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——....

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....

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