國產uMI 780型PET/CT儀18F-FDG最適圖像采集及處理條件探討

孫 震，趙燕燕，毛旻航，王麗麗，張曉瑩，王惠煜，吳玉濤，顧思蕓，劉士濤，董 筠，錢 政，莊 橙，陳 濤

1.上海中醫藥大學附屬曙光醫院核醫學科，上海 201203；

2.上海中醫藥大學附屬曙光醫院醫學裝備處，上海 201203；

3.上海聯影醫療科技有限公司，上海 201807

正電子發射體層成像（positron emission tomography，PET）/計算機體層成像（computed tomography，CT）自20世紀末問世以來，因其聯合18F-FDG對臨床腫瘤診斷和治療決策的卓越貢獻在全世界得到了迅猛的發展。uMI 780型PET/CT儀是上海聯影醫療科技股份有限公司研發的第二代PET/CT儀，它在繼續沿用硅酸釔镥晶體（LYSO）和飛行時間（time of fly，ToF）技術的基礎上，采用“晶體-硅光電倍增管（silicon photomultiplier，SiPM）”取代了傳統的“晶體-光電倍增管”PET探測器系統，使PET探測進入數字化時代［1-2］。

由于采用了區別于已有PET/CT設備的PET探測系統，因此確定其在應用18F-FDG進行臨床顯像檢查時的最適圖像采集和處理條件對于合理、有效地使用這款設備，保證圖像質量是非常必要的。為此本研究采用臨床試驗的方式對使用uMI 780型PET/CT儀進行18F-FDG全身代謝顯像的最適圖像采集條件，如最適18F-FDG體重注射量、最適單床位采集時間及最適的PET圖像重建參數進行了探討，以期提出最佳的臨床應用方案。

1 資料和方法

1.1 研究對象

隨機納入2017年8月—2018年5月400例符合要求的受試者，其中男性213例，女性187例，年齡27～95歲，平均年齡（60.2±12.1）歲。將受試者分為4組（A1、A2、B1、B2，每組100例）研究序列。A1：18F-FDG注射量按體重2.96 MBq/kg（0.08 mCi/kg），體部PET顯像2 min/床位、腦部3 min；A2：18F-FDG注射量按體重2.96 MBq/kg（0.08 mCi/kg），體部PET顯像1.5 min/床位、腦部2 min；B1：18F-FDG注射量按體重3.70 MBq/kg（0.10 mCi/kg），體部PET顯像2 min/床位、腦部3 min；B2：18F-FDG注射量按體重3.70 MBq/kg（0.10 mCi/kg），體部PET顯像1.5 min/床位、腦部2 min。受試者納入標準：① 年齡大于18歲，同意參加本臨床試驗，并簽署知情同意書；② 依從性良好；③ 3個月內無生育計劃。排除標準：① 不具有完全民事行為能力者；② 妊娠及有可能妊娠的婦女（須接受尿人絨毛膜促性腺激素檢測且為陽性），哺乳期婦女；③ 體內有金屬植入物或者短期內注射或口服CT造影劑者；④ 依從性差者；⑤ 糖尿病且血糖控制不佳者（試驗當天空腹血糖值大于10 mmol/L）；⑥ 臨床診斷為終末期腎功能不全者；⑦ 情緒不穩定或者出現痙攣癥狀等無法正常完成PET/CT檢查者；⑧ 在PET/CT檢查前24 h內進行劇烈運動者；⑨ 在PET/CT檢查前6 h內未禁食者，或者口服高含糖藥物者；⑩ 研究者認為不宜參加本臨床試驗者。本研究經上海中醫藥大學附屬曙光醫院倫理委員會批準，所有受試者均簽署知情同意書。本研究符合《赫爾辛基宣言》的原則。

1.2 18F-FDG PET/CT顯像

采用上海聯影醫療科技股份有限公司的uMI 780型PET/CT儀。18F-FDG由上海原子科興藥業有限公司提供，放射化學純度＞95%。受試者空腹6 h以上，確認血糖＜10 mmol/L，平靜狀態下按受試者納入組別劑量靜脈注射18F-FDG后安靜休息約60 min，顯像檢查前5 min排空膀胱并口服250～300 mL對比劑充盈胃腔，分別進行腦部和體部PET/CT檢查。

腦部PET/CT檢查，受試者取仰臥位、頭部固定于專用頭托內，眶耳線（orbitomeatal line，OML）垂直于掃描床平面。PET顯像采用列表 模式，顯像時間按受試者納入組別施行；CT掃描參數：電壓120 kV、電流為自動毫安秒（根據患者體重不同自動匹配毫安秒）、螺距0.6、球管單圈旋轉時間0.8 s、層厚2 mm。

體部PET/CT檢查，顯像范圍自股骨中上段至顱底部。PET顯像采用列表模式，單床位顯像時間按受試者納入組別施行，床位間重疊35%，采集4～5個床位；CT掃描參數：電壓120 kV、電流為自動毫安秒（根據患者體重不同自動匹配毫安秒）、螺距1.0、球管單圈旋轉時間0.5 s、層厚3 mm。

1.3 PET圖像處理及評價

對4組受試者PET圖像應用不同的重建算法，或相同重建算法、不同參數進行處理、評價。

1.3.1 PET圖像處理

腦部PET圖像處理，分別應用濾波反投影法（filtered back projection，FBP）和有序子集最大期望值法（ordered subset expectation maximization，OSEM）進行圖像重建，視野300 mm，矩陣128×128，層厚1.34 mm，并對圖像進行CT衰減校正、散射校正和隨機校正。R1：斜坡函數濾波（0.5）+漢寧窗+平滑（非局部均值+梅斯濾波）；R2：OSEM（4次迭代，20個子集）+ToF+點擴散函數（point spread function，PSF）+平滑（非局部均值+梅斯濾波）。

體部PET圖像處理，采用OSEM算法不同的迭代次數或平滑的高斯半高寬（full width at half maximum，FWHM）進行圖像重建，視野600 mm，矩陣150×150，層厚2.68 mm，并對圖像進行CT衰減校正、散射校正和隨機校正。R3：OSEM（2次迭代，20個子集）+ToF+PSF+平滑（高斯FWHM 3 mm）；R4：OSEM（3次迭代，20個子集）+ToF+PSF+平滑（高斯FWHM 3 mm）；R5：OSEM（2次迭代，20個子集）+ToF+PSF+平滑（高斯FWHM 4 mm）。

1.3.2 PET圖像評價

由2名具有多年PET/CT讀片經驗的醫師各自獨立對4組受試者所有重建后的PET圖像按照表1、2所列的評價內容、標準進行質量評價，評價等級設為優、良、差3個等級，分別記為3、2、1分，當2名醫師的評價結果出現歧義時由第3名更高級別的醫師進行評價并共同討論后確定評價結果。

表1 腦部PET圖像質量評價標準

表2 體部PET圖像質量評價標準

1.4 統計學處理

采用Matlab R2010b軟件對數據進行統計學分析。應用lillietest函數對數據進行正態分布檢驗，應用vartestn函數進行方差齊次性檢驗，適用于參數檢驗的用anova1函數進行顯著性分析，不適用于參數檢驗的用Kruskal-Wallis函數進行顯著性分析。符合正態分布的計量數據以x±s表示。P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結 果

2.1 受試者人群自然狀況比較

4組受試者人群除A1、A2組受試者的體重略高于B1、B2組外，其余男女性別比、年齡、身高差異均無統計學意義（表3）。A1、A2組18F-FDG的體重注射量分別為（3.022±0.106）、（3.023±0.112）MBq/kg（P=0.641），B1、B2組分別為（3.763±0.101）、（3.789±0.124）MBq/kg（P=0.171，圖1）。

圖1 4組受試者人群的18F-FDG體重注射量

表3 4組受試者人群自然狀況比較x±s

2.2 腦部PET圖像質量評價

2.2.1 不同重建算法對腦部PET圖像質量的影響

各組圖像的代謝分布、設備性偽影、圖像均勻性均表現為R2（OSEM）重建算法明顯優于R1（FBP），差異均有統計學意義（P＜0.001，圖2）。

圖2 腦部PET不同重建算法（FBP vs OSEM）圖像質量比較

2.2.2 不同顯像時間對腦部PET圖像質量的影響

當18F-FDG注射量為2.96或3.70 MBq/kg，應用R2（OSEM）重建時，顯像時間3和2 min（A1vsA2或B1vsB2）圖像的代謝分布、設備性偽影、圖像均勻性差異均無統計學意義（P＞0.05，圖3）。

圖3 腦部PET不同顯像時間、不同注射劑量圖像質量比較

2.2.3 不同18F-FDG注射量對腦部PET圖像質量的影響

當顯像時間為3或2 min、應用R2（OSEM）重建時，18F-FDG注射量2.96和3.70 MBq/kg（A1vsB1或A2vsB2）圖像的代謝分布、設備性偽影、圖像均勻性差異均無統計學意義（P＞0.05，圖3）。

2.3 體部PET圖像質量評價

2.3.1 不同顯像時間對體部PET圖像質量的影響

當18F-FDG注射量為2.96 MBq/kg時，顯像時間2 min圖像（A1）的代謝分布、圖像均勻性均明顯優于1.5 min的圖像（A2）（P＜0.05），而設備性偽影兩者間差異無統計學意義；當注射量為3.70 MBq/kg時，顯像時間2 min（B1）和1.5 min（B2）的圖像質量差異無統計學意義，僅在采用R3（迭代次數2、高斯FWHM 3 mm）重建時，顯像時間2 min的圖像均勻性和總評分優于1.5 min（P＜0.05，圖4）。

圖4 體部PET不同顯像時間、不同注射劑量圖像質量比較

2.3.2 不同18F-FDG注射量對體部PET圖像質量的影響

當顯像時間為2 min時，注射量3.70 MBq/kg（B1）和2.96 MBq/kg（A1）的圖像質量差異無統計學意義；當顯像時間為1.5 min時，注射量3.70 MBq/kg（B1）的圖像在代謝分布和圖像均勻性上表現為比注射量2.96 MBq/kg（A1）更好的趨勢，雖然在R4（迭代次數3、高斯FWHM 3 mm）重建時圖像的代謝分布和圖像均勻性以及在R5（迭代次數2、高斯FWHM 4 mm）重建時圖像的代謝分布差異無統計學意義，但圖像質量的總體評分在R3、R4、R5 3種重建參數組合均表現為注射量3.70 MBq/kg的圖像明顯高于2.96 MBq/kg（P＜0.05，圖4）。

2.3.3 不同迭代次數對圖像質量的影響

應用OSEM算法重建體部PET圖像時，迭代2次圖像的代謝分布和圖像均勻性明顯優于迭代3次的圖像（P＜0.01），但對設備性偽影無顯著影響（圖5）。

圖5 體部PET應用OSEM重建時迭代次數（2 vs 3）對圖像質量的影響

2.3.4 不同高斯FWHM對圖像質量的影響

應用OSEM算法重建體部PET圖像時，高斯FWHM為4 mm的圖像代謝分布和圖像均勻性明顯優于高斯FWHM為3 mm的圖像（P＜0.01），其中A2組高斯FWHM為4 mm的圖像設備性偽影明顯優于高斯FWHM為3 mm的圖像（P＜0.01），而其他組別兩者間圖像的設備性偽影差異無統計學意義（圖6）。

圖6 體部PET應用OSEM重建時高斯FWHM（3 mm vs 4 mm）對圖像質量的影響

3 討 論

18F-FDG PET/CT是臨床腫瘤診斷、療效評估、預后預測的重要影像學診斷方法。在18F-FDG PET/CT檢查時，除了PET/CT儀設備的基本性能外，18F-FDG體重注射量、采集時間/床位以及圖像重建算法和參數是決定PET圖像質量的主要因素，同時也關系到受檢者的輻射劑量和檢查感受以及PET/CT的使用效率。

在本研究中，根據uMI 780型PET/CT儀的基本性能以及以往應用各種型號PET/CT儀進行18F-FDG PET/CT的經驗確定了試驗分組的原則，即18F-FDG體重注射量選擇2.96 MBq/kg（0.08 mCi/kg）和3.70 MBq/kg（0.10 mCi/kg），采集時間/床位選擇腦部顯像3 min和2 min、體部顯像2 min/床位和1.5 min/床位分別組合形成4個研究組序列。400例受試者依先后順序隨機納入4個研究組，每組各100例。4組間受試者人群的男女性別比、年齡及身高差異均無統計學意義，雖然A1、A2組受試者人群的體重略高于B1、B2組，但是考慮到A1、A2組和B1、B2組采用相同的18F-FDG體重注射量，且A1和A2組間以及B1和B2組間的18F-FDG體重注射量差異無統計學意義，因此，可以認為本研究4組受試者人群的結構不存在對研究結果構成影響的統計學偏倚。

腦部PET圖像各組內OSEM算法重建的圖像質量均明顯優于FBP算法，且尤以“設備性偽影”差異最大，考慮這與OSEM算法本身對泊松噪聲做了統計建模以及使用了ToF技術能夠降低圖像的噪聲信號有關［3-4］。體部PET圖像OSEM重建時迭代2次明顯優于3次，且主要表現為“代謝分布”和“圖像均勻性”的改善，考慮為3次迭代增加了圖像的噪聲信號所致；而高斯FWHM以4 mm為最佳［5］。

無論18F-FDG體重注射量為2.76 MBq/kg或者3.70 MBq/kg、顯像時間為3 min或者2 min，OSEM算法重建的腦部PET圖像質量差異均無統計學意義。體部PET圖像在18F-FDG注射量為2.76 MBq/kg時，顯像時間以2 min/床位為佳；注射量為3.70 MBq/kg時，顯像時間1.5 min/床位可以獲得滿意的圖像質量。對比以往各種型號PET設備普遍采用的18F-FDG體重注射量3.70～5.55 MBq/kg、腦部顯像時間至少3 min、體部顯像時間1.5～2.0 min的圖像采集條件，uMI 780型PET/CT儀明顯降低了18F-FDG的注射量、縮短了顯像時間，這與其明顯增高的系統靈敏度、較長的軸向視野（300 mm）、優化的采集模式以及重建算法和參數直接相關，這不僅減少了受檢者因注射18F-FDG產生的輻射劑量，降低了PET/CT的檢查成本，同時縮短檢查時間進一步改善了受檢者的檢查感受，降低了檢查過程中受檢者發生體動的概率，提高了PET/CT設備的使用效率［2，6-10］。

綜上所述，本研究推薦國產uMI 780型PET/CT儀臨床應用18F-FDG的最適圖像采集和處理方案：①18F-FDG注射量2.96 MBq/kg；腦部顯像2 min，OSEM重建；體部顯像2 min/床位，OSEM重建的迭代次數為2、高斯FWHM為4 mm。②18F-FDG注射量3.70 MBq/kg；腦部顯像2 min，OSEM重建；體部顯像1.5 min/床位，OSEM重建的迭代次數為2、高斯FWHM為4 mm。