使用基于幅度的最优呼吸门控算法管理18F-氟代脱氧葡萄糖正电子发射断层扫描中的呼吸运动伪影

摘要

基于幅度的最优呼吸门控（ORG）可有效消除临床¹⁸F-氟脱氧葡萄糖（FDG）正电子发射断层扫描（PET）图像中的呼吸运动模糊。对FDG-PET图像进行呼吸运动伪影校正，可提高图像质量以及诊断和定量的准确性。在临床PET应用中，消除呼吸运动伪影对于患者的合理诊疗管理至关重要。

摘要

正电子发射断层扫描（PET）与X射线计算机断层扫描（CT）相结合，是一种重要的分子影像平台，对于多种疾病的精确诊断和临床分期至关重要。PET成像的优势在于能够以高灵敏度和高准确性在活体内可视化并量化多种生物过程。然而，多个因素会影响PET图像的质量和定量准确性。在胸部和上腹部的PET成像中，影响图像质量的最主要因素之一是呼吸运动，这会导致解剖结构因呼吸而产生运动模糊。为了获得最佳的图像质量和定量准确性，必须对这些伪影进行校正。

已开发出多种呼吸门控技术，通常依赖于在采集PET数据的同时获取呼吸信号。根据所获取的呼吸信号，选择PET数据用于重建无运动伪影的图像。尽管这些方法已被证明可有效消除PET图像中的呼吸运动伪影，但其性能取决于所获取呼吸信号的质量。本研究讨论了一种基于幅度的最优呼吸门控（ORG）算法的应用。与许多其他呼吸门控算法不同，ORG允许用户在重建的PET图像中权衡图像质量与被剔除运动数据的多少。该方法通过基于获取的替代信号和用户指定的占空比（用于图像重建的PET数据百分比）来计算最优幅度范围，从而实现这一目标。最优幅度范围被定义为仍包含图像重建所需数据量的最小幅度范围。研究表明，ORG可有效消除胸部和上腹部PET成像中由呼吸引起的图像模糊，从而提高图像质量和定量准确性。

引言

正电子发射断层扫描（PET）与X射线计算机断层扫描（CT）相结合，是临床实践中广泛接受的影像学工具，可用于多种疾病的精确诊断和临床分期¹。PET成像的优势在于能够以高灵敏度和高准确性在活体内可视化并量化多种生物学过程²。这一过程通过静脉注射一种放射性标记化合物（也称为放射性示踪剂）给患者来实现。根据所使用的放射性示踪剂不同，可对组织的葡萄糖代谢、细胞增殖、缺氧程度、氨基酸转运以及蛋白质和受体的表达等特征进行可视化和定量分析²。

尽管已有多种放射性示踪剂被开发、验证并应用于临床实践，放射性葡萄糖类似物¹⁸F-氟脱氧葡萄糖（FDG）仍是临床上应用最广泛的放射性示踪剂。由于FDG主要在糖酵解速率升高的细胞中聚集（即葡萄糖摄取增加并转化为丙酮酸以产生能量的细胞），因此可以区分具有不同代谢状态的组织。与葡萄糖类似，FDG摄取的第一步是通过葡萄糖转运蛋白（GLUT）³介导，从细胞外空间经细胞膜转运至细胞内空间。一旦FDG进入细胞内空间，己糖激酶会将其磷酸化，生成FDG-6-磷酸。然而，与葡萄糖-6-磷酸不同，由于FDG-6-磷酸在第二个（2’）碳位上缺乏羟基（OH）基团，因此无法进入三羧酸循环进行进一步的有氧分解。此外，由于逆反应——即FDG-6-磷酸去磷酸化重新生成FDG——在大多数组织中几乎不发生，因此FDG-6-磷酸被滞留在细胞内³。因此，FDG的摄取程度取决于细胞膜上GLUT（尤其是GLUT1和GLUT3）的表达水平以及细胞内己糖激酶的酶活性。这种FDG持续摄取并被滞留的现象被称为代谢捕获。FDG优先在代谢活性较高的组织中聚集的特点如图1a所示，该图展示了一名患者体内FDG的生理分布情况。该FDG-PET图像显示心肌、脑和肝脏组织的摄取较高，这些器官在正常情况下已知具有较高的代谢活性。

由于代谢状态的改变是多种疾病的重要特征，因此FDG对检测组织代谢状态差异具有高灵敏度，是一种区分正常组织与病变组织的优良放射性示踪剂。这一点在图1b中清晰可见，该图显示了一名IV期非小细胞肺癌（NSCLC）患者的FDG-PET图像。原发肿瘤及转移病灶均表现出放射性摄取增加。除了可视化之外，放射性示踪剂摄取的定量分析在患者的临床管理中也发挥着重要作用。从PET图像中获得的反映放射性示踪剂摄取程度的定量指标，如标准摄取值（SUV）、代谢体积和总病变糖酵解（TLG），可用于提供重要的预后信息，并评估不同患者群体的治疗反应^4,5,6。因此，FDG-PET成像正越来越多地用于肿瘤患者放射治疗和全身治疗的个体化方案制定⁷。此外，已有研究描述了FDG-PET在监测急性治疗相关毒性中的应用，例如放射性食管炎⁸、肺炎⁹以及全身性炎症反应¹⁰，为基于影像引导的治疗决策提供了重要信息。

鉴于正电子发射断层扫描（PET）在患者临床管理中的重要作用，图像质量和定量准确性对于基于PET图像正确指导治疗决策至关重要。然而，存在多种技术因素可能影响PET图像的定量准确性¹¹。其中一个重要因素与PET相比其他放射影像技术更长的采集时间有关，通常每个床位位置需采集数分钟。因此，在PET成像过程中，患者通常被要求自由呼吸。其结果是，PET图像会受到呼吸运动的影响，导致胸腔和上腹部器官出现明显的模糊。这种由呼吸引起的运动模糊会显著影响放射性示踪剂摄取的可视化效果和定量准确性，从而在利用PET图像进行疾病诊断与分期、放射治疗计划中的靶区定义以及疗效监测时，影响患者的临床管理¹²。

已开发出多种呼吸门控方法，旨在校正正电子发射断层扫描（PET）图像中的呼吸运动伪影¹³。这些方法可分为前瞻性、回顾性和数据驱动型门控策略。前瞻性与回顾性呼吸门控技术通常依赖于在PET成像过程中获取呼吸替代信号¹⁴。这些呼吸替代信号用于追踪和监测患者的呼吸周期。呼吸追踪设备的示例包括：利用压力传感器检测胸壁位移¹²，或使用光学追踪系统（如视频摄像机）¹⁵，采用热电偶测量呼出气体温度¹⁶，以及使用肺量计测量气流，从而间接估算患者肺部容积的变化¹⁷。

呼吸门控通常通过在图像采集期间持续且同步地记录一个替代信号（记为 S(t)）并与 PET 数据一同采集来实现。利用所获取的替代信号，可选择对应于特定呼吸时相或振幅范围（基于振幅的门控）的 PET 数据^12,13,18。基于时相的门控是通过将每个呼吸周期划分为固定数量的门控区间来实现的，如图 2a所示。随后，通过选择患者呼吸周期中某一特定时相期间采集的 PET 数据用于图像重建，即可完成呼吸门控。类似地，基于振幅的门控依赖于定义呼吸信号的某一振幅范围，如图 2b所示。当呼吸信号的数值落入设定的振幅范围内时，相应的 PET 列模式数据将被用于图像重建。对于回顾性门控方法，所有数据均被完整采集，并在图像采集完成后对 PET 数据进行重新分 bin 处理。尽管前瞻性呼吸门控方法在对 PET 数据进行重分 bin 时采用了与回顾性门控方法相同的概念，但这些方法依赖于在图像采集过程中前瞻性地采集数据。当采集到足够量的 PET 数据后，图像采集即告结束。此类前瞻性与回顾性门控方法的难点在于，当出现不规则呼吸时，难以在不显著延长图像采集时间的前提下维持可接受的图像质量¹³。在这方面，基于时相的呼吸门控方法对不规则呼吸模式尤为敏感^13,19，由于不合适的触发信号被拒绝，可能导致大量 PET 数据被舍弃，从而显著降低图像质量或导致图像采集时间不可接受地延长。此外，当错误地接受了不合适的触发信号时，由于呼吸门控被定义在呼吸周期的不同相位上（如图 2a所示），呼吸门控算法的性能以及从 PET 图像中抑制运动伪影的效果可能降低。事实上，已有报道指出，在呼吸信号出现不规则的情况下，基于振幅的呼吸门控比基于时相的方法更为稳定¹³。尽管基于振幅的呼吸门控算法在面对不规则呼吸频率时更具鲁棒性，但这些算法对呼吸信号基线漂移更为敏感。基线信号的漂移可能由多种原因引起，例如患者肌肉张力的变化（即患者在图像采集过程中逐渐进入更放松的状态）或呼吸模式的改变。为防止此类信号基线漂移，应确保将追踪传感器牢固地固定在患者身上，并对呼吸信号进行定期监测。

尽管上述问题已被认知，传统的呼吸门控算法对图像质量的控制能力有限，通常需要显著延长图像采集时间或增加给予患者的放射性示踪剂剂量。这些因素导致此类方案在临床常规应用中的采纳受到限制。为克服与呼吸门控图像质量波动相关的问题，已提出一种特定类型的基于幅度的门控算法，即最优呼吸门控（optimal respiratory gating, ORG）¹⁸。采用ORG进行呼吸门控时，用户可通过向算法输入占空比（duty cycle）来指定呼吸门控图像的质量。占空比定义为用于图像重建的采集到的PET列表模式数据所占的百分比。与许多其他呼吸门控算法不同，该方法允许用户直接决定重建PET图像的质量。根据指定的占空比，系统会计算出一个最优的幅度范围，该范围综合考虑了整个呼吸替代信号的特定特征¹⁸。针对特定的占空比，最优幅度范围的计算始于为呼吸信号的下限幅度（记为L）选择不同的取值。对于每一个选定的下限值，调整上限幅度（记为U），使得所选PET数据的总和——即呼吸信号处于幅度范围（L<S(t)<U）内时采集的数据——等于指定的占空比。例如，当占空比为50%且采集了6分钟的PET列表模式数据时，幅度范围将被调整以包含3分钟（50%）的PET数据。最优幅度范围（W）被定义为仍包含所需量PET数据的最小幅度范围（即 ArgMax([U-L])），如图2c¹²所示。因此，通过设定占空比，用户可在图像噪声水平与ORG PET图像中残余运动程度之间进行权衡。降低占空比会增加噪声，但同时也会减少PET图像中的残余运动（反之亦然）。尽管ORG的概念及其效应已在先前的研究报告中描述，但本文的目的在于为临床医生提供在临床实践中使用ORG时的具体操作细节。因此，本文将描述在临床成像方案中使用ORG的方法，并提供包括患者准备、图像采集和重建方案在内的多个实际操作要点。此外，本文还将介绍ORG软件的用户界面，以及在PET成像过程中进行呼吸门控时可作出的具体设置选择。最后，本文将讨论既往研究中所展示的ORG对病灶检出能力和图像定量分析的影响。

方案

所有涉及人类参与者的实验程序均遵循拉德堡德大学医学中心机构审查委员会（IRB）的伦理标准以及1964年《赫尔辛基宣言》及其后续修订版或同等伦理标准。ORG算法为厂商特有产品，可在西门子Biograph mCT PET/CT扫描仪系列及更新的PET/CT型号上使用。

1. 患者准备

1. 患者病史采集
   1. 核对患者姓名和出生日期。纳入标准与常规非门控PET扫描相似，无需额外的纳入或排除标准。
   2. 核对注射器上放射性示踪剂标签的信息（姓名、出生日期及活度）。
      注意：给予患者的活度取决于患者体重，不同机构之间可能有所差异 （本方案建议剂量为3.2 MBq/kg）。
   3. 通过与患者面谈，确认申请表上的临床信息准确无误。询问患者近期是否有治疗或用药方面的相关变化。
   4. 询问患者是否患有糖尿病（DM）。若患者患有糖尿病，需进一步询问其是否进行了适当的准备（即：在PET扫描前4小时内未使用短效胰岛素，或未使用降糖药物如二甲双胍）。
   5. 询问患者是否有过敏史或是否正在使用抗凝药物。
   6. 通过采集患者指尖侧缘血样，滴于专用试纸条上，测量其血糖水平（血清葡萄糖浓度不应超过11.0 mmol/L）。
   7. 向患者解释准备事项及成像流程。
2. 放射性示踪剂给药
   1. 通过在肘前静脉插入外周静脉留置针，建立静脉通路。
   2. 将三通阀系统（带鲁尔锁）连接至含有20 mL生理盐水的注射器（此为次级注射器）。
   3. 用生理盐水冲洗三通阀系统（以排除空气）。
   4. 将带有注射器的三通阀连接至静脉留置针末端。
   5. 通过缓慢推注10 mL生理盐水检查静脉留置针是否通畅（在冲洗过程中询问患者是否有不适）。
   6. 将含有放射性示踪剂的注射器（主注射器）连接至三通阀。调整三通阀方向，使液体流动路径从含示踪剂的注射器流向外周静脉留置针。缓慢推动注射器活塞以给予示踪剂（含示踪剂的注射器应置于特制的铅屏蔽容器中）。
   7. 调整三通阀，使含生理盐水的注射器与主注射器（原含示踪剂）连通，并推注生理盐水，冲洗注射器内残留的示踪剂。
   8. 再次调整三通阀，并推动主注射器活塞，将注射器内残余的示踪剂全部注入患者体内。
   9. 重复步骤1.2.7和1.2.8共三次。
   10. 旋转三通阀（防止患者静脉血液回流），取下主注射器。连接第三个含有呋塞米的注射器，再次旋转三通阀，推动活塞给予0.5 mg/kg呋塞米（最大剂量不超过10 mg）。移除外周 静脉留置针，使用无菌敷料对穿刺部位施加压力。检查穿刺部位无明显出血后，用医用胶带固定敷料。
3. 患者孵育期
   1. 让患者保持舒适体位休息，最好在光线较暗的房间内 静卧50分钟。
   2. 50分钟后，指导患者排空膀胱。
   3. 在第55分钟时，引导患者进入扫描仪，取仰卧位并将双臂上举置于扫描床两侧。使用适当的臂托以最大程度提高患者舒适度。若患者无法抬高双臂，可将手臂置于身体两侧进行扫描。
   4. 观察患者的呼吸模式，并将呼吸带固定于患者胸廓（通常位于肋缘下方位置最为理想）。通过目视观察，确保传感器置于腹壁运动最明显的部位（通常距中线5–7 cm）。使用魔术贴闭合系统将呼吸带固定于患者身上。
   5. 在扫描仪显示屏上检查呼吸信号是否处于最小值和最大值范围内（若呼吸信号出现截断，应适当收紧或调整呼吸带）。
   6. 提示：确保呼吸带在患者胸部固定足够紧密。由于患者在一段时间后会进入更放松的状态，呼吸信号可能出现下降（信号基线漂移）。适当紧固可防止信号超出范围，从而维持用于呼吸门控的替代信号的高质量。
   7. 在孵育60分钟后开始扫描。

2. 图像采集与重建

1. 方案选择
   1. 在扫描仪上选择全身扫描方案。可通过将光标移至检查卡中相应的方案类别（由患者图标旁的圆圈指示），然后点击相应的方案来完成（图3）。
   2. ORG采集方案将首先对患者进行定位扫描（topogram）。要开始topogram的采集，请按下扫描仪控制箱上的扫描启动键（带辐射标志的黄色圆形按钮）（图4）。如需暂停或中止topogram采集，请分别按下暂停键或停止键。
   3. 首先在topogram上规划PET床位位置。可通过在topogram上单击鼠标左键并设置扫描范围来完成。
   4. 选择需要进行呼吸运动校正的床位位置（图5）。
      注：这些是覆盖胸部的“门控”床位位置。“门控”床位位置以列表模式记录。根据临床指征，覆盖上腹部的床位位置也可进行门控（例如，当需要对肝脏或胰腺病灶成像时）。对于非门控床位位置，仅需记录用于图像重建的正弦图。
   5. 设置PET床位位置的图像采集时间（图5）。
      注：根据注射活度的大小，非门控 床位位置的扫描持续时间需相应调整，以获得足够的图像质量。此外，非门控床位位置的采集时间与用于门控床位图像重建的占空比共同决定了门控床位位置的采集时间。例如，当占空比为35%时，将扫描时间延长至3倍，可使门控与非门控床位位置获得近似相同的统计计数。拉德堡德大学医学中心建议的成像方案为：非门控床位位置采集时间为2分钟，门控床位位置采集时间为6分钟，占空比为35%。
   6. 设置完采集参数后，按住扫描仪控制箱上的启动键（带辐射标志的黄色圆形按钮），等待扫描床返回起始位置。再次按下启动键，对患者从头到脚进行低剂量CT扫描。完成CT扫描后，按下启动键开始PET扫描。
   7. 在图像采集过程中，应定期检查患者状况及呼吸信号质量（必要时调整呼吸带）。
      注：呼吸带的调整仅应在未进行呼吸门控床位采集时进行，因此应在这些床位采集前或采集后完成调整。在门控床位采集过程中调整呼吸带将影响ORG图像质量。为防止PET扫描期间呼吸信号出现显著基线漂移，必须在门控床位采集前仔细观察呼吸信号，并在必要时调整呼吸带。
2. 图像重建
   1. 回顾已采集的呼吸信号，并为门控床位位置选择合适的占空比（图6）。
      注：用于呼吸门控的振幅范围将叠加在呼吸信号上。需检查呼吸信号中是否存在不一致或基线漂移，这些因素可能影响呼吸门控的质量。
   2. 选择适用于图像观察的图像重建方案（图7）。通常选择高分辨率图像重建方案，采用更小的体素尺寸以检测小病灶。需要注意的是，ORG算法将利用所选床位位置的完整呼吸信号来计算最佳振幅范围。尽管不同床位位置可使用不同的占空比（例如，用于校正质量变化的呼吸信号），但不建议对不同床位位置使用不同的占空比，因为这将导致不同床位位置之间的图像质量出现差异。
      注：以下为用于图像观察的示例重建方案：
      • 算法：TrueX + TOF（UltraHD PET）
      • 迭代次数：3
      • 子集数量：21
      • 矩阵大小：400 × 400
      • 重建后滤波，核函数（三维高斯），半高全宽（FWHM）：3.0 mm
      • 占空比：35%
   3. 此外，还需使用符合Research4Life（EARL）倡议标准的定量PET成像协议重建PET图像。此类图像通常分辨率较低，并应用特定的重建后滤波。
      注：以下为用于图像定量分析的示例重建方案：
      • 算法：TrueX + TOF（UltraHD PET）
      • 迭代次数：3
      • 子集数量：21
      • 矩阵大小：256
      • 重建后滤波，核函数（三维高斯），半高全宽（FWHM）：8.0 mm
      • 占空比：35%
   4. 将重建后的图像发送至PACS归档系统。图像现已可供核医学医师评估。

结果

在PET中使用ORG可整体减少呼吸运动引起的图像模糊。例如，在对非小细胞肺癌（NSCLC）患者进行的临床评估中，ORG有助于检出更多的肺部病灶以及肺门/纵隔淋巴结²⁰。这一点在图8和图9中可明显看出，图中展示了NSCLC患者的非门控和ORG PET图像。

特别是，口服造影剂（ORG）导致了早期疾病阶段（I-IIB期）患者管理方案的改变，因为在这些阶段发现淋巴结的额外病灶会显著影响所规定的治疗方案以及所需的额外诊断程序。van der Gucht 等人针对位于上腹部病灶开展的研究也证实了这一结果²¹。使用口服造影剂（ORG）使得在FDG-PET检查中检出更多肝脏及肝周病灶。尽管这些结果支持口服造影剂（ORG）的使用可能有助于提高患者的诊断准确性和分期精度，但其确切的临床影响仍不明确。

当使用ORG校正PET图像的呼吸...

讨论

在核医学领域，呼吸运动伪影对PET成像的不利影响长期以来已被广泛认知。大量研究已表明，呼吸运动伪影所导致的图像模糊效应会显著影响图像定量分析和病灶检出能力。尽管已开发出多种呼吸门控方法，但呼吸门控目前在临床实践中尚未得到广泛应用，主要原因在于其导致的图像质量不稳定、图像采集时间显著延长，以及在临床全身成像流程中难以理想地整合呼吸门控。OR G的优势在于，其可方便地整合至标准的全身PET成像流程中，从而实现单次成像中多个门控与非门控床位位置的无缝衔接。此外，OR G算法在计算最佳振幅范围时，会考虑整个呼吸信号的特定特征（如平台期），同时用户可通过设定占空比直接控制重建PET图像的图像质量。然而，与许多其他呼吸门控方法类似，OR G需要依赖外部传感器来实施呼吸门控。此外，根据所采用的占空比不同，大量PET数据将被舍弃，不用于最终图像的重建。因此，OR G成功实现呼吸门控依赖于通过外部传感器对呼吸运动进行准确追踪，并可能需要延长图像采集时间或增加患者给药剂量。传感器使用所带来的困难促使了数据驱动型（即无传感器）呼吸门控方法的发展。^25,2...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
传感器端口、传感器、黑盒、波形甲板、弹性带、负荷细胞传感器（完整套装）	anzai medical co.	呼吸门控系统 AZ-733V	http://www.anzai-med.co.jp/en/product/item/az733v