一种用于PET/CT呼吸运动伪影校正性能测试的动态体模设计
胡红波1，胡莹1，丘志芬2，刘鸿翔1
1.广州军区联勤部药品仪器检验所 放射室，广东 广州 510080；2.梅州市人民医院 核医学科，广东 梅州 514031
[摘 要]目的设计一种呼吸运动伪影校正性能测试体模，定量分析PET/CT呼吸门控系统的运行效果。方法 本体模的胸腔模型是基于美国国家电器制造商协会的图像质量测试体模设计，其上预留了相同内径的孔径用来插入内容物。胸腔模型内容物是一个内部包含不同直径的空心球的圆柱体。空心球内部灌注FDG溶液，用来模拟肺部肿瘤的大小。通过一部高精度电机控制胸腔模体的升降，模拟人体呼吸时胸腔的扩张与收缩；通过另一部高精度电机控制肿瘤模拟物的旋转与进出，模拟肺部肿瘤随胸腔呼吸的运动轨迹。结果初步实验结果与标准图像对比，判断肿瘤在3个维度上的偏差为轴向12.42 mm，冠状13.36 mm，矢状12.28 mm，与临床研究的结果相一致，表明本呼吸运动伪影校正性能测试体模能够定量评价各呼吸运动控制方法呼吸伪影的校正效果。结论该动态体模操作方法简单，不受临床医护人员的操作经验和实验对象个体差异的干扰。使用高精度的电机控制模体运动，降低了实际操作中的系统误差和随机误差的影响，同时保证了实验的可重复性。
[关键词]PET/CT；呼吸运动伪影；性能测试；动态体模；肺部肿瘤
引言
肺癌是常见的恶性肿瘤，也是死亡率增长最快的恶性肿瘤[1-2]，由于肺癌早期临床表现不明显，确诊时大部分患者已经进入晚期，因此肺癌的早期诊断对提高患者生存率和生存质量十分必要。研究表明，PET/CT作为一种功能成像的影像诊断技术，在肺癌早期筛查和诊断上具有其他结构型显影技术无可比拟的优势，但其成像效果受呼吸运动的影响较大。PET成像中的人体呼吸运动会造成图像模糊，严重影响PET的图像质量，对医生诊断造成很大影响。此外由于人体呼吸运动的周期性以及PET和CT扫描时间的不同，PET/CT图像融合时会产生一定伪影[3-5]。临床研究表明,病人的呼吸运动是造成PET成像图像模糊的重要原因之一，将会导致图像质量的严重降低。所以，为了降低呼吸运动对对医生的诊断结果造成的影响，临床上发展了多种方法，总的可以分成5大类：① 运动包围法；② 呼吸门控技术；③ 屏气呼吸技术；④ 被动浅呼吸方法；⑤ 呼吸同步技术[6]。
这几种方法临床运行效果各不相同，目前对其进行效果评估的方法主要是通过临床病例收集，再进行统计分析来进行的。但这种方式存在以下缺点：首先，为了获取具有统计学意义的结果，需要收集大量临床病例，通常需要持续数月甚至数年的研究，时间成本较高；其次，临床病例存在个体差异，即每个病人的呼吸模式均不完全相同，对实验结果的影响较大[7]；再者，临床试验不具备重复性，不利于各呼吸伪影校正方法之间的横向比较；最后，临床试验不具备复现性，对结果存疑时，无法查证影响因素。
我国目前并无PET/CT的计量检测或质量控制标准，现行国家推荐标准GB/T18988.1-2013《放射性核素成像设备性能和试验规则—第1部分：正电子发射断层成像装置》仅规定了PET/CT性能和试验规则,目前国内对新装机设备的验收主要是依据美国国家电器制造商协会（National Electrical Manufacturers Associations，NEMA）NU2-2007《Performance Measurements of Positron Emission Tomography》进行，这几种标准都未涉及PET/CT呼吸门控系统评估的方法和设备[8]。本研究为了解决这一问题，拟设计一种呼吸门控系统测试体模，基本思想是通过模拟人体肺部的呼吸运动，定量分析PET/CT门控系统的运行效果。
1 设计内容
1.1 体模材料
检测体模的外形是基于NEMA的图像质量测试体模设计的。在材料的选择上，由于PET/CT依靠获得的CT图像来提供解剖学信息，所以我们主要依据CT值的差异作为体模材料的选择标准。常用材料有特氟隆（Teflon，高密度物质，用于模拟人体内的骨头，标准CT值：990)、丙稀（Acrylic，用于模拟人体组织，标准CT值：120）、低密度聚乙稀 (Low Density Polyethylene，LDPE，用于模拟人体脂肪，标准CT值：-100)、空气（用于模拟人体内的空腔，标准CT值：-1000）。由于人胸腔主要是由肺部组织构成，本体模的设计目的也是模拟人体肺部的呼吸运动，同时考虑到其具有易于加工的优点，所以选择丙烯作为模体的主要材料。
与NEMA图像质量测试体模不同的是，体模上预留了10个相同内径（r=25 mm）的空洞用来插入内容物（见图1）。内容物是一个内部包含不同直径（分别为10、13、17、22、28和35 mm）的空心球的圆柱体。空心球内部可以灌注FDG溶液，用来模拟肺部不同肿瘤的大小。与胸腔模型类似，圆柱体和空心球都是由丙烯材料制作的。空心球在圆柱体中的位置有两种：一种与圆柱体为同心结构，另一种为非同心结构，随着圆柱体运动时肿瘤模拟物的运动轨迹也不相同，运动方式和幅度都有区别（见图2）。这样，我们采用的圆柱体一共有两组共计12个。在实际检测中，根据检测目的不同，可以选择在模体孔径中插入一个或多个不同的圆柱体。
图1 胸腔体模的示意图
图2 肿瘤模拟物（可灌注FDG溶液的空心球）在圆柱体内的位置示意图
1.2 体模运动
呼吸运动是一种半自主运动，不同个体之间的呼吸模式各不相同，还会受到一些无法控制因素例如咳嗽的影响，但相对其他生理信号来说，人类呼吸运动又有着相对稳定的周期。根据以往的研究发现，从呼吸运动的频率上看，较为典型的呼吸运动是12～20次/min关于呼吸运动的幅度各种研究的结果各不相同，但总体来说，最大幅度一般不超过40 mm[9]。从运动形式来说，呼吸运动可以看成是几种运动的叠加或综合，在吸气相和呼气相，呼吸运动基本上保持匀速运动。在吸气相和呼气相交接处，呼吸运动呈现出变速运动，其中在吸气末和呼气末处于减速状态，在吸气开始和呼气开始处于加速状态。单一的匀速运动模型或变速运动模型都不能很好的描述呼吸运动的动态过程。对呼吸运动的模拟将决定肿瘤运动的形式，并直接影响系统检测结果的可信程度。
关于呼吸运动的建模在影像引导放射治疗领域内研究的较多，Lujan等在1999提出了以修正的余弦函数来对呼吸运动建模，被证明适用于对称的肿瘤运动，同样的研究Seppenwoolde等在2002也进行过[10]。Neicu等在2003基于肿瘤平均运动的轨迹上建立了波形模型，该模型被归一化和平均，用来更好的描述肿瘤的特征运动。这较好的契合了本研究的需求，因此我们将重点关注这一呼吸运动模
型[11]。
在这个模型中，一个正常的呼吸周期为将被分为3个阶段：呼气（Exhale，EX），呼气末（End-of-Exhale，EOE）和吸气（Inhale，IN）,而呼吸异常是由一个不规则的呼吸状态表示。这个模型被证实可以准确地描述各种各样的病人呼吸模式，见图3。
图3 一种典型的呼吸运动模式
该呼吸运动的模型基于大量临床数据收集，存在如下规律：
（1）运动周期。整个呼吸周期持续的时长4～10 s，约70%处于3～5 s的范围内，其中EX、IN阶段的平均周期约为1 s，EOE阶段持续时间较长，约1.5～6.5 s,平均时长为4 s。
（2）运动距离。呼吸运动运行的距离处在5～25 mm的范围，平均为14.6 mm。其中EX阶段运行的平均距离是5.9 mm，标准方差是1.7 mm，IN阶段运行的平均距离为7.3 mm，标准方差为1.8 mm，EOE阶段运行的平均距离为1.3 mm，标准方差为0.7 mm，在此阶段99%的运行距离小于2 mm，并且3个阶段的运行距离大致存在这样的关系，即IN阶段的运行距离约等于EX阶段和EOE阶段的总和。
（3）运动速度。EX阶段器官的运行速度为0.6～28 mm/s，平均值为14.5 mm/s，EOE阶段器官的平均运行速度为2.8 mm/s，在此阶段93%的运行速度＜5 mm/s，在IN阶段器官的平均运行速度为2.5～22.6 mm/s，平均值为9.9 mm/s。整个呼吸周期的平均速度约为13.2 mm/s。
为了准确模拟这种呼吸运动，我们选用两个电机进行速度和幅度控制。其中一个控制胸腔体模的升降，幅度范围为±20 mm,另一个电机控制胸腔上内容物的旋转和进出，幅度范围为0～20 mm,两个电机的精度都为0.1 mm，通过两个电机的配合，即可使肿瘤模拟物随胸腔的运动做近似呼吸运动。
2 评估方式
具体的呼吸伪影校正性能评估步骤如下：
（1）体模摆位。将胸腔升降电机的位置归零，打开PET/CT的定位激光灯，使胸腔体模的中心位于PET/CT检测视野的正中心，见图4。
图4 动态体模在PET/CT中的摆位示意图
（2）FDG溶液灌注。根据检测目的的不同，可选取不同直径大小的肿瘤模拟物灌注FDG溶液，灌注完毕后，将肿瘤模拟物插入胸腔孔径中。
（3）静态扫描。肿瘤模拟物插入完毕后，PET/CT进行静态扫描，融合后得到的图像作为呼吸伪影校正性能评估的标准图像。
（4）动态扫描。开启两个电机，设置不同的呼吸运动模式（速度、幅度、周期等），使胸腔体模和肿瘤模拟物模拟不同的呼吸运动，PET/CT进行动态采集，图像融合后作为呼吸运动伪影的评估图像。
（5）性能评估。将评估图像与标准图像对比，判断肿瘤在3个维度上的偏差，根据临床数据，设定不同的加权，得出最后的偏移量，见图5。
图5 图像评估示意图
3 初步结果
本研究前期主要集中在体模的模型设计及呼吸运动模拟参数的设置。前期对湖北、湖南、广东、广西、海南五省（自治区）的13家部队医疗机构的14台临床PET/CT进行了核查，重点分析了各类设备呼吸门控系统的类型及原理（具体分析结果已经成文待发表）。
试验目前处于初级阶段。如图5所示，采用的PET/CT设备为某主流机型（孔径70 cm，晶体材料为硅酸镥，CT排数为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）浓度的18F-FDG 溶液。将配好的溶液静置45 min后，注入直径10 mm的空心球中，插入体模，设置不同的呼吸运动模式，使胸腔体模和肿瘤模拟物模拟不同的呼吸运动，PET/CT进行动态采集，扫描模式为常态扫描，采集床数为1，持续时间为1.5 min，重建方法为OSEM,迭代次数为2，迭代子集为8，图像缩放为1.0，采用Gausian过滤，FWHM为5 mm。
最后实验的结果与标准图像对比，判断肿瘤在3个维度上的偏差为：轴向12.42 mm，冠状13.36 mm，矢状12.28 mm。表明了病人呼吸运动对最后的PET/CT诊断图像确实存在较大影响，这也与临床研究的结果相一致。受时间和实验条件的限制，本次实验并未涉及不同呼吸控制方法效果的评估，但本次实验证明通过体模来定量分析呼吸控制的效果是可行的。其他类型PET/CT相应试验的数据处理及分析将继续进行。
4 其他应用
该体模的应用还可以延伸于其他方面。例如病人标准摄取值（Standardized Uptake Value ，SUV）的校正。
临床肺部PET/CT显像结果评估时，受呼吸运动的影响，可以发现近球形的肺结节可能呈椭圆形或短棒状，靠近肺底的病变尤其明显，其SUV值会显著降低，从而严重影响对疾病的诊断和疗效评估。通过比较不同大小阳性球状灶静止和呼吸运动时测得的SUV，发现对于同样大小的球状灶，呼吸运动时的SUV总是小于静止时的SUV，但测量体积相应增大[12]。二者的乘积即总放射性是不变的，即：
在临床检测时，我们可以认为SUV静是我们判断恶性肿瘤与否的真实值，但这个值通常是很难直接检测出来的。这里我们可以采用动态体模来模拟病人的呼吸运动，通
过分析病人的呼吸频率、速度、幅度等，即可得出近似的
根据公式(2)，可推断出SUV静的大小。
5 结束语
PET作为一种功能成像的影像诊断技术，在肺癌早期筛查和诊断上具有其他结构型显影技术无可比拟的优势。但是PET成像的结构成像性能不如CT和MRI。PET成像中的人体呼吸运动会造成图像模糊，严重降低PET的图像质量，对医生诊断造成很大影响[13]。此外由于人体呼吸运动的周期性以及PET和CT扫描时间的不同。使得PET/ CT图像融合时会产生一定伪影[14]。本研究为了解决这一问题，拟设计使用一种动态体模模拟肿瘤随肺部呼吸产生的运动[15-16]，对PET/CT呼吸运动伪影校正性能进行定量评估，该方法操作简单，不受临床医护人员的操作经验和实验对象个体差异的干扰。使用高精度的电机控制模体运动，降低了实际操作中的系统误差和随机误差的影响，同时保证了实验的可重复性[17]。此外，该套体模还可以应用于不同图像处理算法的评估及临床运动病灶SUV值的修正[18]，通过更换内插件，该模体还可应用于肺癌放射治疗的手术规划。
[参考文献]
[1] 周有尚,张思维,李连弟.我国人口死亡和恶性肿瘤死亡情况分析[J].中国肿瘤,1997(10):9-12.
[2] Chen WQ,Zhang SW,Li LD,et al.An analysis of lung cancer incidence and mortality from 30 cancer registries in China, 1998-2002[J].Bull Chin Cancer,2006,15(9):570-574.
[3] 潘李鹏.基于运动特征提取的PET图像呼吸运动校正研究[D].昆明:昆明理工大学,2012.
[4] 赵军,林祥通.关于PET/CT临床应用的若干问题[J].中华核医学杂志,2005,25(2):69-71.
[5] 陈秋松,李大成,赵春雷,等.呼吸运动对PET/CT显像诊断右上腹病灶的影响[J].中华核医学杂志,2005,25(4):244-245.
[6] 张岩.PET/CT门控技术对肺底小病灶SUV的影响[J].当代医学,2011,17(13):21-22.
[7] Nehmeh SA,Erdi YE,Ling CC,et al.Effect of respiratory gating on reducing lung motion artifacts in PET imaging of lung cancer[J].Med Phys,2002,29(3):366-371.
[8] 安晶刚.基于NEMA标准的GEMINIGXL型号PET的性能检测[J].中华放射医学与防护杂志,2010,(5):579-580.
[9] 武志芳.PET/CT呼吸门控显像对肺部结节的应用研究[D].太原:山西医科大学,2011.
[10] 贺建峰.数字几何体模仿真呼吸运动[J].系统仿真学报,2010, (9):2227-2230.
[11] 许全盛.PET/CT图像呼吸运动伪影校正方法与应用研究[D].北京:清华大学,2011.
[12] 任洪荣.模拟呼吸运动模体在非小细胞肺癌PET-CT定位中的运用[D].北京:清华大学,2013.
[13] Liu HH,Balter P,Tutt T,et al.Assessing respiration-induced tumor motion and internal target volume using four-dimensional computed tomography for radiotherapy of lung cancer[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys,2007,68(2):531-540.
[14] Wu H,Sharp GC,Zhao Q,et al.Statistical analysis and correlation discovery of tumor respiratory motion[J].Phys Med Biol, 2007,52(16):4761.
[15] 王瞳,邢海群,郭宁,等.PET/CT显像中呼吸运动对肺结节SUV的影响及其校正[J].现代仪器与医疗,2014,20(5):18-21.
[16] 许全盛,袁克虹,于丽娟,等.PET/CT图像呼吸运动伪影校正研究进展[J].中国生物医学工程学报,2009,28(4):573-580.
[17] 胡红波,邵高峰,丘志芬.一种PET/CT呼吸门控系统的设计[J].医疗卫生装备,2016,37(2):29-31.
[18] 陈少卿.PET-CT扫描引导下肺癌精确放疗的运动体模试验研究[D].天津:天津医科大学,2007.
本文编辑 张丹妮
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
Abstract：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.
Key words：PET/CT; respiratory motion artifact; performance test; movable phantom; lung tumor
[中图分类号]R734.2；TH774
[文献标识码]A
doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2017.01.008
[文章编号]1674-1633(2017)01-0030-04
收稿日期：2016-07-05
修回日期：2016-09-07
基金项目：全军医学科技青年培育计划（16QNP048）。
通讯作者：刘鸿翔，高级工程师，主要研究方向为大型医疗设备的检测与维修。