和2 min、体部显像2 min/床位和1.5 min/床位分别组合形成4个研究组序列。400例受试者依先后顺序随机纳入4个研究组，每组各100例。4组间受试者人群的男女性别比、年龄及身高差异均无统计学意义，虽然A1、A2组受试者人群的体重略高于B1、B2组，但是考虑到A1、A2组和B1、B2组采用相同的18F-FDG体重注射量，且A1和A2组间以及B1和B2组间的18F-FDG体重注射量差异无统计学意义，因此，可以认为本研究4组受试者人群的结构不存在对研究结果构成影响的统计学偏倚。

脑部PET图像各组内OSEM算法重建的图像质量均明显优于FBP算法，且尤以“设备性伪影”差异最大，考虑这与OSEM算法本身对泊松噪声做了统计建模以及使用了ToF技术能够降低图像的噪声信号有关［3-4］。体部PET图像OSEM重建时迭代2次明显优于3次，且主要表现为“代谢分布”和“图像均匀性”的改善，考虑为3次迭代增加了图像的噪声信号所致；而高斯FWHM以4 mm为最佳［5］。

无论18F-FDG体重注射量为2.76 MBq/kg或者3.70 MBq/kg、显像时间为3 min或者2 min，OSEM算法重建的脑部PET图像质量差异均无统计学意义。体部PET图像在18F-FDG注射量为2.76 MBq/kg时，显像时间以2 min/床位为佳；注射量为3.70 MBq/kg时，显像时间1.5 min/床位可以获得满意的图像质量。对比以往各种型号PET设备普遍采用的18F-FDG体重注射量3.70～5.55 MBq/kg、脑部显像时间至少3 min、体部显像时间1.5～2.0 min的图像采集条件，uMI 780型PET/CT仪明显降低了18F-FDG的注射量、缩短了显像时间，这与其明显增高的系统灵敏度、较长的轴向视野（300 mm）、优化的采集模式以及重建算法和参数直接相关，这不仅减少了受检者因注射18F-FDG产生的辐射剂量，降低了PET/CT的检查成本，同时缩短检查时间进一步改善了受检者的检查感受，降低了检查过程中受检者发生体动的概率，提高了PET/CT设备的使用效率［2，6-10］。

综上所述，本研究推荐国产uMI 780型PET/CT仪临床应用18F-FDG的最适图像采集和处理方案：①18F-FDG注射量2.96 MBq/kg；脑部显像2 min，OSEM重建；体部显像2 min/床位，OSEM重建的迭代次数为2、高斯FWHM为4 mm。②18F-FDG注射量3.70 MBq/kg；脑部显像2 min，OSEM重建；体部显像1.5 min/床位，OSEM重建的迭代次数为2、高斯FWHM为4 mm。