PET/CT 是 PET 與 CT 系統(tǒng)完美融為一體的核醫(yī)學(xué)設(shè)備，由 PET 提供病灶詳盡的功能與代謝等分子信息，而 CT 提供病灶的精確解剖定位，一次顯像可獲得全身各方位的斷層圖像。相比于獨(dú)立的 PET 和 CT，PET/CT 可以顯著提高診斷的靈敏度、準(zhǔn)確性，特異性及定位精確等特點(diǎn)，可一目了然的了解全身整體狀況，達(dá)到早期發(fā)現(xiàn)病灶和診斷疾病的目的，臨床上主要應(yīng)用于腫瘤、腦和心臟等領(lǐng)域重大疾病的早期發(fā)現(xiàn)和診斷。
2018 年發(fā)布的全球癌癥年報(bào)大數(shù)據(jù)，全球預(yù)計(jì)有 1810 萬(wàn)癌癥新發(fā)病例和 960 萬(wàn)癌癥死亡病例。在我國(guó)每 65 個(gè)人當(dāng)中就有 1 名癌癥患者，居死亡原因之首。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，目前各種治療方法對(duì)腫瘤的治愈率和生存率都不太能讓人滿意，主因是診斷太遲、分期不準(zhǔn)確、治療不徹底。由于 PET/CT 能夠觀察體內(nèi)細(xì)胞代謝的改變，故可以在結(jié)構(gòu)形態(tài)改變之前明確腫瘤原發(fā)灶的性質(zhì)（良惡性腫瘤的鑒別，腫瘤的分期、分級(jí)），有否全身轉(zhuǎn)移病灶存在（全身情況的評(píng)估），療效如何（在放療后數(shù)天，甚至數(shù)小時(shí)就可以觀察到腫瘤的治療效果，以及時(shí)調(diào)整治療方案，對(duì)治療不徹底的病灶進(jìn)行根治）等。除此之外，PET/CT在腦癲癇病灶手術(shù)前定位、腫瘤治療后放射性壞死與復(fù)發(fā)的鑒別、腦腫瘤惡性程度分級(jí)以及神經(jīng)疾病等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
▲2018年男女10大常見(jiàn)癌癥的病例和死亡分布情況
但PET/CT掃描帶來(lái)的輻射往往使人“談虎色變”。一次PET/CT全身檢查攝入的輻射量大約為7.5mSv。這是什么概念呢？人在自然界中，每年大約會(huì)受到2.4mSv的天然輻射，因此PET/CT檢查的劑量不可忽視。針對(duì) PET/CT 掃描中 CT 和注射的PET放射性藥物帶來(lái)的射線和射線的輻射劑量問(wèn)題，世界衛(wèi)生組織、國(guó)際放射委員會(huì)以及國(guó)際醫(yī)學(xué)物理組織制訂了醫(yī)療照射質(zhì)量保證和劑量控制標(biāo)準(zhǔn)，并極力主張 射線照射應(yīng)當(dāng)遵循實(shí)踐正當(dāng)性、防護(hù)最優(yōu)化的 ALARA（As Low As Reasonably Achievable）原則，期望以最小的射線和射線輻射劑量獲得最佳的診斷影像，同時(shí)進(jìn)一步降低 PET/CT 的檢查費(fèi)用和減少掃描時(shí)間。
然而，減少注射的放射性示蹤劑會(huì)放大泊松噪聲，從而影響PET的圖像質(zhì)量、病變檢測(cè)性和定量準(zhǔn)確性。在低劑量成像中，許多關(guān)鍵信息將被淹沒(méi)在增加的噪聲水平下，通過(guò)重新設(shè)計(jì)/優(yōu)化低劑量掃描的重建算法，以達(dá)到噪聲水平和信號(hào)收斂之間的最佳權(quán)衡。為了解決上述挑戰(zhàn)，人們提出了很多算法和技術(shù)，主要可以分為傳統(tǒng)算法和深度學(xué)習(xí)算法。其中，傳統(tǒng)算法主要包括重建后處理/過(guò)濾算法、解剖學(xué)指導(dǎo)算法、迭代重建過(guò)程中的統(tǒng)計(jì)建模，以及MRI指導(dǎo)下的噪聲去除和部分容積效應(yīng)校正等。雖然這些方法試圖將噪聲和定量誤差降到最低，但仍存在空間分辨率損失和過(guò)度平滑的問(wèn)題。
深度學(xué)習(xí)算法在解決復(fù)雜的逆向問(wèn)題方面具有公認(rèn)的能力，例如從投影中進(jìn)行圖像重建。使用深度學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)CT、PET和SPECT進(jìn)行圖像重建的過(guò)程有著大致相同的方法，目前主要有四種策略：第一種方法為圖像-to-圖像的學(xué)習(xí)過(guò)程，即在圖像空間中進(jìn)行圖像到圖像的轉(zhuǎn)換，訓(xùn)練一個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型將重建后的圖像通過(guò)去噪、超分辨率建模等方式提高圖像質(zhì)量。第二種方法為正弦圖-to-正弦圖的學(xué)習(xí)過(guò)程，即在投影域中訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)模型，提高正弦圖的圖像質(zhì)量，以避免對(duì)重建算法的敏感性和依賴性。第三種方法為正弦圖-to-圖像的學(xué)習(xí)過(guò)程，即通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模型學(xué)習(xí)投影域和圖像域之間的非線性映射關(guān)系，完全去除傳統(tǒng)的重建算法，一步產(chǎn)生圖像。第四種方法可稱為混合域?qū)W習(xí)，通過(guò)將重建算法與深度學(xué)習(xí)的融合，同時(shí)在投影域和圖像域來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)圖像重建問(wèn)題的最優(yōu)解。
如何在降低輻射的同時(shí)，進(jìn)一步提升醫(yī)學(xué)影像的質(zhì)量，是患者和醫(yī)生共同關(guān)心的問(wèn)題，這也正是明峰醫(yī)療著力攻克的技術(shù)難題。明峰醫(yī)療從2018年開(kāi)始在新型低劑量PET成像算法研究方面進(jìn)行了大量投入。在明峰研發(fā)團(tuán)隊(duì)的努力下，先后迭代了三代產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了快速、高清的低劑量PET成像。我們希望能帶來(lái)低成本、短時(shí)長(zhǎng)、高質(zhì)量的PET影像，致力于幫助更廣大的患者群體，讓醫(yī)院和第三方影像中心可以更加迅速地完成PET掃描，服務(wù)更多的患者。
▲明峰醫(yī)療全數(shù)字化高超端PET/CT ScintCare PET/CT 750T
當(dāng)前工業(yè)界一般使用的是圖像域低劑量PET成像算法，即在PET/CT設(shè)備輸出圖像之后，通過(guò)圖像后處理提升圖像質(zhì)量。由于低劑量PET圖像中存在的較大的噪聲，這些噪聲掩蓋了PET圖像中的諸多細(xì)微結(jié)構(gòu)，這種技術(shù)路線通常會(huì)導(dǎo)致圖像偽影，定量誤差以及細(xì)微結(jié)構(gòu)丟失等問(wèn)題。傳統(tǒng)PET成像在重建的過(guò)程中已經(jīng)損失了很多信息，后期僅對(duì)圖像的處理是極難恢復(fù)丟失的信息的，最終圖像質(zhì)量也很難提升。為了從源頭上解決圖像質(zhì)量問(wèn)題，明峰醫(yī)療和之江實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新地研發(fā)了基于PET原始數(shù)據(jù)和重建圖像的深度學(xué)習(xí)算法（第四類混合域?qū)W習(xí)）。該算法將AI深度嵌入到PET圖像重建過(guò)程中，利用深度學(xué)習(xí)來(lái)挖掘原始數(shù)據(jù)中的信息。通過(guò)結(jié)合PET重建的物理模型，將處理對(duì)象直接推進(jìn)至影像設(shè)備內(nèi)部的原始數(shù)據(jù)，并輔助重建算法來(lái)提高重建圖像質(zhì)量，大大減少了有效信息的丟失，從而獲取更清晰的PET圖像和更強(qiáng)的小病灶檢測(cè)能力。
在明峰醫(yī)療和之江實(shí)驗(yàn)室的共同努力下，這套自主研發(fā)的算法能夠直接賦能影像設(shè)備，形成軟硬件一體化系統(tǒng)。臨床評(píng)估顯示，明峰醫(yī)療研發(fā)的超低劑量PET重建技術(shù)，能夠在減少身體掃描50%輻射劑量、頭部掃描70%輻射劑量的情況下，實(shí)現(xiàn)信噪比、分辨率、定量精度的多目標(biāo)優(yōu)化。
超低劑量PET成像展示
病例信息：
▲左：50%低劑量圖像，右：新型AI重建圖像
上圖中，新型AI重建圖像的噪聲水平大大低于傳統(tǒng)低劑量重建結(jié)果（約為原來(lái)的50%），圖像信噪比顯著提升。
▲左：30%劑量重建圖像 中：新型AI重建圖像 右：全劑量圖像
上圖中，30%劑量下重建圖像噪聲水平非常高，圖中部分細(xì)微結(jié)構(gòu)丟失(右圖中，如紅色箭頭所示，全劑量圖像下顯現(xiàn)的結(jié)構(gòu)在低劑量圖像中缺失)，新型AI重建算法不僅在噪聲上優(yōu)于低劑量圖像，另外由于充分利用原始數(shù)據(jù)，成功恢復(fù)出丟失的結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。
