胡紅波，胡瑩，丘志芬，劉鴻翔

1.廣州軍區(qū)聯(lián)勤部藥品儀器檢驗(yàn)所 放射室，廣東 廣州 510080；2.梅州市人民醫(yī)院 核醫(yī)學(xué)科，廣東 梅州 514031

一種用于PET/CT呼吸運(yùn)動(dòng)偽影校正性能測(cè)試的動(dòng)態(tài)體模設(shè)計(jì)

胡紅波1，胡瑩1，丘志芬2，劉鴻翔1

1.廣州軍區(qū)聯(lián)勤部藥品儀器檢驗(yàn)所 放射室，廣東 廣州 510080；2.梅州市人民醫(yī)院 核醫(yī)學(xué)科，廣東 梅州 514031

目的設(shè)計(jì)一種呼吸運(yùn)動(dòng)偽影校正性能測(cè)試體模，定量分析PET/CT呼吸門控系統(tǒng)的運(yùn)行效果。方法 本體模的胸腔模型是基于美國(guó)國(guó)家電器制造商協(xié)會(huì)的圖像質(zhì)量測(cè)試體模設(shè)計(jì)，其上預(yù)留了相同內(nèi)徑的孔徑用來插入內(nèi)容物。胸腔模型內(nèi)容物是一個(gè)內(nèi)部包含不同直徑的空心球的圓柱體?？招那騼?nèi)部灌注FDG溶液，用來模擬肺部腫瘤的大小。通過一部高精度電機(jī)控制胸腔模體的升降，模擬人體呼吸時(shí)胸腔的擴(kuò)張與收縮；通過另一部高精度電機(jī)控制腫瘤模擬物的旋轉(zhuǎn)與進(jìn)出，模擬肺部腫瘤隨胸腔呼吸的運(yùn)動(dòng)軌跡。結(jié)果初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)圖像對(duì)比，判斷腫瘤在3個(gè)維度上的偏差為軸向12.42 mm，冠狀13.36 mm，矢狀12.28 mm，與臨床研究的結(jié)果相一致，表明本呼吸運(yùn)動(dòng)偽影校正性能測(cè)試體模能夠定量評(píng)價(jià)各呼吸運(yùn)動(dòng)控制方法呼吸偽影的校正效果。結(jié)論該動(dòng)態(tài)體模操作方法簡(jiǎn)單，不受臨床醫(yī)護(hù)人員的操作經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)對(duì)象個(gè)體差異的干擾。使用高精度的電機(jī)控制模體運(yùn)動(dòng)，降低了實(shí)際操作中的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的影響，同時(shí)保證了實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。

PET/CT；呼吸運(yùn)動(dòng)偽影；性能測(cè)試；動(dòng)態(tài)體模；肺部腫瘤

引言

肺癌是常見的惡性腫瘤，也是死亡率增長(zhǎng)最快的惡性腫瘤[1-2]，由于肺癌早期臨床表現(xiàn)不明顯，確診時(shí)大部分患者已經(jīng)進(jìn)入晚期，因此肺癌的早期診斷對(duì)提高患者生存率和生存質(zhì)量十分必要。研究表明，PET/CT作為一種功能成像的影像診斷技術(shù)，在肺癌早期篩查和診斷上具有其他結(jié)構(gòu)型顯影技術(shù)無可比擬的優(yōu)勢(shì)，但其成像效果受呼吸運(yùn)動(dòng)的影響較大。PET成像中的人體呼吸運(yùn)動(dòng)會(huì)造成圖像模糊，嚴(yán)重影響PET的圖像質(zhì)量，對(duì)醫(yī)生診斷造成很大影響。此外由于人體呼吸運(yùn)動(dòng)的周期性以及PET和CT掃描時(shí)間的不同，PET/CT圖像融合時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定偽影[3-5]。臨床研究表明,病人的呼吸運(yùn)動(dòng)是造成PET成像圖像模糊的重要原因之一，將會(huì)導(dǎo)致圖像質(zhì)量的嚴(yán)重降低。所以，為了降低呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)對(duì)醫(yī)生的診斷結(jié)果造成的影響，臨床上發(fā)展了多種方法，總的可以分成5大類：① 運(yùn)動(dòng)包圍法；② 呼吸門控技術(shù)；③ 屏氣呼吸技術(shù)；④ 被動(dòng)淺呼吸方法；⑤ 呼吸同步技術(shù)[6]。

這幾種方法臨床運(yùn)行效果各不相同，目前對(duì)其進(jìn)行效果評(píng)估的方法主要是通過臨床病例收集，再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析來進(jìn)行的。但這種方式存在以下缺點(diǎn)：首先，為了獲取具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的結(jié)果，需要收集大量臨床病例，通常需要持續(xù)數(shù)月甚至數(shù)年的研究，時(shí)間成本較高；其次，臨床病例存在個(gè)體差異，即每個(gè)病人的呼吸模式均不完全相同，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響較大[7]；再者，臨床試驗(yàn)不具備重復(fù)性，不利于各呼吸偽影校正方法之間的橫向比較；最后，臨床試驗(yàn)不具備復(fù)現(xiàn)性，對(duì)結(jié)果存疑時(shí)，無法查證影響因素。

我國(guó)目前并無PET/CT的計(jì)量檢測(cè)或質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)行國(guó)家推薦標(biāo)準(zhǔn)GB/T18988.1-2013《放射性核素成像設(shè)備性能和試驗(yàn)規(guī)則—第1部分：正電子發(fā)射斷層成像裝置》僅規(guī)定了PET/CT性能和試驗(yàn)規(guī)則,目前國(guó)內(nèi)對(duì)新裝機(jī)設(shè)備的驗(yàn)收主要是依據(jù)美國(guó)國(guó)家電器制造商協(xié)會(huì)（National Electrical Manufacturers Associations，NEMA）NU2-2007《Performance Measurements of Positron Emission Tomography》進(jìn)行，這幾種標(biāo)準(zhǔn)都未涉及PET/CT呼吸門控系統(tǒng)評(píng)估的方法和設(shè)備[8]。本研究為了解決這一問題，擬設(shè)計(jì)一種呼吸門控系統(tǒng)測(cè)試體模，基本思想是通過模擬人體肺部的呼吸運(yùn)動(dòng)，定量分析PET/CT門控系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

1 設(shè)計(jì)內(nèi)容

1.1 體模材料

檢測(cè)體模的外形是基于NEMA的圖像質(zhì)量測(cè)試體模設(shè)計(jì)的。在材料的選擇上，由于PET/CT依靠獲得的CT圖像來提供解剖學(xué)信息，所以我們主要依據(jù)CT值的差異作為體模材料的選擇標(biāo)準(zhǔn)。常用材料有特氟隆（Teflon，高密度物質(zhì)，用于模擬人體內(nèi)的骨頭，標(biāo)準(zhǔn)CT值：990)、丙?。ˋcrylic，用于模擬人體組織，標(biāo)準(zhǔn)CT值：120）、低密度聚乙稀 (Low Density Polyethylene，LDPE，用于模擬人體脂肪，標(biāo)準(zhǔn)CT值：-100)、空氣（用于模擬人體內(nèi)的空腔，標(biāo)準(zhǔn)CT值：-1000）。由于人胸腔主要是由肺部組織構(gòu)成，本體模的設(shè)計(jì)目的也是模擬人體肺部的呼吸運(yùn)動(dòng)，同時(shí)考慮到其具有易于加工的優(yōu)點(diǎn)，所以選擇丙烯作為模體的主要材料。

與NEMA圖像質(zhì)量測(cè)試體模不同的是，體模上預(yù)留了10個(gè)相同內(nèi)徑（r=25 mm）的空洞用來插入內(nèi)容物（見圖1）。內(nèi)容物是一個(gè)內(nèi)部包含不同直徑（分別為10、13、17、22、28和35 mm）的空心球的圓柱體?？招那騼?nèi)部可以灌注FDG溶液，用來模擬肺部不同腫瘤的大小。與胸腔模型類似，圓柱體和空心球都是由丙烯材料制作的?？招那蛟趫A柱體中的位置有兩種：一種與圓柱體為同心結(jié)構(gòu)，另一種為非同心結(jié)構(gòu)，隨著圓柱體運(yùn)動(dòng)時(shí)腫瘤模擬物的運(yùn)動(dòng)軌跡也不相同，運(yùn)動(dòng)方式和幅度都有區(qū)別（見圖2）。這樣，我們采用的圓柱體一共有兩組共計(jì)12個(gè)。在實(shí)際檢測(cè)中，根據(jù)檢測(cè)目的不同，可以選擇在模體孔徑中插入一個(gè)或多個(gè)不同的圓柱體。

圖1 胸腔體模的示意圖

圖2 腫瘤模擬物（可灌注FDG溶液的空心球）在圓柱體內(nèi)的位置示意圖

1.2 體模運(yùn)動(dòng)

呼吸運(yùn)動(dòng)是一種半自主運(yùn)動(dòng)，不同個(gè)體之間的呼吸模式各不相同，還會(huì)受到一些無法控制因素例如咳嗽的影響，但相對(duì)其他生理信號(hào)來說，人類呼吸運(yùn)動(dòng)又有著相對(duì)穩(wěn)定的周期。根據(jù)以往的研究發(fā)現(xiàn)，從呼吸運(yùn)動(dòng)的頻率上看，較為典型的呼吸運(yùn)動(dòng)是12～20次/min關(guān)于呼吸運(yùn)動(dòng)的幅度各種研究的結(jié)果各不相同，但總體來說，最大幅度一般不超過40 mm[9]。從運(yùn)動(dòng)形式來說，呼吸運(yùn)動(dòng)可以看成是幾種運(yùn)動(dòng)的疊加或綜合，在吸氣相和呼氣相，呼吸運(yùn)動(dòng)基本上保持勻速運(yùn)動(dòng)。在吸氣相和呼氣相交接處，呼吸運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)出變速運(yùn)動(dòng)，其中在吸氣末和呼氣末處于減速狀態(tài)，在吸氣開始和呼氣開始處于加速狀態(tài)。單一的勻速運(yùn)動(dòng)模型或變速運(yùn)動(dòng)模型都不能很好的描述呼吸運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程。對(duì)呼吸運(yùn)動(dòng)的模擬將決定腫瘤運(yùn)動(dòng)的形式，并直接影響系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果的可信程度。

關(guān)于呼吸運(yùn)動(dòng)的建模在影像引導(dǎo)放射治療領(lǐng)域內(nèi)研究的較多，Lujan等在1999提出了以修正的余弦函數(shù)來對(duì)呼吸運(yùn)動(dòng)建模，被證明適用于對(duì)稱的腫瘤運(yùn)動(dòng)，同樣的研究Seppenwoolde等在2002也進(jìn)行過[10]。Neicu等在2003基于腫瘤平均運(yùn)動(dòng)的軌跡上建立了波形模型，該模型被歸一化和平均，用來更好的描述腫瘤的特征運(yùn)動(dòng)。這較好的契合了本研究的需求，因此我們將重點(diǎn)關(guān)注這一呼吸運(yùn)動(dòng)模

型[11]。

在這個(gè)模型中，一個(gè)正常的呼吸周期為將被分為3個(gè)階段：呼氣（Exhale，EX），呼氣末（End-of-Exhale，EOE）和吸氣（Inhale，IN）,而呼吸異常是由一個(gè)不規(guī)則的呼吸狀態(tài)表示。這個(gè)模型被證實(shí)可以準(zhǔn)確地描述各種各樣的病人呼吸模式，見圖3。

圖3 一種典型的呼吸運(yùn)動(dòng)模式

該呼吸運(yùn)動(dòng)的模型基于大量臨床數(shù)據(jù)收集，存在如下規(guī)律：

（1）運(yùn)動(dòng)周期。整個(gè)呼吸周期持續(xù)的時(shí)長(zhǎng)4～10 s，約70%處于3～5 s的范圍內(nèi)，其中EX、IN階段的平均周期約為1 s，EOE階段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，約1.5～6.5 s,平均時(shí)長(zhǎng)為4 s。

（2）運(yùn)動(dòng)距離。呼吸運(yùn)動(dòng)運(yùn)行的距離處在5～25 mm的范圍，平均為14.6 mm。其中EX階段運(yùn)行的平均距離是5.9 mm，標(biāo)準(zhǔn)方差是1.7 mm，IN階段運(yùn)行的平均距離為7.3 mm，標(biāo)準(zhǔn)方差為1.8 mm，EOE階段運(yùn)行的平均距離為1.3 mm，標(biāo)準(zhǔn)方差為0.7 mm，在此階段99%的運(yùn)行距離小于2 mm，并且3個(gè)階段的運(yùn)行距離大致存在這樣的關(guān)系，即IN階段的運(yùn)行距離約等于EX階段和EOE階段的總和。

（3）運(yùn)動(dòng)速度。EX階段器官的運(yùn)行速度為0.6～28 mm/s，平均值為14.5 mm/s，EOE階段器官的平均運(yùn)行速度為2.8 mm/s，在此階段93%的運(yùn)行速度＜5 mm/s，在IN階段器官的平均運(yùn)行速度為2.5～22.6 mm/s，平均值為9.9 mm/s。整個(gè)呼吸周期的平均速度約為13.2 mm/s。

為了準(zhǔn)確模擬這種呼吸運(yùn)動(dòng)，我們選用兩個(gè)電機(jī)進(jìn)行速度和幅度控制。其中一個(gè)控制胸腔體模的升降，幅度范圍為±20 mm,另一個(gè)電機(jī)控制胸腔上內(nèi)容物的旋轉(zhuǎn)和進(jìn)出，幅度范圍為0～20 mm,兩個(gè)電機(jī)的精度都為0.1 mm，通過兩個(gè)電機(jī)的配合，即可使腫瘤模擬物隨胸腔的運(yùn)動(dòng)做近似呼吸運(yùn)動(dòng)。

2 評(píng)估方式

具體的呼吸偽影校正性能評(píng)估步驟如下：

（1）體模擺位。將胸腔升降電機(jī)的位置歸零，打開PET/CT的定位激光燈，使胸腔體模的中心位于PET/CT檢測(cè)視野的正中心，見圖4。

圖4 動(dòng)態(tài)體模在PET/CT中的擺位示意圖

（2）FDG溶液灌注。根據(jù)檢測(cè)目的的不同，可選取不同直徑大小的腫瘤模擬物灌注FDG溶液，灌注完畢后，將腫瘤模擬物插入胸腔孔徑中。

（3）靜態(tài)掃描。腫瘤模擬物插入完畢后，PET/CT進(jìn)行靜態(tài)掃描，融合后得到的圖像作為呼吸偽影校正性能評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)圖像。

（4）動(dòng)態(tài)掃描。開啟兩個(gè)電機(jī)，設(shè)置不同的呼吸運(yùn)動(dòng)模式（速度、幅度、周期等），使胸腔體模和腫瘤模擬物模擬不同的呼吸運(yùn)動(dòng)，PET/CT進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集，圖像融合后作為呼吸運(yùn)動(dòng)偽影的評(píng)估圖像。

（5）性能評(píng)估。將評(píng)估圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像對(duì)比，判斷腫瘤在3個(gè)維度上的偏差，根據(jù)臨床數(shù)據(jù)，設(shè)定不同的加權(quán)，得出最后的偏移量，見圖5。

圖5 圖像評(píng)估示意圖

3 初步結(jié)果

本研究前期主要集中在體模的模型設(shè)計(jì)及呼吸運(yùn)動(dòng)模擬參數(shù)的設(shè)置。前期對(duì)湖北、湖南、廣東、廣西、海南五?。ㄗ灾螀^(qū)）的13家部隊(duì)醫(yī)療機(jī)構(gòu)的14臺(tái)臨床PET/CT進(jìn)行了核查，重點(diǎn)分析了各類設(shè)備呼吸門控系統(tǒng)的類型及原理（具體分析結(jié)果已經(jīng)成文待發(fā)表）。

試驗(yàn)?zāi)壳疤幱诔跫?jí)階段。如圖5所示，采用的PET/CT設(shè)備為某主流機(jī)型（孔徑70 cm，晶體材料為硅酸镥，CT排數(shù)為40），取55.5 MBq（1.5 m Ci）的18F-FDG 加入100 mL水中，配成5.55 MBq/L（0.15 m Ci/L）濃度的18F-FDG 溶液。將配好的溶液靜置45 min后，注入直徑10 mm的空心球中，插入體模，設(shè)置不同的呼吸運(yùn)動(dòng)模式，使胸腔體模和腫瘤模擬物模擬不同的呼吸運(yùn)動(dòng)，PET/CT進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集，掃描模式為常態(tài)掃描，采集床數(shù)為1，持續(xù)時(shí)間為1.5 min，重建方法為OSEM,迭代次數(shù)為2，迭代子集為8，圖像縮放為1.0，采用Gausian過濾，F(xiàn)WHM為5 mm。

最后實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)圖像對(duì)比，判斷腫瘤在3個(gè)維度上的偏差為：軸向12.42 mm，冠狀13.36 mm，矢狀12.28 mm。表明了病人呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)最后的PET/CT診斷圖像確實(shí)存在較大影響，這也與臨床研究的結(jié)果相一致。受時(shí)間和實(shí)驗(yàn)條件的限制，本次實(shí)驗(yàn)并未涉及不同呼吸控制方法效果的評(píng)估，但本次實(shí)驗(yàn)證明通過體模來定量分析呼吸控制的效果是可行的。其他類型PET/CT相應(yīng)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理及分析將繼續(xù)進(jìn)行。

4 其他應(yīng)用

該體模的應(yīng)用還可以延伸于其他方面。例如病人標(biāo)準(zhǔn)攝取值（Standardized Uptake Value ，SUV）的校正。

臨床肺部PET/CT顯像結(jié)果評(píng)估時(shí)，受呼吸運(yùn)動(dòng)的影響，可以發(fā)現(xiàn)近球形的肺結(jié)節(jié)可能呈橢圓形或短棒狀，靠近肺底的病變尤其明顯，其SUV值會(huì)顯著降低，從而嚴(yán)重影響對(duì)疾病的診斷和療效評(píng)估。通過比較不同大小陽(yáng)性球狀灶靜止和呼吸運(yùn)動(dòng)時(shí)測(cè)得的SUV，發(fā)現(xiàn)對(duì)于同樣大小的球狀灶，呼吸運(yùn)動(dòng)時(shí)的SUV總是小于靜止時(shí)的SUV，但測(cè)量體積相應(yīng)增大[12]。二者的乘積即總放射性是不變的，即：

在臨床檢測(cè)時(shí)，我們可以認(rèn)為SUV靜是我們判斷惡性腫瘤與否的真實(shí)值，但這個(gè)值通常是很難直接檢測(cè)出來的。這里我們可以采用動(dòng)態(tài)體模來模擬病人的呼吸運(yùn)動(dòng)，通過分析病人的呼吸頻率、速度、幅度等，即可得出近似的

根據(jù)公式(2)，可推斷出SUV靜的大小。

5 結(jié)束語

PET作為一種功能成像的影像診斷技術(shù)，在肺癌早期篩查和診斷上具有其他結(jié)構(gòu)型顯影技術(shù)無可比擬的優(yōu)勢(shì)。但是PET成像的結(jié)構(gòu)成像性能不如CT和MRI。PET成像中的人體呼吸運(yùn)動(dòng)會(huì)造成圖像模糊，嚴(yán)重降低PET的圖像質(zhì)量，對(duì)醫(yī)生診斷造成很大影響[13]。此外由于人體呼吸運(yùn)動(dòng)的周期性以及PET和CT掃描時(shí)間的不同。使得PET/ CT圖像融合時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定偽影[14]。本研究為了解決這一問題，擬設(shè)計(jì)使用一種動(dòng)態(tài)體模模擬腫瘤隨肺部呼吸產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)[15-16]，對(duì)PET/CT呼吸運(yùn)動(dòng)偽影校正性能進(jìn)行定量評(píng)估，該方法操作簡(jiǎn)單，不受臨床醫(yī)護(hù)人員的操作經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)對(duì)象個(gè)體差異的干擾。使用高精度的電機(jī)控制模體運(yùn)動(dòng)，降低了實(shí)際操作中的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的影響，同時(shí)保證了實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性[17]。此外，該套體模還可以應(yīng)用于不同圖像處理算法的評(píng)估及臨床運(yùn)動(dòng)病灶SUV值的修正[18]，通過更換內(nèi)插件，該模體還可應(yīng)用于肺癌放射治療的手術(shù)規(guī)劃。

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本文編輯 張丹妮

Movable Phantom Design for Performance Test of PET/CT Respiratory Motion Artifact Correction

HU Hong-bo1, HU Ying1, QIU Zhi-fen2, LIU Hong-xiang1
1.Radiation Room, Institute for Drug and Instrument Control, Joint Logistics Department of Guangzhou Military Area Command, Guangdong Guangzhou 510080, China; 2.Department of Nuclear Medicine, Meizhou People’s Hospital, Meizhou Guangdong 514031, China

ObjectiveTo design a respiratory motion artifact correction performance test phantom which is used to quantitatively analyze the operating results of PET/CT respiratory gating system. Methods This thoracic cavity model was designed based on the image quality testing body model of American National Electrical Manufacturers Association, on which the inner diameter of the same aperture was used to insert content. The contents were internal cylinders that contain different diameters of hollow ball. Fluorodeoxyglucose solution was perfused into the hollow balls to simulate the size of lung cancer. Through a high-precision motor to control the elevation of the chest phantom, and simulate chest expansion and contraction of human respiratory; another high-precision motor was used to control the rotation, in and out of tumor mimics and simulated trajectories lung cancer with chest breathing.ResultsCompared with the standard image, preliminary experimental results indicated that the tumor deviation on three dimensions were 12.42 mm (axial), 13.36 mm (coronary) and 12.28 mm (sagittal) respectively, which was consistent with the clinical research. The results showed that the respiratory motion artifact correction performance test phantom could quantitatively evaluate the breathing artifact correction effects of respiratory movement control methods.ConclusionThis movable phantom is simple, and is not subject to the operational experience of clinical staffs and individual differences of experimental subject. The use of high-precision motor to control mold body movement reduces the impact of system error during actual operation and random error, while ensuring the reproducibility of the experiment.

PET/CT; respiratory motion artifact; performance test; movable phantom; lung tumor

R734.2；TH774

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.01.008

1674-1633(2017)01-0030-04

2016-07-05

2016-09-07

全軍醫(yī)學(xué)科技青年培育計(jì)劃（16QNP048）。

劉鴻翔，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榇笮歪t(yī)療設(shè)備的檢測(cè)與維修。

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