低劑量PET/CT及PET/MRI臨床研究進(jìn)展

李進(jìn)丹，陳 龍，楊聰慧，趙 升，汪 春，謝 燃，孫 華

(云南省腫瘤醫(yī)院 昆明醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院 云南省癌癥中心PET/CT中心，云南 昆明 650118)

基于PET的多模態(tài)分子成像設(shè)備PET/CT及PET/MR為新興影像學(xué)檢查手段，可定量反映生物體功能、提供病變相關(guān)影像學(xué)信息[1]；但需注射放射性示蹤劑，具有電離輻射風(fēng)險(xiǎn)。隨著分子影像學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，低劑量PET/CT及PET/MR檢查方案逐漸被提出，以保證患者和醫(yī)務(wù)人員健康。本文就低劑量PET/CT及PET/MR的臨床應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 輻射危害

隨著CT及PET等廣泛用于臨床，其輻射暴露危害，特別是放射致癌危險(xiǎn)逐漸受到關(guān)注。據(jù)電離輻射生物效應(yīng)委員會(huì)估計(jì)，每千人接受10 mSv輻射，將有1人因此罹患癌癥[2]。有學(xué)者[3]提出醫(yī)學(xué)影像學(xué)檢查所致輻射暴露可增加相關(guān)人群癌癥發(fā)病率及死亡率。既往研究[4]指出，0～18歲兒童接受頭部CT亦可致腫瘤發(fā)生率增加，且其發(fā)生率具有劑量依賴性。因此，如何避免輻射對人體的傷害是影像學(xué)研究的一大熱點(diǎn)。

2 低劑量PET/CT

以FDG行PET檢查已成為標(biāo)準(zhǔn)影像學(xué)手段，可用于評估免疫治療心臟結(jié)節(jié)病效果等[3]。采用PET/CT評估不同體質(zhì)量擬人化心臟模型冠狀動(dòng)脈鈣化積分，既可行PET衰減校正，亦能以低劑量CT進(jìn)行評分[5]；FDG PET/CT用于篩查肺結(jié)節(jié)[6]及18F-NaF PET/CT用于評估前列腺癌骨轉(zhuǎn)移治療反應(yīng)[7]等時(shí)，均可在不降低圖像質(zhì)量的前提下以低劑量診斷疾病并評估療效。

2.1 降低CT輻射劑量 PET/CT檢查所致輻射主要來自CT及放射性示蹤劑。通過降低X線管電流可減少光子數(shù)量；通過優(yōu)化管電壓、X線光譜硬度及光子穿透能力亦可減少輻射劑量；采用額外平面濾光片可去除X線中的低能光子、優(yōu)化光譜形態(tài)而提高光子利用率，有助于加快采集速度(<10 s)和降低輻射劑量[8]。PET/CT以管電壓120 kV、管電流10～150 mA評估患者冠狀動(dòng)脈鈣化程度時(shí)，體質(zhì)量正常及輕度肥胖患者所受輻射劑量可減少至常規(guī)劑量掃描的83.34%及50.00%[5]。此外，呼吸門控PET/CT需行多次門控CT掃描，以完成PET圖像衰減和運(yùn)動(dòng)校正，而此過程導(dǎo)致輻射劑量增加；在持續(xù)打開X線源的同時(shí)，采用降低探測器視點(diǎn)采樣頻率的稀疏視圖CT數(shù)據(jù)采集方法有助于最大限度地降低CT掃描劑量[9]。

2.2 優(yōu)化圖像重建算法 CT參與PET圖像衰減校正和運(yùn)動(dòng)校正，故降低其管電壓或管電流雖可在一定程度上降低輻射劑量，但亦會(huì)影響PET圖像質(zhì)量。通過優(yōu)化重建算法可解決低管電流掃描所致CT圖像噪聲過大及鋸齒偽影等問題。采用優(yōu)化重建算法可使低劑量CT用于PET衰減校正，包括以Feldkamp及Davis and Kress算法為代表的濾波反投影法和基于模型的迭代重建(model-based iterative reconstruction, MBIR)算法；相比前者，后者可行低管電流掃描而提供與基線全劑量CT掃描相當(dāng)?shù)慕Y(jié)果[10]。

此外，可通過優(yōu)化PET數(shù)據(jù)重建以減少示蹤劑輻射劑量，從而實(shí)現(xiàn)低劑量掃描。既往研究[11]證實(shí)，行自動(dòng)劑量校正的低劑量高分辨率18F-FDG PET/CT(管電壓100 kV)掃描時(shí)，可通過飛行時(shí)間(time of flight, TOF)技術(shù)和點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(point spread function, PSF)提高光子利用率，獲得高清圖像，有助于檢測乳腺癌腋窩淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移。另一方面，低劑量PET掃描同樣可出現(xiàn)噪聲過大或空間分辨率低等情況。對此，學(xué)者[12]提出可采用全變差(total variation, TV)最小化策略法提高運(yùn)算速度和魯棒性加以解決，通過比較基于高斯分布的最小二乘(least squares, LS)TV和基于泊松分布(Poisson distribution)的TV(Poisson-TV)，發(fā)現(xiàn)前者更適用于診斷腫瘤，而后者更適用于評估PET/CT相關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù)；主要原因在于Poisson-TV模型包含Poisson數(shù)據(jù)保真項(xiàng)，故其重建數(shù)據(jù)偏差及方差均較低，有助于提高計(jì)算準(zhǔn)確性，且常規(guī)低劑量PET以重建算法降噪處理圖像時(shí)易模糊其邊緣信息，而LS-TV對比度較高，能更好地定位、定性診斷腫瘤。

近年來，為進(jìn)一步提高PET系統(tǒng)的采集性能，基于正則化迭代算法的貝葉斯懲罰函數(shù)似然算法(Bayesian penalized likelihood, BPL)逐漸得到應(yīng)用。與有序子集期望最大化(ordered subsets expectation maximization, OSEM)算法不同，BPL通過懲罰函數(shù)來抑制低計(jì)數(shù)圖像噪聲，可顯著改善低劑量掃描圖像的信噪比，還能通過多次迭代運(yùn)算提高圖像收斂程度，以獲得更為準(zhǔn)確的定量數(shù)據(jù)及病灶-背景對比，保證良好的空間分辨率[13]。

2.3 機(jī)器學(xué)習(xí) 高質(zhì)量PET圖像需要足夠的示蹤劑以獲得放射信號，通過降低示蹤劑注射劑量以降低輻射或?qū)?dǎo)致圖像噪聲增加。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器學(xué)習(xí)逐漸用于PET/CT診斷腫瘤，且基于人工智能的低劑量PET顯像亦成為新的研究熱點(diǎn)。有學(xué)者[14]以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估不同輻射劑量(100%、10%、3.3%標(biāo)準(zhǔn)劑量)PET圖像診斷肺癌的準(zhǔn)確性，發(fā)現(xiàn)采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法仍可于較低的有效輻射劑量(0.11 mSv)下實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)診斷肺癌，體現(xiàn)了人工智能技術(shù)用于低劑量掃描的價(jià)值。

LU等[15]采用基于U-net架構(gòu)的深度學(xué)習(xí)方法對低劑量肺結(jié)節(jié)PET圖像進(jìn)行降噪處理，并評估圖像質(zhì)量及定量準(zhǔn)確性，結(jié)果顯示該算法可有效減少圖像噪聲、降低定量診斷肺結(jié)節(jié)的偏差。亦有研究[16]基于深度學(xué)習(xí)法采用低劑量PET采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行全劑量圖像重建，結(jié)果顯示該方法有助于提高PET圖像質(zhì)量及定量準(zhǔn)確性。

2.4 提高PET探測器性能 目前，新型探測器硅光電倍增管(silicon photomultipliers, SiPM)已成為PET系統(tǒng)硬件的主流。相比傳統(tǒng)探測器，SiPM具有更好的時(shí)間分辨率和更高的光子探測效率，可大幅提高TOF算法效能，顯著減少核素注射劑量[17]。

3 低劑量PET/MRI

PET/MRI具有良好的軟組織對比度，且有助于觀察生物功能代謝及MRI參數(shù)，在診斷實(shí)體腫瘤方面可與PET/CT互為補(bǔ)充[18]。通常情況下，PET/CT的大部分輻射劑量主要來自全身CT掃描[19]；采用與之相同劑量的放射性藥物行PET/MRI，既可用于診斷疾病，又能以MRI代替CT進(jìn)行解剖定位和衰減校正，有利于降低總輻射量[20]。相比FDG PET/CT，全身FDG PET/MRI的有效輻射劑量降低50%以上[21]。

目前各市售PET/MR系統(tǒng)均具備較高的軟、硬件配置，包括SiPM探測器、TOF和PSF技術(shù)及BPL重建技術(shù)等，保證臨床可采取較低的注射劑量和較快的掃描方案。采用亞毫居(mCi)注射方案亦可獲得較為滿意的圖像用于臨床診斷[22]。

3.1 腫瘤 多數(shù)學(xué)者認(rèn)為PET/CT與PET/MRI診斷腫瘤的效能相當(dāng)。人工智能亦可用于低劑量PET/MRI[23]。CHEN等[24]以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析低劑量18F-氟比他班(florbetaben)淀粉樣蛋白(1%標(biāo)準(zhǔn)劑量)PET及MRI，發(fā)現(xiàn)PET與MRI融合模型預(yù)測的全劑量PET圖像質(zhì)量評分較高，且標(biāo)準(zhǔn)攝取分?jǐn)?shù)比值差異較小，與標(biāo)準(zhǔn)劑量PET圖像接近。

3.2 神經(jīng)系統(tǒng)疾病 在腫瘤學(xué)之外，PET/MRI最常用于神經(jīng)系統(tǒng)[25]。阿爾茨海默病為常見神經(jīng)退行性疾病，起病隱匿，早期診斷困難；其特征性病理改變?yōu)樵缙讦碌矸蹣拥鞍壮练e形成的老年斑。11C-匹茲堡化合物(11C-pittsburgh compound B,11C-PIB)為β淀粉樣蛋白特異性分子探針，可無創(chuàng)、實(shí)時(shí)、定量監(jiān)測腦內(nèi)纖維狀β淀粉樣蛋白變化。有學(xué)者[26]針對認(rèn)知正常的年輕對照組、認(rèn)知正常的老年對照組及疑診阿爾茨海默病患者組分別采用11C-PIB 和18F-THK5351(由東北大學(xué)開發(fā)，針對體內(nèi)tau神經(jīng)原纖維纏結(jié)積累的示蹤劑)行低劑量(50%、25%標(biāo)準(zhǔn)劑量)PET顯像，并行OSEM重建，發(fā)現(xiàn)不同掃描方案對定量參數(shù)、重建算法、參考區(qū)域及圖像運(yùn)動(dòng)偽影等的要求不同，劑量降低范圍亦有所差異。

4 小結(jié)與展望

低劑量PET，特別是PET/MRI，可顯著減少患者所受輻射劑量，易受輻射危害人群如兒童、青少年及患有潛在可治愈癌癥的年輕人等由此獲益巨大。然而，不同掃描設(shè)備的系統(tǒng)參數(shù)和圖像重建算法亦有所不同，無法完全統(tǒng)一，且多數(shù)低劑量掃描結(jié)果僅基于模擬數(shù)據(jù)，而臨床實(shí)際掃描中較難實(shí)現(xiàn)部分模擬參數(shù)(如管電流<10 mA)。此外，PET/MRI衰減校正仍為一大挑戰(zhàn)。未來隨著技術(shù)的發(fā)展，低劑量PET將逐漸得到完善，并用于臨床診療更多疾病。