一體化PET/MR檢查中“熱氣管征”偽影探討

宋天彬，崔碧霄，楊宏偉，馬 杰，帥冬梅，梁志剛，盧 潔,2,3*，趙國光

(1.首都醫科大學宣武醫院核醫學科，2.放射科，4.神經外科，北京 100053；3.磁共振成像腦信息學北京市重點實驗室，北京 100053；5.北京腦重大疾病研究院癲癇所，北京 100069)

一體化PET/MR掃描儀的出現，使臨床可以同步獲得PET的分子代謝信息和MRI的結構功能影像學信息[1]。同時“熱氣管征”偽影是一體化PET/MR全身檢查過程中出現的特有偽影征象之一[2]，表現為空腔臟器內出現放射性高攝取，進而導致一體化PET/MR檢查過程中出現假陽性病變。究其原因可能是基于水脂成像的MR衰減校正(MR attenuation correction，MRAC)誤將空腔修正為組織所致[3]，理論上來說所有空腔臟器在一體化PET/MR檢查過程中均有可能出現此類偽影。時間飛行(time of flight, TOF)技術采用數字化固相陣列式光電轉化器(siliconphoto multiplier, SiPM)，與傳統的真空電子管(photo multipliertube, PMT)光電轉化器相比，使PET探測器的靈敏度和空間分辨率提高一倍以上[4]。而TOF技術可明顯降低一體化PET/MR掃描過程中因組織分割錯誤引起的錯誤衰減校正所導致PET圖像偽影，常見的例如金屬偽影、截斷偽影等，TOF技術也可減少運動偽影的發生等[5-6]。TOF技術理論上能夠通過糾正MRAC錯誤，從而減少“熱氣管征”偽影的發生。本研究對一體化PET/MR全身檢查過程中“熱氣管征”偽影的發生部位及發生概率進行了報道，并對TOF技術減輕一體化PET/MR檢查過程中“熱氣管征”偽影效果進行了探討。

1 資料與方法

1.1 一般資料 回顧性分析2015年8月-2018年8月進行一體化全身PET/MR檢查的105例受檢者(篩查腫瘤或為確診腫瘤行分期檢查)，其中男65例，女40例，年齡45～78歲，平均 (67.6±9.8)歲，平均身體質量指數(body mass index, BMI)為(23.78±3.26)kg/m2。所有研究對象均在行一體化全身PET/MR檢查前簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 采用帶有TOF技術的一體化PET/MR掃描儀(GE公司Signa)，MRI場強為3.0T。受檢者接受18F-FDG注射，顯像劑采用本科室放射性藥物實驗室制備的18F-FDG，放射化學純度>98%，靜脈注射18F-FDG 3.7 MBq/kg體質量。PET數據采集6分鐘/床位，4～5個床位，掃描時間30～35 min。采用TOF技術，采用有序子集最大期望值迭代法(ordered subset expectation maximization, OSEM)進行圖像重建，2次迭代，28個子集，高斯濾波半高寬5.0 mm，散射校正。MRI采用頭頸部及體部相控陣線圈，覆蓋軀干大部(頭頸部至股骨上段)，與PET同步掃描，掃描序列包括：軸位屏氣三維T1WI(LAVA-Flex)、軸位脂肪抑制快速T2WI、腹部檢查采用呼吸控制及導航技術。PET/MR圖像基于LAVA-Flex序列進行MRAC。將全身list model PET數據進行非TOF PET圖像的重建(圖1)。

1.3 “熱氣管征”偽影的圖像判讀及標準攝取值(standardized uptake value, SUV)測量

1.3.1 “熱氣管征”偽影的判讀 將所有受檢者一體化全身PET/MR圖像傳輸至GEAW4.6圖像后處理工作站，采用Fuse PET/MR分析軟件對PET圖像和MRI結構像進行配準融合，由1名具有5年以上工作經驗的核醫學科和1名具有5年以上工作經驗的放射科醫師根據一體化PET/MR檢查中T2WI/T1WI的解剖結構共同判定的“熱氣管征”偽影發生的部位。

1.3.2 “熱氣管征”偽影部位SUV的測量 分別測量非TOF技術的一體化PET/MR全身圖像上的出現“熱氣管征”偽影部位的SUVmax和SUVmean，以及一體化TOF-PET/MR圖像上相應部位的SUVmax和SUVmean，測量時選用后處理工作站軟件自動默認的測量ROI面積為119.4 mm2。

圖1 一體化PET/MR全身掃描流程示意圖

1.4 統計學分析 采用SPSS 17.0統計分析軟件，非TOF技術的一體化 PET/MR圖像上“熱氣管征”偽影部位的SUVmax和SUVmean與一體化TOF-PET/MR圖像上的相應部位的SUVmax和SUVmean進行配對t檢驗，P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

105例受檢者在一體化PET/MR檢查過程中主要發生“熱氣管征”偽影的部位為鼻竇、氣管、胃竇、結腸、直腸部位，發生概率分別為60.00%(63/105)、68.57%(72/105)、8.57%(9/105)、20.00%(21/105)和16.19%(17/105)，見圖2。非TOF技術的一體化全身PET/MR圖像上鼻竇、氣管、胃竇、結腸和直腸的“熱氣管征”偽影部位的SUVmax分別為4.09±2.17、1.77±0.81、1.75±0.85、3.73±0.51和11.77±8.39；SUVmean分別為3.19±1.87、1.38±0.70、1.44±0.85、2.68±0.46和6.78±4.19。TOF-PET/MR圖像上相應位置的SUVmax分別為2.47±1.20，1.23±0.55，1.05±0.54，2.17±0.78和3.57±1.46；SUVmean分別為1.76±0.81,0.75±0.31,0.67±0.29,1.10±0.41和1.73±0.60。非TOF技術的一體化全身PET/MR圖像上的“熱氣管征”偽影部位的SUVmax和SUVmean值均高于一體化TOF-PET/MR全身圖像上相應部位 (P均<0.01)，見表1。

全身空腔部位的MRAC圖和相應部位的TOF PET、非TOF PET放射性攝取情況對比：發現在MRAC正確情況下有無TOF技術均能較好反映空腔的真實放射性攝取；在MRAC錯誤情況下，有TOF技術能較好還原空腔真實的放射性攝取情況，而非TOF技術常常表現為空腔高攝取；而在MRAC正確情況下，空腔內攝取情況接近真實，有無TOF技術對其影響較小(圖3)。

3 討論

本研究探討的“熱氣管征”偽影發生在空腔部位，在這些部位通常存在水脂成像MRAC錯將空腔當作組織的情況，導致使用錯誤MRAC的PET圖像高估了空腔部位的代謝[7-8]。“熱氣管征”偽影會給核醫學科醫師在病變判讀上帶來困惑。既往研究發現，277例患者在進行一體化PET/MR檢查時，約2/3的患者(171例)氣管腔內出現“熱氣管征”偽影[2]，本研究也發現氣管部位的“熱氣管征”偽影發生率約68.57%，和該文獻報道接近。本研究同時還發現一體化PET/MR檢查中除氣管以外的其他部位也可出現“熱氣管征”偽影，主要分布在鼻竇、胃竇、結腸和直腸，發生率分別為60.00%、8.57%、20.00%和16.19%。本研究發現全身出現“熱氣管征”偽影的部位中，氣管部位的該偽影發生概率最高。

表1 非TOF技術和TOF技術“熱氣管征”偽影部位的PET圖像SUVmax和SUVmean比較(±s)

表1 非TOF技術和TOF技術“熱氣管征”偽影部位的PET圖像SUVmax和SUVmean比較(±s)

部位非TOF技術PET圖像SUVmaxSUVmeanTOF-PET圖像SUVmaxSUVmeantSUVmax/tSUVmeanPSUVmax/PSUVmean鼻竇4.09±2.173.19±1.872.47±1.201.76±0.817.9/7.9<0.01/<0.01氣管1.77±0.81 1.38±0.70 1.23±0.55 0.75±0.31 10.0/13.9 <0.01/<0.01胃竇1.75±0.851.44±0.851.05±0.540.67±0.29 4.9/7.7<0.01/<0.01結腸3.73±0.512.68±0.462.17±0.781.10±0.41 4.6/12.5<0.01/<0.01直腸11.77±8.39 6.78±4.19 3.57±1.46 1.73±0.60 4.4/3.3<0.01/<0.01

圖2一體化PET/MR檢查中“熱氣管征”偽影發生部位及TOF技術對該偽影的減輕情況 蝶竇內出現“熱氣管征”偽影(A)，加入TOF技術后，蝶竇內該偽影消失(B)；氣管內出現“熱氣管征”偽影(C)，加入TOF技術后，氣管內該偽影消失(D)；胃竇內出現“熱氣管征”偽影(E)，加入TOF技術后，胃竇內該偽影消失(F)；乙狀結腸內出現“熱氣管征”偽影(G)，加入TOF技術后，乙狀結腸內該偽影消失(H)；直腸內可見“熱氣管征”偽影(I)，加入TOF技術后，直腸內該偽影消失(J)

圖3 全身空腔部位的MRAC圖和相應部位的TOF PET、非TOF PET放射性攝取情況對比 冠狀位解剖像(由上到下)，軸位的MRAC、非TOF PET融合、TOF PET融合影像。標記為1、2、3、4的空腔ROI代表四類常見的MRAC與TOF重建組合：1為將MRAC的空腔誤分為骨，TOF和非TOF重建均表現為高攝取，但非TOF假攝取更高；2為MRAC正確，TOF能更減輕假攝取；3為MRAC正確，TOF和非TOF均得到合理的PET圖像；4為MRAC將空腔誤分為脂肪，TOF能進一步減輕非TOF重建的空腔內高攝取

一體化PET/MR儀器的PET探測器的光電轉化器以往采用PMT和雪崩式二級管(avalanche photodiode, APD)，基于SiPM可見實現TOF技術，使得一體化PET/MR的PET探測器的整體性能大大提高[9]。SiPM可將從晶體發出的熒光直接轉化為電信號，具有極高的轉化效率、高時間分辨率和高空間分辨率、低工作電壓和高增益等幾方面的優勢[10-11]。研究表明TOF技術可改善PET圖像信噪比，增加PET重建的可靠性和穩定性，從而提高對于病變的檢出率[12-15]。目前TOF技術已經成為新一代PET探測器的標志，并已經成為一體化PET/MR設備的核心技術。TOF技術同樣可以提高一體化PET/MR檢查中MRAC的準確性[16]。Mehranian等[17]發現非TOF技術PET/MR的肺組織和骨骼MRAC平均誤差為11.9%和21.9%，而加入TOF技術后，肺組織和骨骼的MRAC平均誤差減小至7.7%和15.5%。既往研究[18]通過對4例大型假體，8例小型假體，27例種植體/填充物，48例種植體相關假體的TOF和非TOF PET圖像研究發現，TOF PET圖像上的假體偽影明顯小于非TOF PET圖像假體偽影。這提示在一體化PET/MR檢查中，TOF技術可以顯著降低PET圖像上植入物偽影，減少因衰減校正錯誤引起的偽影[19]，提高PET圖像的信噪比。由于“熱氣管征”偽影是基于水脂成像MRAC誤將空腔當作組織所致[3]，所以TOF技術理論上能夠通過糾正MRAC誤差從而減輕一體化全身PET/MR檢查過程中“熱氣管征”偽影的發生。本研究比較了4種空腔在正確和非正確的MRAC條件下對應的TOF和非TOF技術重建中是否存在高攝取，發現在MRAC正確情況下有無TOF均能較好反映空腔的代謝真實對比度；在MRAC錯誤情況下，有TOF技術重建能較好恢復空腔真實的放射性攝取情況，而非TOF技術重建常常表現為空腔放射性高攝取；而在MRAC均正確情況下，空腔內攝取情況接近真實，有無TOF技術對其影響較小；若將MRAC中空腔當作骨組織，即使使用了TOF技術重建，也不能完全降低空腔高攝取假象。本研究發現在一體化全身PET/MR檢查中鼻竇、氣管、胃竇、結腸、直腸等部位會出現的“熱氣管征”偽影，而加入TOF技術后，以上部位的“熱氣管征”偽影均未見明顯高攝取，說明TOF技術可以較好地減輕該偽影的發生，確保為臨床提供高質量的一體化PET/MR臨床影像。

總之，一體化全身PET/MR檢查中發生“熱氣管征”偽影的部位主要發生在鼻竇、氣管、消化道等空腔臟器部位，其中氣管部位最容易出現該偽影。TOF技術有助于明顯減輕一體化全身PET/MR檢查圖像上的“熱氣管征”偽影，降低一體化PET/MR檢查圖像上的假陽性病變發生，進一步提高核醫學科醫師在一體化PET/MR檢查中對疾病診斷的準確性。