基于18F-AV 1451 PET/MR不同衰減校正方式對阿爾茨海默病診斷效能研究

王明麗, 阮 超, 陸國秀, 劉華偉, 石慶學, 龐艷波, 王治國

1.大連醫科大學北部戰區總醫院研究生培養基地,遼寧 沈陽 110016;北部戰區總醫院 2.核醫學科;3.干部病房三科,遼寧 沈陽 110016;4.GE醫療中國分子影像事業部,北京 100176

阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease,AD)是一種緩慢且隱匿發展的神經退行性疾病,主要表現為記憶力減退、認知功能下降、行為障礙及情緒改變。AD突出的神經病理學特征是由β-淀粉樣蛋白肽沉積形成的老年斑和由tau蛋白異常過度磷酸化積累產生的神經原纖維纏結,β-淀粉樣蛋白和過度磷酸化的tau蛋白的沉積會引起AD的各種病理變化,損害神經[1]。18F-AV 1451(18F-flortaucipir)可作為探針標記tau蛋白。有研究表明,AD的病理改變要早于臨床診斷數年,盡早地檢測體內的病理生理過程能夠更早地預測AD的進展并對其進行干預,大大減少AD造成的損失[2]。MR圖像結合神經心理學測驗可顯著提高AD診斷的靈敏度[3],PET圖像可以提供功能信息[4],但MR圖像不同于CT圖像,MR信號與質子密度、組織弛豫時間有關,而CT圖像與組織的電子密度相關[5],PET/MR無法對PET圖像進行準確的衰減校正。目前常用的衰減校正方法分為組織分割法、圖像配準法、發射數據重建法及投射掃描法[6]。其中,組織分割法常用的是零回波序列(zero echo time,ZTE)和兩點Dixon序列生成衰減圖,圖像配準法則使用MR-CT數據集來生成衰減圖。本研究僅對這兩種重建方式進行評估。有研究報道,基于ZTE的衰減校正方法生成的偽CT圖、PET圖與“金標準”偏差更小[7-8],而目前常用的“金標準”為異機采集的低劑量CT圖像經雙線性轉換生成511 keV的衰減圖[9]。本研究旨在分析基于18F-AV 1451的不同衰減校正方式的差異及其對AD的診斷效能。現報道如下。

1 對象與方法

1.1 研究對象 將北部戰區總醫院自2021年10月至2022年7月收治的接受18F-AV 1451 PET/MR檢查的16例AD患者納入AD組,另將同期14例健康志愿者納入NC組。AD組納入標準:簡單精神狀態檢查量表(mini mental state examination,MMSE)評分≤26分;臨床癡呆定量表(clinical dementia rating,CDR-SB)評分≥5分;蒙特利爾認知評估量表(Montreal cognitive assessment,MoCA)評分≤24分;符合《2018中國癡呆與認知障礙診治指南》[10]診斷標準。NC組納入標準:本院MRI提示無腦血管、腦腫瘤等中樞神經系統疾病;MMSE評分>26分;CDR-SB評分<5分;MoCA評分>24分;既往無認知及精神障礙疾病病史。排除標準:先天性癡呆;患有腦部腫瘤、腦血管疾病、顱腦外傷等其他腦部疾病;體內有金屬植入物,或因幽閉恐懼無法進行PET/MRI檢查;因頭動或其他原因造成圖像模糊。回顧性分析兩組研究對象的臨床資料。所有研究對象均簽署知情同意書。本研究經醫院倫理委員會批準(Y2021024)。

1.2 檢測方法18F-AV 1451由本院核醫學科自行生產標記。所有研究對象靜脈注射8～10 mCi的18F-AV 1451,放化純度>95%。80 min后,使用PET/MR(Signa,GE)聯合掃描儀采集PET和MR信息。PET數據使用list數據采集模式采集80～100 min的圖像,使用迭代重建算法,迭代次數為6,子集為28,半高寬濾波為3 mm,使用TOF和PSF技術進行重建。MR圖像使用三維擾相快速梯度回波序列,其中,TR 8.5 ms,TE 3.2 ms,梯度翻轉角(Flip)12°,視野FOV 256 mm×256 mm,矩陣256×256,層厚1 mm,激勵次數(NEX)1。PET圖像在工作站采集完成后均使用ZTE、Atlas(圖像配準法)兩種衰減校正方式重建。

1.3 半定量分析 使用3D Slicer 5.2.2和Matlab 2018b進行標準化預處理,由于患者的MR和PET圖像均為同機采集,因此,PET圖像無需與3D T1加權像進行配準。使用統計參數映射(SPM12)軟件借助同機采集的3D T1圖像將PET圖像配準到蒙特利爾神經病學研究所(Montreal Neurological Institute,MNI)空間。隨后根據MNI提供的AAL模板得到各個腦區的平均標準化攝取值(standard uptake value,SUV),由于小腦區域與tau蛋白的特異性結合較低[11],將其用作參考區域(小腦蚓部除外)得到標準化攝取值比(standard uptake value ratio,SUVr)。選擇嗅皮質、后扣帶回、緣上回、角回、楔前葉、顳中回、顳極-顳中回、顳下回作為感興趣區[11-12],對所選腦區按體素進行加權平均以進行統計學分析。計算每個腦區的相對差異(relative difference,RD)。

2 結果

2.1 兩組臨床資料比較 NC組中,男性9例,女性5例;平均年齡(66.9±4.4)歲;平均MMSE評分(28.86±1.23)分;平均MoCA評分(28.36±2.06)分;平均CDR-SB評分(1.10±2.10)分。AD組中,男性6例,女性10例;平均年齡(68.1±8.2)歲;平均MMSE評分(19.00±6.52)分;平均MoCA評分(8.97±3.08)分;平均CDR-SB評分(13.94±6.51)分。兩組在性別比例、年齡方面比較,差異無統計學意義(P>0.05)。AD組的MMSE評分、MoCA評分低于NC組,CDR-SB評分高于NC組,差異有統計學意義(P<0.05)。典型病例18F-AV 1451 PET/MR圖像見圖1。

圖1 典型病例18F-AV 1451 PET/MR圖像(1.男性患者,84歲,MMSE評分22.0分,CDR-SB評分8.0分,MoCA評分15.0分;a為Atlas,b為ZTE,兩者在額葉有明顯的沉積差異,圖中紅色箭頭所示。2.男性健康志愿者,66歲,MMSE評分27.0分,CDR-SB評分0.5分,MoCA評分28.0分;c為Atlas,d為ZTE,兩者在垂體有明顯的沉積差異,圖中紅色箭頭所示)

2.2 PET區域分析 Atlas和ZTE在嗅皮質、后扣帶回、楔前葉、顳極-顳中回的SUV RD大于SUVr RD,在緣上回、角回、顳中回、顳下回的SUV RD小于SUVr RD,差異有統計學意義(P<0.05)。見圖2。

圖2 Atlas和ZTE在不同腦區的RD比較

2.3 診斷效能分析 NC組Atlas和ZTE的SUVr分別為(1.08±0.10)和(1.10±0.08),AD組分別為(1.30±0.28)和(1.33±0.28)。AD組Atlas和ZTE的SUVr均高于NC組,差異有統計學意義(P<0.05)。Atlas和ZTE診斷AD的ROC曲線下面積分別為0.777(0.609～0.944)和0.830(0.679～0.982),最佳截斷值分別為1.122 5和1.186 8,靈敏度分別為81.2%和75.0%,特異度分別為71.4%和85.7%,差異有統計學意義(P<0.05)。見圖3。

圖3 Atlas和ZTE對AD的診斷效能ROC曲線

3 討論

AD作為一種神經退行性疾病,往往發病隱匿,臨床癥狀在出現時已錯過了最佳治療時機,因此,AD的早期診斷和干預尤為重要。18F-AV 1451可用作區分認知受損和未受損的分子成像生物標志物。目前,大多顯像劑依賴β-淀粉樣蛋白來進行成像,tau PET的攝取在大腦中與β-淀粉樣蛋白具有相關性,尤其是內側顳葉區[13],雖然18F-AV 1451不太能檢測或區分內嗅皮層中Braak 0/Ⅰ/Ⅱ期的tau沉積,但在Braak Ⅲ/Ⅳ期或更高階段,18F-AV 1451顯像更好[14],可以提供病理學上的證據診斷臨床前AD,結合圖像和臨床數據可以提高AD分期的診斷效能[15-16]。

不同于一些使用SUV進行定量分析的藥物,18F-AV 1451更依賴于SUVr的定量信息,也容易受到骨信息及小腦區域定量信息準確性的影響。有學者發現,SUVr的差異可能要小于SUV,因為大腦皮層和小腦的差異可能會剛好抵消[17]。本研究中,在嗅皮質、后扣帶回、楔前葉、顳極-顳中回這幾個腦區中,SUVr的差異小于SUV的差異,但在其他腦區,如緣上回、角回、顳中回、顳下回,SUVr的差異反而大于SUV的差異。這可能是因為大腦皮層和小腦皮層的誤差分布是完全不同的[17]。在PET/MR成像過程中,不同的定量方法可能會帶來不同的影響[18],對圖像不同的處理也會導致SUVr產生差異[19]。

本研究結果顯示:NC組Atlas和ZTE的SUVr分別為(1.08±0.10)和(1.10±0.08),AD組分別為(1.30±0.28)和(1.33±0.28),AD組Atlas和ZTE的SUVr均高于NC組,差異有統計學意義(P<0.05);Atlas和ZTE診斷AD的ROC曲線下面積分別為0.777(0.609～0.944)和0.830(0.679～0.982),最佳截斷值分別為1.122 5和1.186 8,靈敏度分別為81.2%和75.0%,特異度分別為71.4%和85.7%,差異有統計學意義(P<0.05)。但SUVr的測量極易受到采集方式、重建方式及不同定量方法的影響[20],若選用機器的不同,結果也可能有所不同,在臨床診斷中,不可盲目選擇閾值來定性分析,需結合臨床資料等綜合判斷。本研究存在一些不足:未能獲得研究對象的CT圖并以此為“金標準”進行評估;未能進行不同衰減校正重建下SUV對疾病診斷效能影響的相關研究;患者例數較少且未對其進行AD分期,不同分期下,18F-AV 1451的沉積腦區也會有所不同,對感興趣腦區也會產生較大影響。

綜上所述,基于Atlas和ZTE的衰減校正方法均是進行18F-AV 1451定量評估的可靠方法,基于ZTE診斷AD的ROC曲線下面積略大于Atlas,特異度也更高,但靈敏度稍低,此外,基于ZTE得到的最佳截斷值也高于Atlas,日常工作中需謹慎選擇。