PET/CT4D技术(呼吸门控)原理及其临床应用
GE Healthcare China 马兴荣 齐如海 王爽 陆喆
中山大学肿瘤医院核医学科 樊卫
PET/CT是将PET对疾病诊断的高灵敏、高特异性和具有高分辨率人体解剖结构的CT图像有机融合在一起全新的医学分子影像设备。PET/CT的诞生将传统PET全身扫描时间从常规的40-60分钟缩短至目前15分钟以内，这样不但极大的提高全身扫描速度而且能够同时为临床在解剖结构基础上脏器功能、组织血流灌注及酶和受体功能的疾病特异性信息。正是由于PET/CT在临床诊断和治疗中的特殊贡献，目前PET/CT已经被临床广泛性接受而且在对疾病早期诊断、个性化诊断、治疗效果观察和治疗方案制订中发挥重要作用。但是由于CT和PET设备本身扫描速度的不同导致PET/CT设备在肺部疾病诊断、特别是肿瘤诊断和治疗方案制定存在明显的局限性。患者的呼吸运动对CT和PET成像都能产生明显影响。在肺部和全身PET/CT扫描时CT扫描速度明显快于PET扫描速度导致PET/CT中PET图像和CT图像存在位置及时相上一定程度的不匹配，在采用CT图像对PET图像进行衰减校正时会对PET图像造成伪影。这些不但会影响PET图像的临床诊断结果，也会对放疗靶区的制定造成误差。为消除或校正呼吸运动造成的图像伪影，GE公司在PET/CT中率先采用了PET Evolution采集技术和PET/CT呼吸门控技术，以期减少呼吸运动伪影并提高PET图像的空间分辨率及采用PET/CT门控技术测量肺功能。PET/CT呼吸门控被称为最先进的 PET/CT 4D技术，为此本文重点对PET/CT呼吸门控的原理及其初步临床应用作简要介绍。
一、PET/CT呼吸门控技术原理
呼吸运动受意识影响非常明显，所以呼吸节律远不如心脏心电节律规则。这就造成对呼吸门控设计技术要求非常高。一般来说，可以通过监测呼吸机械运动、呼吸运动电变化来设计呼吸门控的触发器。由于PET/CT对呼吸门控技术精度要求非常高，所以目前最精确的方法是采用红外线技术监测人体呼吸运动。
进行呼吸门控采集时要将一个反射红外光的模型置于患者胸部，发射和接收红外线的装置固定在检查床外端（如图1所示），通过探测这些红外线信号就可以确定呼吸运动。在胸部模型随患者呼吸运动而波动，探测装置可以根据探测到的模型运动生成呼吸节律曲线（如图2所示）。由此曲线就能控制CT和PET的采集开始和结束的时间，并在一个呼吸周期内进行多个相位的采集，从而达到呼吸门控的目标。
二、PET/CT呼吸门控技术的临床应用
对一例肺部包块患者进行PET/CT的呼吸门控检查。采用PET/CT设备为GE公司的Discovery ST16，配呼吸门控采集控制装置及相关采集处理软件。对PET和CT均采用呼吸节律曲线实施门控采集和处理。一个呼吸周期内分别采集10个相位的图像。经Xeleris或AW工作站处理得到断层及3维的不同时相的重建图像。
表1是对呼气末、吸气末和非门控的PET图像的包块作ROI（感兴趣区）分析得到的结果。图3和图4分别为PET和CT的呼吸门控图像，图5为PET和CT的门控融合图像。图中的各个图像对应一个呼吸周期内的多个时相。图6为PET呼吸门控图像中肺部包块的局部放大图。
三、讨论
呼吸运动能对CT图像产生显著的影响。实验表明吸气末和呼气末的平均肺密度相差15%，扫描层面体积差平均达8cm3，均有显著性差异[1]。肺部肿瘤随呼吸运动的移动范围X、Y 轴较小，Z轴移动范围较大，以下肺最甚。上、中、下野数据两两比较结果显示X Y轴上的数据P>0.05，Z轴上的数据P<0.01[2]。呼吸运动会导致CT图像产生明显伪影。伪影主要表现为扫描层面中被检体周边多处出现星芒状或不规则条索状高低密度混杂伪影，肝脏与肺脏交界面出现毛糙低密度伪影，有时甚至表现为横穿整个扫描区域的带状低密度影。伪影使图像中脏器结构模糊不清。边缘轮廓不整齐、分辨率下降。有时甚至难以区分病灶与正常结构，严重影响诊断质量[3]。PET/CT中是采用CT图像数据对PET图像进行衰减校正。实验发现，呼吸运动对CT图像质量的影响会导致PET图像发生显著畸变和伪影。PET图像在最大吸气末和最大呼吸末的ROI计数与常规衰减校正方法获得的计数相比显著降低。深吸气时获得的CT图像将会导致PET图像在肺底和肝脏中间会出现线状伪影[4]。
从我们对吸气末和呼气末的PET图像包块的分析看，采用了呼吸门控技术和非呼吸门控技术包块大小、位置均有明显的变化，但是总计数上的变化不明显。这可能是因为该包块中心部位摄取F-18 FDG放射性高的原因。在CT图像上包块移动范围差异较PET大，这与CT图像空间分辨率更高有关。这些数据仅仅是初步临床应用的结果，更精确的数据有待于大量的临床数据和资料分析。
呼吸运动会对PET/CT图像造成伪影，进而影响诊断和放疗计划的制定。在放疗中已经采用了呼吸门控方法控制在不同呼吸时相的靶区范围。用门控的CT/PET图像不仅可以消除或减低呼吸运动伪影，而且与放疗门控技术结合能进一步提高放疗的精度。因此呼吸门控技术在PET/CT及放疗领域有着广阔的应用前景。呼吸门控PET/CT技术也被称为PET/CT的4D技术，它在图像重建、PET图像衰减校正均需要高精度的技术，所以PET/CT的呼吸门控技术在提高PET/CT图像分辨率，特别是对肺小病灶检测具有特别重要的意义。另外，PET/CT呼吸门控技术是采用PET/CT是测定肺功能唯一方法。
综上所述，PET/CT呼吸门控技术将PET/CT的临床推向一个全新的阶段，使我们也体会到了PET/CT 4D技术的真实含义，也使我们在临床体会到PET/CT 2D、3D、4D各自真正的临床价值。PET/CT 4D技术是PET/CT技术发展方向和必然趋势，我们通过初步临床应用体会PET/CT 4D技术对于肺部小病灶诊断以及对分子生物靶区确定具有重要价值。
参考文献
1．刘芳 韩萍 冯敢生，呼吸门控定量CT评价早期小气道病变所致的空气残留。临床放射学杂志 2000年第9期第19卷。
2．姚原 吴国华 林清等，CT模拟定位对肺癌三维适形放疗的影响。中华放射肿瘤学杂志 2005年5月 第l4卷 第3期。
3．周代全，腹部CT 扫描中常见伪影的分析及处理。
4．CT图像对PET图像进行衰减校正后引起PET图像伪影呼吸运动导致PET/CT图像伪影：技术考虑。RSNA 226(3):904-910;2003