高克承，郭云出，張 毅，岳 超，葛 煦*

（1.空軍軍醫(yī)大學(xué)，西安 710032；2.聯(lián)勤保障部隊(duì)第970 醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科，山東煙臺(tái) 264000）

0 引言

PET 是一種利用正電子發(fā)射體的核素標(biāo)記一些生理需要的化合物或代謝底物，通過(guò)正電子掃描機(jī)而獲得體內(nèi)化學(xué)影像的技術(shù)。其通過(guò)病灶部位對(duì)示蹤劑的攝取來(lái)了解病灶部位的功能代謝狀態(tài)，以此做出診斷[1-3]。PET 作為一種先進(jìn)的核醫(yī)學(xué)影像手段，以能顯示臟器或組織的代謝活性及受體的功能與分布受到廣泛重視，也被稱為“活體生化顯像”。

PET 技術(shù)從20 世紀(jì)90 年代開(kāi)始進(jìn)入臨床使用，目前已日趨完善，成為了診斷和治療腫瘤的最優(yōu)工具。近年來(lái)，我國(guó)醫(yī)院內(nèi)PET 的裝機(jī)量迅猛增長(zhǎng)，檢查日益普及，但仍存在價(jià)格昂貴、掃描方式受限等缺點(diǎn)。PET 的掃描方式分為步進(jìn)掃描和連續(xù)進(jìn)床掃描，但由于技術(shù)水平受限、床位運(yùn)行方式固化，PET一直采用傳統(tǒng)且單一的步進(jìn)掃描（如圖1 所示），且其掃描速率和影像質(zhì)量也受床位運(yùn)行方式的影響。到目前為止，PET 掃描仍然按照床位序列進(jìn)行，數(shù)據(jù)采集與病床運(yùn)動(dòng)交替工作，掃描方式受探測(cè)器陣列固定大小的限制[4]。此外，步進(jìn)掃描的固有復(fù)雜性限制了PET/CT 成像的常規(guī)使用，且經(jīng)常導(dǎo)致劑量增高、患者焦慮增多、檢查效率降低以及因患者運(yùn)動(dòng)造成圖像質(zhì)量降低的問(wèn)題。在實(shí)際使用中，面對(duì)不同的患者和疾病，近乎一致的掃描流程使醫(yī)生無(wú)法兼顧圖像質(zhì)量和檢查速度。

為了實(shí)現(xiàn)PET 更靈活的應(yīng)用，可使PET 由步進(jìn)掃描變?yōu)檫B續(xù)進(jìn)床掃描。若想實(shí)現(xiàn)PET 連續(xù)進(jìn)床掃描，將面臨三大難題：（1）如何在原有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上精確定位數(shù)據(jù)發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)；（2）如何及時(shí)有效地整合包含時(shí)間點(diǎn)的動(dòng)態(tài)信息；（3）需要一種新型算法來(lái)處理這些動(dòng)態(tài)信息以獲得可用于臨床的影像結(jié)果[5-6]。這一過(guò)程意味著PET 將實(shí)現(xiàn)從三維到四維的跨越[7]。一種結(jié)合PET 和CT 的全新系統(tǒng)——Biograph mCT Flow 系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。該系統(tǒng)成功解決了改進(jìn)進(jìn)床方式的技術(shù)難關(guān)（如圖2 所示），通過(guò)高度密集矩陣、改變門(mén)控方式大幅度提高了PET 的掃描速度。本文將從原理和核心技術(shù)上對(duì)Biograph mCT Flow 系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述，以期為醫(yī)院設(shè)備科管理和維修相關(guān)產(chǎn)品提供理論依據(jù)。

圖1 步進(jìn)掃描示意圖

圖2 Biograph mCT Flow 系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)床掃描示意圖

1 Biograph mCT Flow 系統(tǒng)工作原理

Biograph mCT Flow 系統(tǒng)結(jié)合了 PET 與 CT 的技術(shù)特點(diǎn)：PET 系統(tǒng)對(duì)注入到人體中的放射性藥物進(jìn)行檢測(cè)與成像，CT 系統(tǒng)生成人體的斷層圖像，采用FlowMotionTM流式掃描技術(shù)規(guī)劃和掃描基于單個(gè)病床的連續(xù)動(dòng)作，最后由計(jì)算機(jī)重建來(lái)自不同角度的同一軸面或螺旋面的X 射線數(shù)據(jù)，在正確劑量下形成精準(zhǔn)圖像，做到床位利用率最高、掃描成像無(wú)重疊以及輻射劑量最低。

2 Biograph mCT Flow 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及軟硬件支撐

為了實(shí)現(xiàn)PET 顯像從三維到四維的跨越，Biograph mCT Flow 系統(tǒng)應(yīng)用了以下技術(shù)及軟硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)連續(xù)成像[8]。

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 矩陣魔方

與掃描速率和顯像質(zhì)量一樣，PET 的掃描速度和采集矩陣也受制于床位，這2 個(gè)參數(shù)一經(jīng)設(shè)定就無(wú)法改變。若患者掃描時(shí)使用同一種采集模式將會(huì)完全忽視個(gè)體和疾病的異質(zhì)性。以淋巴瘤患者為例，醫(yī)生無(wú)法在單次圖像采集中既獲得頭頸部高清、高對(duì)比顯像，又實(shí)現(xiàn)下肢全面、快速的檢查。

矩陣魔方是Biograph mCT Flow 系統(tǒng)的一種使圖像采集靈活多變的關(guān)鍵性技術(shù)，具有0.1～10 mm/s精準(zhǔn)的亞毫米級(jí)速度控制和128×128～400×400 的可變焦矩陣設(shè)定，如圖3 所示。矩陣魔方技術(shù)的應(yīng)用使Biograph mCT Flow 系統(tǒng)單次掃描既能獲得所關(guān)注部位極精細(xì)的細(xì)節(jié)顯示，又能實(shí)現(xiàn)全身掃描，縮短了檢查時(shí)間，進(jìn)一步提高了檢查通量。矩陣魔方實(shí)際應(yīng)用效果如圖4 所示。

圖3 矩陣魔方示意圖

圖4 矩陣魔方實(shí)際應(yīng)用效果

2.1.2 植入式門(mén)控

PET 檢查約有90%的情況會(huì)涉及到肺部或上腹部病灶的診斷，而呼吸運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致圖像“模糊”，繼而降低診斷置信度[9]。Biograph mCT Flow 系統(tǒng)的植入式門(mén)控技術(shù)能消除呼吸運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的影響，協(xié)助醫(yī)生對(duì)肺部、上腹部的診治。傳統(tǒng)的床位掃描模式只能在全身掃描之后加做單床位的局部門(mén)控顯像。復(fù)雜的檢查流程不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還會(huì)降低受檢者的依從性。同時(shí)，固定的軸向視野無(wú)法包含整個(gè)肺部，往往會(huì)導(dǎo)致肺尖部漏診的發(fā)生。

植入式門(mén)控技術(shù)可在單次掃描中加載感興趣區(qū)域的門(mén)控顯像，范圍可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置。該技術(shù)在提高診斷置信度的同時(shí)，大幅縮短了檢查時(shí)間。植入式門(mén)控的肺部病變顯示效果圖如圖5 所示，可以清晰地觀察到病變部位。該技術(shù)將目前受采集時(shí)間限制而極少開(kāi)展的呼吸門(mén)控工作引入了日常掃描中，提高了醫(yī)生對(duì)肺部病變的診斷準(zhǔn)確率。

圖5 植入式門(mén)控顯像

2.2 軟硬件支撐

2.2.1 炫動(dòng)500 環(huán)

床位參數(shù)是CT 和PET 在制訂掃描計(jì)劃及掃描模式時(shí)的最大區(qū)別。PET 由于床位限制，患者必須以床位為最小單位進(jìn)行掃描范圍的選擇，即固定軸向視野[10]，如圖6（a）所示。CT 可以根據(jù)患者的實(shí)際情況任意設(shè)定掃描范圍和參數(shù)[10]，如圖6（b）所示。在掃描過(guò)程中，為了保證圖像質(zhì)量進(jìn)行的床位重疊操作會(huì)延長(zhǎng)患者的檢查時(shí)間。同時(shí)，如果床位重疊不充分，會(huì)導(dǎo)致軸向信號(hào)不均一，繼而影響標(biāo)準(zhǔn)攝取值（standard uptake value，SUV）定量的準(zhǔn)確性[10]。環(huán)數(shù)是衡量PET 成像優(yōu)劣的重要指標(biāo)。環(huán)數(shù)越多，軸向視野就越大。為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)床位覆蓋全身，至少需要500 環(huán)。

圖6 固定軸向視野和任意軸向視野的比較[10]

炫動(dòng)500 環(huán)使PET 和CT 一樣可任意設(shè)置軸向視野（3～195 cm），滿足臨床全身掃描的需求——既可實(shí)現(xiàn)極小軸向范圍內(nèi)的聚焦掃描，又可實(shí)現(xiàn)任意器官到全身的全覆蓋掃描，打破了床位化掃描的弊端。炫動(dòng)500 環(huán)全身成像示意圖如圖7 所示。

圖7 炫動(dòng)500 環(huán)全身成像示意圖

炫動(dòng)500 環(huán)消除了床位重疊的問(wèn)題，使掃描軸向均一、靈活、流暢。炫動(dòng)500 環(huán)對(duì)患者腦部檢查的應(yīng)用如圖8 所示，可以明顯看出腫瘤區(qū)域減少。綜上所述，炫動(dòng)500 環(huán)技術(shù)對(duì)于人體精細(xì)部位的檢查具有一定優(yōu)勢(shì)。

2.2.2 病患定制黑匣子

圖8 炫動(dòng)500 環(huán)對(duì)患者腦部檢查的應(yīng)用

病患定制黑匣子給每位患者制定了專屬的PET檢查流程和隨訪方式，可以記錄每次的掃描信息，包括掃描參數(shù)、選用的重建算法、PET 技術(shù)信息和心臟/呼吸門(mén)控掃描過(guò)程中的心跳/呼吸次數(shù)，方便檢查后的歸檔和隨訪中的參數(shù)設(shè)置對(duì)比以及科研調(diào)研的信息匯總分析。Biograph mCT Flow 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自由的掃描范圍、掃描速度和高級(jí)掃描技術(shù)的設(shè)定，使醫(yī)生可根據(jù)患者的實(shí)際情況制訂掃描計(jì)劃。

3 FlowMotionTM 三大核心技術(shù)

Biograph mCT Flow 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)四維連續(xù)掃描的動(dòng)態(tài)PET 成像，除了上述關(guān)鍵技術(shù)和軟硬件支撐外，F(xiàn)lowMotionTM三大核心技術(shù)也起著關(guān)鍵性作用。

3.1 磁力患者載控系統(tǒng)（magnetically driven patient bed）

想要實(shí)現(xiàn)連續(xù)動(dòng)態(tài)的PET 成像，需要精確定位數(shù)據(jù)發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)，即要精準(zhǔn)控制檢查床的位置和速度。Biograph mCT Flow 系統(tǒng)采用磁力傳動(dòng)病床（如圖9 所示），取代了傳統(tǒng)皮帶-齒輪傳動(dòng)病床，不僅使進(jìn)床更平滑，還加載了精確化定位控制系統(tǒng)，使位移精度和進(jìn)床速度、精度都控制在亞毫米級(jí)。同時(shí)，在掃描中還實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)PET 數(shù)據(jù)同步位置編碼信息的共享儲(chǔ)存，且病床的零彎曲確保了PET 與CT 圖像的準(zhǔn)確融合[11]。

圖9 磁力患者載控系統(tǒng)示意圖

3.2 固態(tài)電子架構(gòu)（solid-state electronic architecture）

為實(shí)現(xiàn)及時(shí)有效的大數(shù)據(jù)整合，西門(mén)子采用了基于PETLINKTM 數(shù)據(jù)流緩沖區(qū)（PETLINKTM stream buffer，PSB）的固態(tài)電子架構(gòu)體系。該體系能將連續(xù)進(jìn)床掃描時(shí)產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)以最快的速度、最完整的方式實(shí)時(shí)記錄，并隨時(shí)處于預(yù)讀取狀態(tài)[9，12-13]，有效提升了圖像的數(shù)據(jù)采集效率。

3.3 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理（dynamic data processing）

在成像計(jì)算上，連續(xù)進(jìn)床掃描帶來(lái)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)需要新算法。與基礎(chǔ)的靜態(tài)數(shù)據(jù)處理不同，全新的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理算法將所有訓(xùn)練性能差異、進(jìn)床速度變化、不同位置信息的死時(shí)間、放射源衰變等因素全部計(jì)算在內(nèi)，可識(shí)別動(dòng)態(tài)響應(yīng)線，完成歸一化校準(zhǔn)，將數(shù)據(jù)流模擬為3D 數(shù)據(jù)段，最終獲得重建數(shù)據(jù)。

4 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

Biograph mCT Flow 系統(tǒng)的應(yīng)用逐漸廣泛，具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)結(jié)果。依托超高速計(jì)算機(jī)集群和信息處理，在PET 連續(xù)進(jìn)床掃描過(guò)程中，同步顯示PET掃描結(jié)果。醫(yī)生可第一時(shí)間對(duì)受檢者做出初步判斷，決定是否需要延遲顯像[14]。尤其是在ListMode 采集模式下，大幅縮短了重復(fù)（Replay）時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了即時(shí)PET 動(dòng)態(tài)分析。

（2）優(yōu)先的掃描流程。傳統(tǒng)的PET/CT 檢查需要先進(jìn)行CT 定位相掃描，而后根據(jù)CT 定位相選擇PET 的掃描范圍。全新的PET 優(yōu)先掃描流程如下：先進(jìn)行全身PET 掃描生成獨(dú)有的PET 定位相后，再進(jìn)行全身或感興趣區(qū)的CT 掃描[15]。該掃描流程不僅不需要CT 定位相掃描，有效減少了CT 定位相掃描的輻射劑量，還可以在PET 優(yōu)先掃描后根據(jù)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行局部CT 掃描，在保證診斷效力的同時(shí)進(jìn)一步減少了對(duì)患者的輻射[15]。

5 結(jié)語(yǔ)

Biograph mCT Flow 系統(tǒng)的每一次掃描都能為臨床提供超精細(xì)、高分辨力的圖像，其創(chuàng)新性的分子影像定量技術(shù)帶來(lái)的智能化、可精確、可重復(fù)的定量結(jié)果可幫助臨床醫(yī)師進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)病灶的了解。Biograph mCT Flow 系統(tǒng)簡(jiǎn)單、精準(zhǔn)的掃描范圍規(guī)劃可有效避免過(guò)度掃描和相關(guān)輻射問(wèn)題，簡(jiǎn)化了工作流程。同時(shí)，該系統(tǒng)集成了眾多獲得驗(yàn)證的解決方案，支持盡可能低的射線劑量使用，其連續(xù)進(jìn)床掃描技術(shù)為患者提供了更加舒適的檢查體驗(yàn)。

雖然該系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)PET 的進(jìn)床方式，實(shí)現(xiàn)了三維到四維的轉(zhuǎn)換，但目前仍然存在技術(shù)不夠成熟、價(jià)格太過(guò)昂貴以及無(wú)法批量生產(chǎn)等缺點(diǎn)。對(duì)于技術(shù)不成熟的問(wèn)題，可通過(guò)大量的臨床驗(yàn)證進(jìn)行軟件和算法方面的改進(jìn)；對(duì)于價(jià)格和生產(chǎn)問(wèn)題，可在保持核心材料和設(shè)備效力不變的情況下，適量縮減其他材料的預(yù)算，設(shè)計(jì)成更加經(jīng)濟(jì)的設(shè)備。未來(lái)PET 還可能會(huì)實(shí)現(xiàn)螺旋進(jìn)床，進(jìn)一步提高掃描速度和精度。