低剂量正电子发射乳腺成像(PEM)中延长[18F]FDG摄取时间的图像质量建模

《Frontiers in Oncology》：Modelling image quality over extended [18F]FDG uptake times for low-dose positron emission mammography

　　

摘要
引言：本研究采用动力学建模方法，探讨了[¹⁸F]氟代脱氧葡萄糖（[¹⁸F]FDG）摄取时间对低剂量正电子发射乳腺成像（PEM）图像质量的影响。
方法：研究人员对13名新诊断乳腺癌女性的15个恶性病灶进行了低剂量[¹⁸F]FDG PEM成像。利用基于群体的动脉输入函数（AIF）和双组织房室模型生成了肿瘤和正常乳腺组织的时间-活性曲线（TACs）。在1、2、5和10 mCi（37、74、185和370 MBq）的[¹⁸F]FDG剂量下进行建模，并在6小时摄取期间使用对比噪声比（CNR）评估图像质量。
结果：将摄取时间延长至1小时临床标准之后，所有剂量下的CNR均显著改善，且比例增益相当。相对于注射后1小时，CNR在1.5小时、2小时和3小时分别增加约30%、53%和77%，尽管3小时及以后的变异性增大，尤其是在最低剂量（1 mCi）下。研究还发现，摄取时间的相对较小变化会导致标准化摄取值（SUV）产生显著变化。
讨论：这些发现表明，即使在1小时临床标准基础上仅延长30分钟摄取时间，也可能显著提高低剂量[¹⁸F]FDG PEM的图像CNR。SUV对摄取时间微小变化的敏感性支持在治疗反应评估中密切匹配基线和随访扫描之间的摄取时间。总体而言，这些建模结果鼓励进一步开展优化摄取时间方案的临床研究，这可能有助于未来更广泛地采用低剂量PEM。
临床试验注册：https://clinicaltrials.gov/study/NCT03520218，标识符NCT03520218。

**低剂量PEM中延长[¹⁸F]FDG摄取时间的图像质量建模研究解读**

**1. 研究背景与目的**
乳腺X线摄影在致密乳腺女性中的灵敏度受限，致密纤维腺体组织可掩盖恶性病灶，导致假阴性和假阳性结果。正电子发射乳腺成像（PEM）作为功能成像手段，不受乳腺密度相关的衰减遮蔽影响，可显示组织的代谢活性。然而，PEM用于筛查时需将辐射剂量降至与常规乳腺筛查相当的水平，例如≤2 mCi的[¹⁸F]FDG注射剂量。低剂量下图像噪声相对增加，可能损害病灶可见性。延长摄取时间是一种提高肿瘤-背景比值的潜在策略，但此前尚无研究评估新式器官靶向PET系统在低剂量（≤2 mCi）下延迟成像的效果。本研究利用Radialis PET Imager获得的临床图像数据，通过动力学建模系统评估低剂量PEM在6小时摄取窗口内CNR随时间和剂量的变化，为优化低剂量PEM采集方案提供定量依据。

**2. 研究方法概述**
研究数据来自一项单中心初步临床评估（University Health Network Princess Margaret Cancer Centre，ClinicalTrials.gov注册号NCT03520218），包含13名新诊断乳腺癌女性的15个恶性病灶（3个导管原位癌、11个浸润性导管癌、1个浸润性小叶癌），其中7名接受2 mCi、6名接受5 mCi的[¹⁸F]FDG注射。每个病灶在注射后约2小时和4小时分别采集两个体位的静态图像，共4个图像系列。研究人员利用双组织房室模型描述[¹⁸F]FDG在血浆、自由组织和磷酸化组织间的交换，并结合基于群体的动脉输入函数（AIF）生成肿瘤和正常乳腺组织的时间-活性曲线（TACs）。采用序列最小二乘规划（SLSQP）算法优化8个动力学参数，通过多起点和边界探索生成17个参数向量（1个基线θ0和16个边界θmin/max）以刻画参数不确定性。利用均匀填充的静脉输液袋实验建立了特定于Radialis系统的噪声-活性参考曲线，据此估算随时间变化的背景噪声。随后模拟1、2、5和10 mCi四种剂量下的CNR曲线。统计采用线性混合效应模型、配对Wilcoxon符号秩检验等，并对多重比较进行Dunnett或Holm校正。

**3. 主要结果**
**3.1 模拟时间-活性曲线**
肿瘤TACs的幅度显著高于正常乳腺背景组织；肿瘤活性先升至峰值后下降，部分在6小时内呈现浅平台，而背景活性多呈单调递减后趋于低幅平台。低摄取肿瘤对参数变化表现出更大耐受性。基线参数集中，肿瘤去磷酸化速率常数（k_4T）和背景磷酸化速率常数（k_3B）分别明显偏向最大值和最小值。

**3.2 模拟CNR曲线**
CNR曲线的峰值位置受四个采样点相对大小影响：若前两个采样点CNR低于后两个，峰值通常出现在后两个采样点附近；反之则出现在前两个采样点附近；若四个采样点数值相近，峰值则位于两组采样点之间。

**3.3 不同剂量模拟**
通过调整AIF缩放因子模拟1、2、5和10 mCi剂量。降低剂量导致CNR曲线幅度和峰值降低，且75%的参数集中达到峰值所需摄取时间缩短。15个病灶基线曲线的平均峰值时间从1 mCi组的3.0小时逐步延长至10 mCi组的3.4小时。

**3.4 延迟摄取时间的CNR**
与1小时标准相比，CNR在1.5小时平均增加约30%（95% CI 20–42%），2小时增加约53%（41–67%），3小时增加约77%（62–92%），各延迟时间点均有统计学意义（Dunnett校正p<0.001）。剂量每加倍，CNR约增加16%。虽然3小时增益最大，但该时间点参数不确定性最宽，且在1 mCi时最差情况下CNR可下降35%；1.5–2小时的增益稳健且变异性较小。

**3.5 病灶摄取评估（SUVpeak）**
从1小时至1.5小时，SUVpeak平均变化14%–17%，部分TACs变化高达30%。在1小时后的前10分钟内，SUVpeak平均增加5%–6%，个别可达11%。

**3.6 可检测性评估**
依据Rose准则（CNR≥5），所有浸润性病变在1小时时即可被可靠检测。一个3级DCIS病变在1 mCi下1小时时仅4/16条边界曲线达到阈值，至1.5小时增至12/16，2小时时全部16条均达到；在2 mCi下该病变于1.5小时全部达到阈值；5和10 mCi下在所有时间点均可检测。

**4. 讨论与结论**
讨论部分指出，将摄取时间延长至1.5–2小时可在低剂量下提供显著的CNR改善，且比3小时更具临床可操作性，并避免低剂量下3小时时出现的较大不确定性。该策略可使平均有效全身辐射剂量低于1 mSv，与数字乳腺摄影相当，因此支持在剂量敏感人群中开展PEM筛查。此外，SUV对摄取时间微小变化的敏感性说明在治疗反应评估中必须严格匹配基线与随访扫描的摄取时间。研究局限性包括：基于延迟静态图像而非动态采集、使用群体AIF而非个体化AIF、样本量小、病灶均≥1.2 cm、CNR不等同于诊断性能、结果与Radialis系统性能相关。
结论翻译：在本研究中，研究人员利用肿瘤和背景时间-活性曲线的动力学模型，为调整低剂量PEM方案中的[¹⁸F]FDG摄取时间提供了定量依据。模拟结果表明，当注射活性降至约1和2 mCi时（该剂量范围特别适用于高灵敏度PEM潜在未来乳腺癌筛查等剂量敏感应用），将采集窗口延长至注射后1.5–2小时可提高病灶可见性。这些发现值得进一步研究，以优化低剂量[¹⁸F]FDG PEM方案，促进高灵敏度乳腺成像在常规X线乳腺摄影效果不佳的女性群体（如致密乳腺或乳腺癌高危女性）中的临床应用。研究还表明，摄取时间的小幅变化可显著影响SUV，强调了在用于治疗反应评估的随访成像方案中需更严格地标准化摄取时间。