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SPECT/PET衰减校正的实验研究及在临床中的应用

杜建强  
【摘要】: 研究背景 单光子发射断层仪(SPECT)的衰减校正问题一直是核医学影像的难题,由于深部器官所发出的γ光子飞行的路径比体表脏器要长(或是同一脏器的深部与体表部分),因此,在达到探头表面时就会因组织吸收衰减和射线散射导致放射性强度损失,根据组织所处位置不同有的发出的射线强度损失的较多,有的损失较少,这样就会导致图像的失真,影响图像质量,从而影响诊断。这个问题存在于SPECT和正电子发射断层仪(PET)显像中。过去SPECT最常用的方法是用公式法进行计算,如Chang氏法,它是假定γ光子飞行所经过的组织都是均匀的,其衰减系数分布也是均匀的。这种方法有一定的缺陷,在实际的临床应用中只有脑组织密度接近这种假设,其他脏器的应用上都受到较大的限制。特别是胸部,因为有衰减能力极低的含气组织肺脏和吸收系数接近与水的纵,各部位吸收的差别很大,不可能应用Chang氏法。如能直接测定出各个部位的放射性吸收系数,放射性吸收衰减就可以得到校正,全环的PET扫描仪器具有外部放射源透射病人的躯体来测定躯体各个部位的射线衰减系数,因此,在PET图像的放射性吸收衰减校正方面主要是采用这种方法,但是这个方法在SPECT和非全环的双探头符合电路PET上的临床应用较为困难,如何在SPECT和双探头符合电路PET上正确应用这个方法准确做好体内各个部位的衰减校正仍有争议。本研究所用的新技术为用Χ线或高能γ射线做穿透图像的放射源,采集穿透人体的数据计算得到体内各个部位的衰减吸收程度,对从人体特定部位中的发射的放射性数据进行校正的,重建方法是用迭代重建法,进行多次的迭代计算,达到对发射数据进行衰减校正的目的,并使用躯体模型和临床实际运用验证和评价这项技术。 研究目的 1.用Jasczak模型及心肌模型进行研究,检测及评价SPECT和正电子符合探测显像衰减校正在肿瘤和心肌显像中的应用效果; 2.在实际临床应用中对肿瘤和心肌显像的衰减校正方法进行评价。 3.尝试对临床应用的结果与中医辨证分型结合,试图发现其中的规律。 研究方法 1.用Jasczak模型充满18F溶液,充分混匀,分别在Vertex plus机型和Hawkeye机型上做模型图像的采集并进行图像重建。 2.2001年6月至2005年3月的接受检查的我院门诊及住院病人,共192例,其中男110例,年龄:26~85岁,平均年龄59.52岁,女82例,年龄:30~81岁,平均年龄58.02岁。常规禁食6小时以上,显像前1 h测定血糖,血糖控制在7.0mmol以下,按体重注入1.85 Mbq/kg18F-脱氧葡萄糖(18F-FDG),注射后静卧1小时,排空膀胱后进行显像。根据患者病情分别采集2~3个床位,相邻两床位间重叠50%。图像矩阵为128×128×16发射图像采集以步进方式进行,每床位32帧,第1帧采集40秒。随后保持原体位和床位不动,探头逆向转动,进行衰减校正的透视显像,每帧2秒,共96帧。发射图像采集的能量窗采用2个能峰:第一能峰位在51lkeV(即:18F的主能峰),能窗宽度为30%;第二能峰位在310keV(即:18F的康普顿散射峰),能窗宽度为30%;穿透图像采集的能量窗采用1个能峰,662keV(即:137Cs的主能峰),能窗宽度为20%(Ref:ADAC Laboratories:MCD and MCD user's manual pp4-28)。图像采集过程中,仪器根据第一帧图像的采集时间,自动地对以后所采集的所有图像进行18F的衰减时间校正,即每帧的采集时间是根据衰减时间而递增的。图像重建:采用迭代重建法,迭代次数为2,选用weiener滤波器,截止频率0.75,分别重建NC(Noncorrection,无衰减校正)图像和AC(Attenuation Correction,衰减校正)图像,再将几个床位的图像(2个或3个床位)连接,即获得横断面、冠状面及矢状面图像。图像分析:采用目测法,AC及NAC图像分别由两名以上经验丰富的核医学医师共同读片,以病灶区之放射性分布浓聚明显,于对侧或周围正常组织判断为阳性,凭视觉判断病灶并做出诊断。用同样方法对患有癌症的病人进行检测,并进行图像重建、分析。根据重建图像进行统计分析,将所接受检查的病人进行分组,探讨中医辨证分型与转移及早期转移的分析。 3.心肌断层模型用99TcmO4时本底的比放射性为28.03KBq/ml,“心肌”内为670KBq/ml,“心腔”内为390KBq/ml,用201Tl时,本底的比放射性为5.6KBq/ml,“心肌”内为100KBq/ml,“心腔”内为33.48KBq/ml。“心肌”与检查床平面的夹角为15°。两次试验间隔一周。图像采集:模型置于检查床上,探头成90°,椭圆形轨迹采集180°,低能高分辨准直器。用99Tcm-MIBI时共采集64帧,25秒/帧,矩阵64*64*16,ZOOM=1.46。用201Tl时,共采集32帧,40秒/帧,矩阵64*64*16,ZOOM=1.46。图像重建:(1)滤波反投影重建原始图像的横断面(不使用校正系统),重建滤波Butterworth,99Tcm-MIBI:Order=10,Cutoff=0.50;201Tl:Order=5.0,Cutoff=0.40;(2)迭代法重建原始图像的横断面,使用校正系统,迭代次数=12次,重建滤波Butterworth,99Tcm-MIBI:Order=5.0,Cutoff=0.66;201Tl:Order=5.0,Cutoff=0.35。模型图像分析:(1)目测法:3名有经验的研究人员共同阅片,分别观察有校正和无校正的图像,取得一致意见才可认为有区别;(2)计数比值法:在垂直短轴上选取不在“侧壁”缺损灶而又接近基底部的层面,分别在前壁和下壁,间壁和侧壁各画一个相同大小的矩形兴趣区,得到兴趣区内的计数,分别计算有校正和无校正图像的下壁/前壁,侧壁/间壁值。将心肌模型分别用放射性核素99Tcm和201Tl进行图像采集,分别用目测法和计数比值法进行模型图像的分析。 4.冠心病病人42例,其中男:20例,女:22例,年龄:36~82岁,平均年龄为56.4岁。参照国际心脏病学会和协会及世界卫生组织临床命名标准化联合专题组报告《缺血性心脏病的命名及诊断标准》,中医辨证由中医专科医师做出,分为虚证为主组和实证为主组。将病人分成两组,对病人的辨证分型进行探讨。 研究结果 1.Vertex Plus衰减校正后的图像质量明显改善,周边和深部的计数相差减少,深部的计数得到了补偿。未经衰减校正的直径在12 mm以下的冷区都无法显示。校正后的图像可以发现直径为9mm的冷区,而7mm的冷区则难以辨认。未经衰减校正的图像可以分辨出9 mm,14 mm,18 mm,22 mm和38mm热区,在衰减校正的图像上,不但图像的质量明显改善,而且热区的数目可以分辨到6mm。Hawkeye衰减校正后的图像质量明显改善,周边和深部的计数相差减少,深部的计数得到了补偿。圆形的冷区有了较大的区别,未经校正的图像中只有3个冷区可以准确地辨别出来,即只有直径为14mm、18mm、20mm的冷区,而直径在12 mm以下的冷区都无法显示,中央的冷区几乎与本底相似,难以分辨,周边的放射性与中央部分的放射性计数差距似乎较大。校正后的图像可以发现5个冷区,即直径为9mm、12 mm、14 mm、18mm、20mm的冷区,而7mm的冷区则难以辨认。未经衰减校正的图像可以分辨出14 mm,18 mm,22 mm和38mm热区,且周边出现一弧形(应为环形,因模型没摆平而显示为弧形),在衰减校正的图像上,可以分辨出到9mm,14 mm,18 mm,22 mm和38mm的热区,而且图像的质量非常明显改善。 2.共有192例患者接受正电子符合线路检查,其中显像阳性166例,阴性33例。校正前共检出病灶369个,校正后共检出455个病灶,小于2cm的病灶在未校正图像其中仅检出12个,在衰减校正图中则有99个病灶,有明显的差异。而大于2cm的病灶,两者之间则相差甚小,没有显著性差异。将住院病人按虚证为主和其他证型分为2组,进行X2检验分析,2组病例在有无转移灶的分析中没有显著性差异,在有无2cm以下的病灶之间(即早期转移)的分析中也没有显著性差异。 3.99Tcm-MIBI的图像校正效果要好于201Tl的图像,尤其是在侧壁缺损灶的基底部一侧。无论是99Tcm—MIBI图像还是201Tl图像,未经衰减校正的图像都没有明确的显示侧壁上缺损灶的近基底部一侧仍有正常“心肌”存在,而经过衰减校正后,可以明确地显示出来。 4.肿瘤的临床研究发现,在肿瘤正电子显像中以虚证为主组和其他证型组之间有无转移没有显著性差异,小于2cm转移灶的病例组与无转移组没有显著性差异。而在心肌显像的研究中发现,实证为主组和虚证为主组之间的阳性率也没有显著的差异。 研究结论 1.衰减校正的模型试验显示用137Cs作为穿透射线的方法好于XCT的校正效果,不仅明显地改变图像质量,而且可以明显改善空间分辨率,在冷区可以显示到9mm,而热区则可以显示到6mm,与报道一致。由于有“热边征”和“中空征”的存在,以及校正后的补偿的噪声增多,所以用T/N值来表示病灶的摄取是值得商榷的。 2.衰减校正在正电子显像中应用时,可以明显改善图像质量,发现在发射图像上难以发现的小病灶,对周边的病灶,较大的病灶可能改善得并不明显,但对于深部病灶和小病灶(小于2cm)来说意义可能更大。有利于减少误诊,早期发现和早期治疗。 3.衰减校正在心肌显像中的应用非常重要,它可以降低对一些心肌节段的误诊率,尤其是心肌下壁和后壁缺血的诊断要尤为慎重。 4.中医的辨证研究方面,本研究也做了一些初步的尝试,在肿瘤正电子显像和心肌断层显像研究中出现的结果给我们提出新的思考,进一步研究辨证和客观化证据的对应关系究竟何在,是分型的不恰当,还是客观参数选择的不对,还是什么其他的原因,以此为契机,为起点进一步今后在这方面做出更深入的探讨和研究。


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