Biograph mCT Flow 系统的优势分析

高克承，郭云出，张 毅，岳 超，葛 煦*

（1.空军军医大学，西安 710032；2.联勤保障部队第970 医院医学工程科，山东烟台 264000）

0 引言

PET 是一种利用正电子发射体的核素标记一些生理需要的化合物或代谢底物，通过正电子扫描机而获得体内化学影像的技术。其通过病灶部位对示踪剂的摄取来了解病灶部位的功能代谢状态，以此做出诊断[1-3]。PET 作为一种先进的核医学影像手段，以能显示脏器或组织的代谢活性及受体的功能与分布受到广泛重视，也被称为“活体生化显像”。

PET 技术从20 世纪90 年代开始进入临床使用，目前已日趋完善，成为了诊断和治疗肿瘤的最优工具。近年来，我国医院内PET 的装机量迅猛增长，检查日益普及，但仍存在价格昂贵、扫描方式受限等缺点。PET 的扫描方式分为步进扫描和连续进床扫描，但由于技术水平受限、床位运行方式固化，PET一直采用传统且单一的步进扫描（如图1 所示），且其扫描速率和影像质量也受床位运行方式的影响。到目前为止，PET 扫描仍然按照床位序列进行，数据采集与病床运动交替工作，扫描方式受探测器阵列固定大小的限制[4]。此外，步进扫描的固有复杂性限制了PET/CT 成像的常规使用，且经常导致剂量增高、患者焦虑增多、检查效率降低以及因患者运动造成图像质量降低的问题。在实际使用中，面对不同的患者和疾病，近乎一致的扫描流程使医生无法兼顾图像质量和检查速度。

为了实现PET 更灵活的应用，可使PET 由步进扫描变为连续进床扫描。若想实现PET 连续进床扫描，将面临三大难题：（1）如何在原有数据的基础上精确定位数据发生的时间点；（2）如何及时有效地整合包含时间点的动态信息；（3）需要一种新型算法来处理这些动态信息以获得可用于临床的影像结果[5-6]。这一过程意味着PET 将实现从三维到四维的跨越[7]。一种结合PET 和CT 的全新系统——Biograph mCT Flow 系统应运而生。该系统成功解决了改进进床方式的技术难关（如图2 所示），通过高度密集矩阵、改变门控方式大幅度提高了PET 的扫描速度。本文将从原理和核心技术上对Biograph mCT Flow 系统进行简要阐述，以期为医院设备科管理和维修相关产品提供理论依据。

图1 步进扫描示意图

图2 Biograph mCT Flow 系统连续进床扫描示意图

1 Biograph mCT Flow 系统工作原理

Biograph mCT Flow 系统结合了 PET 与 CT 的技术特点：PET 系统对注入到人体中的放射性药物进行检测与成像，CT 系统生成人体的断层图像，采用FlowMotionTM流式扫描技术规划和扫描基于单个病床的连续动作，最后由计算机重建来自不同角度的同一轴面或螺旋面的X 射线数据，在正确剂量下形成精准图像，做到床位利用率最高、扫描成像无重叠以及辐射剂量最低。

2 Biograph mCT Flow 系统关键技术及软硬件支撑

为了实现PET 显像从三维到四维的跨越，Biograph mCT Flow 系统应用了以下技术及软硬件来实现连续成像[8]。

2.1 关键技术

2.1.1 矩阵魔方

与扫描速率和显像质量一样，PET 的扫描速度和采集矩阵也受制于床位，这2 个参数一经设定就无法改变。若患者扫描时使用同一种采集模式将会完全忽视个体和疾病的异质性。以淋巴瘤患者为例，医生无法在单次图像采集中既获得头颈部高清、高对比显像，又实现下肢全面、快速的检查。

矩阵魔方是Biograph mCT Flow 系统的一种使图像采集灵活多变的关键性技术，具有0.1～10 mm/s精准的亚毫米级速度控制和128×128～400×400 的可变焦矩阵设定，如图3 所示。矩阵魔方技术的应用使Biograph mCT Flow 系统单次扫描既能获得所关注部位极精细的细节显示，又能实现全身扫描，缩短了检查时间，进一步提高了检查通量。矩阵魔方实际应用效果如图4 所示。

图3 矩阵魔方示意图

图4 矩阵魔方实际应用效果

2.1.2 植入式门控

PET 检查约有90%的情况会涉及到肺部或上腹部病灶的诊断，而呼吸运动会导致图像“模糊”，继而降低诊断置信度[9]。Biograph mCT Flow 系统的植入式门控技术能消除呼吸运动带来的影响，协助医生对肺部、上腹部的诊治。传统的床位扫描模式只能在全身扫描之后加做单床位的局部门控显像。复杂的检查流程不仅费时费力，还会降低受检者的依从性。同时，固定的轴向视野无法包含整个肺部，往往会导致肺尖部漏诊的发生。

植入式门控技术可在单次扫描中加载感兴趣区域的门控显像，范围可以根据实际情况进行设置。该技术在提高诊断置信度的同时，大幅缩短了检查时间。植入式门控的肺部病变显示效果图如图5 所示，可以清晰地观察到病变部位。该技术将目前受采集时间限制而极少开展的呼吸门控工作引入了日常扫描中，提高了医生对肺部病变的诊断准确率。

图5 植入式门控显像

2.2 软硬件支撑

2.2.1 炫动500 环

床位参数是CT 和PET 在制订扫描计划及扫描模式时的最大区别。PET 由于床位限制，患者必须以床位为最小单位进行扫描范围的选择，即固定轴向视野[10]，如图6（a）所示。CT 可以根据患者的实际情况任意设定扫描范围和参数[10]，如图6（b）所示。在扫描过程中，为了保证图像质量进行的床位重叠操作会延长患者的检查时间。同时，如果床位重叠不充分，会导致轴向信号不均一，继而影响标准摄取值（standard uptake value，SUV）定量的准确性[10]。环数是衡量PET 成像优劣的重要指标。环数越多，轴向视野就越大。为了实现一个床位覆盖全身，至少需要500 环。

图6 固定轴向视野和任意轴向视野的比较[10]

炫动500 环使PET 和CT 一样可任意设置轴向视野（3～195 cm），满足临床全身扫描的需求——既可实现极小轴向范围内的聚焦扫描，又可实现任意器官到全身的全覆盖扫描，打破了床位化扫描的弊端。炫动500 环全身成像示意图如图7 所示。

图7 炫动500 环全身成像示意图

炫动500 环消除了床位重叠的问题，使扫描轴向均一、灵活、流畅。炫动500 环对患者脑部检查的应用如图8 所示，可以明显看出肿瘤区域减少。综上所述，炫动500 环技术对于人体精细部位的检查具有一定优势。

2.2.2 病患定制黑匣子

图8 炫动500 环对患者脑部检查的应用

病患定制黑匣子给每位患者制定了专属的PET检查流程和随访方式，可以记录每次的扫描信息，包括扫描参数、选用的重建算法、PET 技术信息和心脏/呼吸门控扫描过程中的心跳/呼吸次数，方便检查后的归档和随访中的参数设置对比以及科研调研的信息汇总分析。Biograph mCT Flow 系统实现了自由的扫描范围、扫描速度和高级扫描技术的设定，使医生可根据患者的实际情况制订扫描计划。

3 FlowMotionTM 三大核心技术

Biograph mCT Flow 系统能够实现四维连续扫描的动态PET 成像，除了上述关键技术和软硬件支撑外，FlowMotionTM三大核心技术也起着关键性作用。

3.1 磁力患者载控系统（magnetically driven patient bed）

想要实现连续动态的PET 成像，需要精确定位数据发生的时间点，即要精准控制检查床的位置和速度。Biograph mCT Flow 系统采用磁力传动病床（如图9 所示），取代了传统皮带-齿轮传动病床，不仅使进床更平滑，还加载了精确化定位控制系统，使位移精度和进床速度、精度都控制在亚毫米级。同时，在扫描中还实现了动态PET 数据同步位置编码信息的共享储存，且病床的零弯曲确保了PET 与CT 图像的准确融合[11]。

图9 磁力患者载控系统示意图

3.2 固态电子架构（solid-state electronic architecture）

为实现及时有效的大数据整合，西门子采用了基于PETLINKTM 数据流缓冲区（PETLINKTM stream buffer，PSB）的固态电子架构体系。该体系能将连续进床扫描时产生的所有数据以最快的速度、最完整的方式实时记录，并随时处于预读取状态[9，12-13]，有效提升了图像的数据采集效率。

3.3 动态数据处理（dynamic data processing）

在成像计算上，连续进床扫描带来的动态数据需要新算法。与基础的静态数据处理不同，全新的动态数据处理算法将所有训练性能差异、进床速度变化、不同位置信息的死时间、放射源衰变等因素全部计算在内，可识别动态响应线，完成归一化校准，将数据流模拟为3D 数据段，最终获得重建数据。

4 应用优势

Biograph mCT Flow 系统的应用逐渐广泛，具有以下优势：

（1）实时动态结果。依托超高速计算机集群和信息处理，在PET 连续进床扫描过程中，同步显示PET扫描结果。医生可第一时间对受检者做出初步判断，决定是否需要延迟显像[14]。尤其是在ListMode 采集模式下，大幅缩短了重复（Replay）时间，实现了即时PET 动态分析。

（2）优先的扫描流程。传统的PET/CT 检查需要先进行CT 定位相扫描，而后根据CT 定位相选择PET 的扫描范围。全新的PET 优先扫描流程如下：先进行全身PET 扫描生成独有的PET 定位相后，再进行全身或感兴趣区的CT 扫描[15]。该扫描流程不仅不需要CT 定位相扫描，有效减少了CT 定位相扫描的辐射剂量，还可以在PET 优先扫描后根据发现的问题进行局部CT 扫描，在保证诊断效力的同时进一步减少了对患者的辐射[15]。

5 结语

Biograph mCT Flow 系统的每一次扫描都能为临床提供超精细、高分辨力的图像，其创新性的分子影像定量技术带来的智能化、可精确、可重复的定量结果可帮助临床医师进一步增强对病灶的了解。Biograph mCT Flow 系统简单、精准的扫描范围规划可有效避免过度扫描和相关辐射问题，简化了工作流程。同时，该系统集成了众多获得验证的解决方案，支持尽可能低的射线剂量使用，其连续进床扫描技术为患者提供了更加舒适的检查体验。

虽然该系统改变了传统PET 的进床方式，实现了三维到四维的转换，但目前仍然存在技术不够成熟、价格太过昂贵以及无法批量生产等缺点。对于技术不成熟的问题，可通过大量的临床验证进行软件和算法方面的改进；对于价格和生产问题，可在保持核心材料和设备效力不变的情况下，适量缩减其他材料的预算，设计成更加经济的设备。未来PET 还可能会实现螺旋进床，进一步提高扫描速度和精度。