-
多巴胺转运体(dopamine transporter,DAT)是一种膜蛋白,属于Na+/Cl-依赖性转运蛋白,位于多巴胺能神经元突触前膜的多巴胺能再摄取位点,调控突触间隙内多巴胺的浓度。国内外研究结果显示,DAT相关基因的异常与帕金森病(Parkinson′s disease,PD)的发生相关[1-3]。DAT能间接反映黑质-纹状体通路多巴胺能神经元的数量及功能,故脑DAT被认为是多巴胺能神经元的标志物。11C-甲基-N-2β-甲基酯-3β-(4-氟-苯基)托烷(2β-carbomethoxy-3β-(4-fluorophe-nyl)-(N-11C-methyl)tropane,11C-CFT)是一种PET DAT显像剂,11C-CFT PET是早期诊断PD的有效手段。PET显像图像重建算法通常可分为解析(变换)法和代数(迭代)法,解析法中最常见的为滤波反投影法(filtered backprojection,FBP)。
有序子集最大期望值迭代法(ordered subsets expectation maximization,OSEM)与FBP在算法上有差异,但各有优势。由于两者算法的不同,导致脑部图像结果也不同。目前在临床工作中,各家医院的PET设备品牌、型号虽各不相同,但重建算法中均以FBP和OSEM为主,考虑到标准化的正常值对疾病异常诊断的重要性,笔者将重点观察FBP和OSEM对正常人11C-CFT PET显像脑内DAT分布半定量值的影响。
-
本研究纳入2014年3月至2015年6月期间41名健康受试者(正常人),纳入标准:>18岁,无精神及神经疾病,无酒精滥用及吸毒史,近期未服用精神药物;排除标准:检查前6个月内服用激素或精神类药物。其中男性18名、女性23名,年龄31~80岁,平均年龄(58.1±10.4)岁。41名受试者均行11C-CFT PET/CT显像,根据年龄分为3组,分别为A组(20~39岁)、B组(40~59岁)、C组(60~80岁)(表 1)。本研究通过了复旦大学附属华山医院伦理委员会审批(批准号:KY2013-336),所有受试者在接受检查前均签署了知情同意书。
组别 人数/名 平均年龄/岁 最小年龄/岁 最大年龄/岁 男性/名 女性/名 A组(20~39岁) 3 34.7±3.2 31 37 2 1 B组(40~59岁) 17 52.8±5.1 41 59 8 9 C组(60~80岁) 21 65.7±5.0 60 80 8 13 表 1 纳入的41名健康受试者的基本情况及分组情况
Table 1. Basic situation and grouping of 41 healthy subjects
-
对健康受试者静脉注射370 MBq 11C-CFT(由复旦大学附属华山医院PET中心制备,放化纯度>98%),注射60 min后行PET/CT扫描(德国Siemens公司Biograph 64 HD PET/CT仪),先进行CT扫描(15 s)用于衰减校正,然后采用三维模式进行头部扫描(15 min)采集PET图像。将所采集的脑PET原始数据分别进行FBP及OSEM重建并获得脑部横断面、冠状面及矢状面图像。其中,FBP使用Gaussian滤波函数重建,半高宽3.5 mm;OSEM使用Gaussian滤波函数重建,半高宽2.0 mm,3次迭代,21个子集。
-
利用MRIro图像格式转换软件将PET图像转换为Analyze7格式,在MATLAB Version 6.5.1平台(美国Mathworks公司)上,应用SPM5软件(英国Wellcome认知神经研究所)进行数据分析:用SPM5软件中的Normalize模块将PET图像拟合到标准立体空间中(模板由美国Feinstein神经科学中心提供),并用10 mm×10 mm×10 mm的半高宽对标准化后的图像进行平滑处理。应用Scanvp程序(美国Feinstein神经科学中心提供[4])选取基底节显示良好的第20~30层横断面图像,叠加并平均成1个层面,对双侧尾状核、壳核前部及后部、顶枕皮质自动勾画ROI,获得平均放射性计数,以缺乏DAT分布的顶枕皮质作为参考区,按公式(尾状核或壳核放射性计数/顶枕叶放射性计数-1)计算DAT分布的半定量值[4]。
-
使用SPSS 15.0软件进行统计学分析。各个脑区DAT分布半定量值均通过Kolmogorov-Smirnov正态性检验,P=0.155~0.200(>0.05),符合正态分布。各个脑区DAT分布半定量值均通过Levene检验,P=0.424~0.876(>0.05),符合方差齐性。DAT分布半定量值的组间比较采用配对t检验,相关性分析采用Pearson相关分析法。P < 0.05表示差异有统计学意义。
-
41名健康受试者经11C-CFT PET/CT显像、图像分析及计算后获得的双侧尾状核、壳核前部及后部DAT分布半定量值见表 2。基于OSEM重建的PET图像中双侧尾状核、壳核前部及后部的DAT分布半定量值均高于基于FBP重建的PET图像,且两者间的差异均有统计学意义(t=9.658~15.859,均P=0.000)(表 2)。将基于两种重建方法的PET图像中双侧尾状核、壳核前部及后部的DAT分布半定量值进行Pearson相关性分析,结果显示基于OSEM和FBP重建的PET图像的DAT分布半定量值在双侧尾状核、壳核前部及后部均呈显著正相关(R2=0.907~0.951,均P=0.000)(表 2、图 1)。
重建方法 组别 尾状核 壳核前部 壳核后部 左侧 右侧 左侧 右侧 左侧 右侧 OSEM A组 2.15±0.24 2.06±0.31 2.39±0.21 2.38±0.22 1.89±0.18 2.06±0.17 B组 1.89±0.16 1.78±0.16 2.17±0.18 2.18±0.20 1.72±0.10 1.84±0.13 C组 1.89±0.12 1.77±0.12 2.17±0.13 2.17±0.16 1.71±0.09 1.82±0.12 FBP A组 2.10±0.27 1.99±0.27 2.37±0.26 2.33±0.24 1.82±0.17 1.96±.17 B组 1.81±0.17 1.70±0.16 2.09±0.18 2.09±0.19 1.64±0.10 1.75±.13 C组 1.79±0.12 1.68±0.12 2.07±0.15 2.09±0.17 1.62±0.10 1.72±0.13 t值 14.635 12.612 11.571 9.658 15.859 14.477 P值 0.000 00.000 00.000 0.000 0.000 0.000 R2值 0.951 0.930 0.935 0.907 0.914 0.917 P值 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 注:表中,A组:20~39岁;B组:40~59组;C组:60~80组;FBP:滤波反投影法;OSEM:有序子集最大期望值迭代法;11C-CFT: 11C-甲基-N-2β-甲基酯-3β-(4-氟-苯基)托烷;DAT:多巴胺转运体;PET:正电子发射断层显像术。 表 2 基于FBP与OSEM重建的11C-CFT PET图像中各脑区DAT分布半定量值及比较(x±s)
Table 2. Comparison of semi-quantitative values of DAT distribution in the 11C-CFT PET images based on FBP and OSEM reconstruction(x±s)
图 1 基于FBP与OSEM重建的PET图像中各脑区DAT分布半定量值的相关性
Figure 1. Correlation of semi-quantitative values of DAT distribution in different brain regions of PET images based on FBP and OSEM reconstruction
随着年龄的增长,基于OSEM与FBP重建的PET图像中双侧尾状核、壳核前部及后部DAT分布半定量值均呈现逐渐减低的趋势(表 2)。
FBP和OSEM对正常人脑内多巴胺转运体分布半定量值影响的研究
Effects of the different PET image reconstruction methods on distribution of dopamine transporter in healthy human brain
-
摘要:
目的 研究不同PET重建方法对正常人脑内多巴胺转运体(DAT)分布半定量值的影响。 方法 将2014年3月至2015年6月期间41例健康受试者(正常人)的11C-甲基-N-2β-甲基酯-3β-(4-氟-苯基)托烷(11C-CFT)PET图像分别进行滤波反投影法(FBP)和有序子集最大期望值迭代法(OSEM)重建,自动勾画尾状核、壳核前部和后部等感兴趣脑区,以缺乏DAT分布的顶枕皮质作为参考区,按公式计算DAT分布的半定量值。DAT分布半定量值的组间比较采用配对t检验,相关性分析采用Pearson相关分析法。 结果 基于OSEM重建的PET图像中DAT分布半定量值分别为:尾状核(1.77~2.15)、壳核前部(2.17~2.39)、壳核后部(1.71~2.06);基于FBP重建的PET图像中DAT分布半定量值分别为:尾状核(1.68~2.10)、壳核前部(2.07~2.37)、壳核后部(1.62~1.96)。基于OSEM重建的PET图像中双侧尾状核、壳核前部及后部的DAT分布半定量值均显著高于基于FBP重建的PET图像,且两者间的差异均有统计学意义(t=9.658~15.859,均P=0.000)。Pearson相关性分析结果显示,基于OSEM与FBP重建的PET图像的DAT分布半定量值在双侧尾状核、壳核前部及后部均呈显著正相关(R2=0.907~0.951,均P=0.000)。基于OSEM与FBP重建的PET图像中双侧尾状核、壳核前部及后部DAT分布半定量值均呈现随年龄增长逐渐减低的趋势。 结论 不同PET重建方法获得的正常人脑内DAT分布半定量值存在显著差异,在多中心或纵向研究中需要保持PET图像重建方法的一致性。 -
关键词:
- 多巴胺质膜转运蛋白质类 /
- 正电子发射断层显像术 /
- 滤波反投影 /
- 迭代
Abstract:Objective To study the effect of the reconstruction method on the semi-quantitative distribution of dopamine transporter (DAT) in the brain, 2β-carbomethoxy-3β- (4-fluorophe-nyl)- (N-11C-methyl)tropane (11C-CFT) PET images of healthy subjects were reconstructed by different PET reconstruction methods. Methods From March 2014 to June 2015, the 11C-CFT PET images of 41 healthy subjects were reconstructed by filtering back projection (FBP) method and ordered subsets expectation maximization (OSEM) iterative method. The brain regions of interest (ROI), namely, caudate nucleus, anterior putamen, and posterior shell nucleus, were automatically sketched with the parietal and occipital cortex lacking of DAT distribution as reference regions. The semi-quantitative value of DAT distribution was calculated using the following formula:radioactivity count of ROI/radioactivity count of parietal and occipital cortex-1. Paired t-test was used to compare the semi-quantitative values of DAT distribution. Correlation analysis was performed using the Pearson correlation analysis. ResultsThe values of DAT distribution based on OSEM were as follows:caudate nucleus (1.77-2.15), anterior putamen (2.17-2.39), and posterior putamen (1.71-2.06). The values of DAT distribution based on FBP were as follows:caudate nucleus (1.68-2.10), anterior putamen (2.07-2.37), and posterior putamen (1.62-1.96). In the bilateral caudate nucleus and anterior and posterior putamen, the 11C-CFT of DAT distribution by OSEM was significantly higher than that by FBP (t=9.658-15.859, all P=0.000). The Pearson correlation analysis showed that the semi-quantitative values of DAT distribution by FBP and OSEM were positively correlated with each other in the bilateral caudate nucleus and anterior and posterior putamen (R2=0.907-0.951, all P=0.000). The DAT distribution by OSEM and FBP decreased with aging in the caudate nucleus and anterior and posterior putamen. Conclusions A significant difference was found in the semi-quantitative value of the DAT distribution in the brain of healthy subjects by different PET reconstruction methods. Therefore, a consistent PET image reconstruction method should be used in a multicenter or longitudinal study. -
表 1 纳入的41名健康受试者的基本情况及分组情况
Table 1. Basic situation and grouping of 41 healthy subjects
组别 人数/名 平均年龄/岁 最小年龄/岁 最大年龄/岁 男性/名 女性/名 A组(20~39岁) 3 34.7±3.2 31 37 2 1 B组(40~59岁) 17 52.8±5.1 41 59 8 9 C组(60~80岁) 21 65.7±5.0 60 80 8 13 表 2 基于FBP与OSEM重建的11C-CFT PET图像中各脑区DAT分布半定量值及比较(x±s)
Table 2. Comparison of semi-quantitative values of DAT distribution in the 11C-CFT PET images based on FBP and OSEM reconstruction(x±s)
重建方法 组别 尾状核 壳核前部 壳核后部 左侧 右侧 左侧 右侧 左侧 右侧 OSEM A组 2.15±0.24 2.06±0.31 2.39±0.21 2.38±0.22 1.89±0.18 2.06±0.17 B组 1.89±0.16 1.78±0.16 2.17±0.18 2.18±0.20 1.72±0.10 1.84±0.13 C组 1.89±0.12 1.77±0.12 2.17±0.13 2.17±0.16 1.71±0.09 1.82±0.12 FBP A组 2.10±0.27 1.99±0.27 2.37±0.26 2.33±0.24 1.82±0.17 1.96±.17 B组 1.81±0.17 1.70±0.16 2.09±0.18 2.09±0.19 1.64±0.10 1.75±.13 C组 1.79±0.12 1.68±0.12 2.07±0.15 2.09±0.17 1.62±0.10 1.72±0.13 t值 14.635 12.612 11.571 9.658 15.859 14.477 P值 0.000 00.000 00.000 0.000 0.000 0.000 R2值 0.951 0.930 0.935 0.907 0.914 0.917 P值 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 注:表中,A组:20~39岁;B组:40~59组;C组:60~80组;FBP:滤波反投影法;OSEM:有序子集最大期望值迭代法;11C-CFT: 11C-甲基-N-2β-甲基酯-3β-(4-氟-苯基)托烷;DAT:多巴胺转运体;PET:正电子发射断层显像术。 -
[1] Moreau C, Meguig S, Corvol JC, et al. Polymorphism of the dopamine transporter type 1 gene modifies the treatment response in Parkinson's disease[J]. Brain, 2015, 138 (Pt 5):1271-1283. DOI:10.1093/brain/awv063. [2] Lin JJ, Yueh KC, Chang DC, et al. The homozygote 10-copy genotype of variable number tandem repeat dopamine transporter gene may confer protection against Parkinson's disease for male, but not to female patients[J]. J Neurol Sci, 2003, 209 (1/2):87-92. [3] 刘丰韬, 王坚.遗传性帕金森病患者的脑功能显像[J].内科理论与实践, 2010, 5 (5):438-441. DOI:10.16138/j.1673-6087. 2010. 05.007.
Liu FT, Wang J. Functional neuroimging in patients with inherited Parkinsonism[J]. J Intern Med Concepts Pract, 2010, 5 (5):438-441. doi: 10.16138/j.1673-6087.2010.05.007[4] Ma Y, Dhawan V, Mentis M, et al. Parametric mapping of[18F]FPCIT binding in early stage Parkinson's disease:a PET study[J]. Synapse, 2002, 45 (2):125-133. DOI:10.1002/syn.10090. [5] Liu SY, Wu JJ, Zhao J, et al. Onset-related subtypes of Parkinson's disease differ in the patterns of striatal dopaminergic dysfunction:A positron emission tomography study[J]. Parkinsonism Relat Disord, 2015, 21 (12):1448-1453. DOI:10.1016/j.parkreldis.2015.10.017. [6] Postuma RB, Berg D, Stern M, et al. MDS clinical diagnostic criteria for Parkinson's disease[J]. Mov Disord, 2015, 30 (12):1591-1601. DOI:10.1002/mds.26424. [7] Guo JF, Wang L, He D, et al. Clinical features and[11C]-CFT PET analysis of PARK2, PARK6, PARK7-linked autosomal recessive early onset Parkinsonism[J]. Neurol Sci, 2011, 32 (1):35-40. DOI:10.1007/s10072-010-0360-z. [8] Peng F, Sun YM, Chen C, et al. The heterozygous R1441C mutation of leucine-rich repeat kinase 2 gene in a Chinese patient with Parkinson disease:A five-year follow-up and literatures review[J]. J Neurol Sci, 2017, 373:23-26. DOI:10.1016/j.jns.2016.12.009. [9] Shi CH, Mao CY, Zhang SY, et al. CHCHD2 gene mutations in familial and sporadic Parkinson's disease[J/OL]. Neurobiol Aging, 2016, 38: 217.e9-217.e13[2018-01-15]. http: //www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26705026. DOI: 10.1016/j.neurobiolaging.2015.10.040. [10] 王元元, 吴平, 左传涛, 等.不同重建算法对帕金森病相关脑功能网络的影响[J].中国医学计算机成像杂志, 2013, 19 (6):549-552. DOI:10.19627/j.cnki.cn31-1700/th.2013.06.018.
Wang YY, Wu P, Zuo CT, et al. Influence of Different PET Reconstruction Algorithms on Parkinson's Disease-related Pattern Expression[J]. Chin Comput Med Imag, 2013, 19 (6):549-552. doi: 10.19627/j.cnki.cn31-1700/th.2013.06.018[11] 邱春, 左传涛, 张政伟, 等.不同显像时间窗对11C-CFT PET/CT显像测多巴胺转运蛋白分布半定量值的影响[J].中华核医学与分子影像杂志, 2013, 33 (5):362-366. DOI:10.3760/cma.j.issn.2095-2848.2013.05.012.
Qiu C, Zuo CT, Zhang ZW, et al. Influence of scanning time window on the binding potentials of dopamine transporter in the brain of healthy volunteers with 11C-CFT PET imaging[J]. Chin J Nucl Med Mol Imaging, 2013, 33 (5):362-366. doi: 10.3760/cma.j.issn.2095-2848.2013.05.012[12] Ramos CD, Erdi YE, Gonen M, et al. FDG-PET standardized uptake values in normal anatomical structures using iterative reconstruction segmented attenuation correction and filtered back-projection[J]. Eur J Nucl Med, 2001, 28 (2):155-164. doi: 10.1007/s002590000421