當(dāng)代最先進分子影像新技術(shù)—PET/MRI

王強 王榮福

北京大學(xué)第一醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科 (北京 100034)

當(dāng)代最先進分子影像新技術(shù)—PET/MRI

王強 王榮福

北京大學(xué)第一醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科 (北京 100034)

PET/CT作為一種多模式顯像技術(shù)，已在科研與臨床工作中取得了令人矚目的成就。MRI在多方面優(yōu)于CT，因此，PET/MRI分子影像設(shè)備的研究成了近些年的熱點。PET/MRI融合顯像可提供分子、形態(tài)與功能信息，具有較大的潛力，但其研制過程中仍存在一系列問題，若能合理解決必將給分子影像學(xué)帶來深遠(yuǎn)影響。

多模式成像 PET/CT PET/MRI 先進技術(shù)

為適應(yīng)目前社會需求，醫(yī)學(xué)模式已從傳統(tǒng)的臨床疾病診斷與治療步入健康人群的預(yù)防和保健，即從過去的大體、器官或組織診斷過渡到現(xiàn)代染色體、基因和蛋白質(zhì)診斷[1]。這一全新的醫(yī)學(xué)模式轉(zhuǎn)換必然導(dǎo)致人們積極探索和尋找“健康人”可能潛在患病的異常發(fā)現(xiàn)的技術(shù)與方法[2]。近年來，分子影像學(xué)已成為預(yù)警、早期診治疾病最富有應(yīng)用前景的醫(yī)療新技術(shù)、新方法和新手段，而精良分子影像設(shè)備和具有特異的分子探針正是分子影像學(xué)的兩大支柱或核心所在，其臨床應(yīng)用研究價值突出表現(xiàn)在3個方面：①預(yù)警和早期診斷，監(jiān)視和檢出“健康人”潛在患病信號，即利用高端分子影像設(shè)備和特異分子探針對沒有臨床癥狀和表現(xiàn)的患者做出臨床前診斷，如早發(fā)腫瘤、輕度認(rèn)知功能障礙神經(jīng)退行性疾病等；②與現(xiàn)代生物材料技術(shù)相結(jié)合制備出先進檢測設(shè)備和分子探針，為分子醫(yī)學(xué)疾病診斷及靶向治療開辟了全新的領(lǐng)域；③作為受體介導(dǎo)、反義基因表達顯像和靶向治療的載體和藥物篩選手段，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域[3]。因此，以新型分子成像設(shè)備和具有靶向性的分子探針等先進技術(shù)為核心的分子影像學(xué)，有望發(fā)展成為21世紀(jì)最重要的醫(yī)療手段之一[4]。

PET/CT可提供解剖與功能顯像信息，近些年來發(fā)展十分迅速，已廣泛應(yīng)用于臨床并得到了社會認(rèn)可[5]。MRI在軟組織顯像方面強于CT且無輻射，同時還具有其他多種功能顯像技術(shù)，如磁共振波譜技術(shù)、功能性磁共振成像等。PET與MRI一體機的構(gòu)想始于上世紀(jì)90年代中期，甚至早于PET/CT融合技術(shù)的提出，雖然PET/MRI具有光明的前景，但PET/MRI一體機的研制卻相對緩慢，原因主要在于PET與MRI完全融合存在PET探頭與MRI磁場兼容、PET圖像衰減校正、PET/MRI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計等問題[6]。

1 PET/MRI研制的技術(shù)問題

1.1 PET探頭與MRI磁場兼容

PET探頭是PET中最重要的部分，晶體性能決定PET探頭性能，晶體材料主要有NaI(TI)、CSI(TI)、BGO、LSO(Ge)、GSO，LYSO等，其中GSO與LGSO磁導(dǎo)率與人體組織差別較大，會影響MRI磁場均勻，造成圖像失真，因此無法應(yīng)用于PET/MRI[7,8]。

常規(guī)PET探頭采用光電倍增管(photomultiplier tube，PMT)進行光電轉(zhuǎn)換，但MRI磁場可改變電子運行軌跡進而造成探測電子損失，因此PMT無法在磁場中正常運行[9]?？捎玫慕鉀Q方法為將PMT置于MRI磁場外，通過光纖將其與磁場中的PET閃爍晶體連接并進行光信號傳輸，之后得到PET圖像。但光子傳輸過程中由于光子的丟失會導(dǎo)致圖像分辨率及靈敏度降低、散射分?jǐn)?shù)增高[8,9]，大量應(yīng)用光纖需要占據(jù)MRI內(nèi)較多空間，對MRI硬件有一定的要求。

新近研制的雪崩光電倍增管(avalanche photomultiplier，APD)對磁場敏感度低，PET探頭分辨率高于2mm，APD可直接或通過極短的光纖與PET閃爍晶體連接，PET數(shù)據(jù)傳輸處理系統(tǒng)通過同軸電纜引導(dǎo)與放大APD信號[9]。目前，APD已應(yīng)用于7T 場強的小動物PET/MRI與3T場強的臨床PET/MRI，但其依然存在一些缺點，如對溫度穩(wěn)定性有較高的要求、工作電壓高等。

Moehrs等[10]提出PET探頭應(yīng)用硅光電倍增管(silicon photomultipliers，SIMPS)可與MRI磁場很好地兼容。SIMPS是一種新型的光電探測器件，由工作在Geiger模式的雪崩二極管陣列組成，具有增益高、靈敏度高、偏置電壓低、對磁場不敏感、結(jié)構(gòu)緊湊等特點。SIMPS溫度穩(wěn)定性高于APD，二者空間分辨率相似，但在能量分辨率與時間分辨率方面前者好于后者。 SIMPS可測量性與穩(wěn)定性需要進一步改進，同時，SIMPS探測效率需要更加完善及進行試驗研究以使PET/MRI具有更高的分辨率與敏感度[11,12]。目前，一大批中外科學(xué)家都在積極研制基于SIMPS的PET，其未來具有較好的前景。

1.2 PET圖像衰減校正

目前，PET/CT中PET圖像主要利用CT進行衰減校正，其運用CT圖像代替光子衰減校正，再進行圖像重建，具有掃描時間短、噪聲低等優(yōu)勢，對PET診斷的準(zhǔn)確定位起到了顯著的促進作用[8]。PET/MRI中MRI成像技術(shù)并非利用組織密度分布，而是磁自旋成像，因此無法直接由MRI圖像得到PET衰減分布圖。

Hoffmann等[13]提出一系列可行的基于MRI的衰減校正法。第一種方法為分割法，可先進行透射掃描，隨后將得到的MRI圖像分割為幾個不同的部分，多選用對解剖結(jié)構(gòu)觀察較好的T1加權(quán)像，之后分別賦予相應(yīng)的衰減系數(shù)，然后將這些衰減圖像應(yīng)用于PET圖像中；另一種方法為基于圖譜的配準(zhǔn)法，在PET/MRI檢查結(jié)束后，患者MRI模板圖像得到一個相應(yīng)的PET衰減系數(shù)模板，之后將MRI模板圖像通過空間變換轉(zhuǎn)換為實際MRI圖像，同時PET衰減系數(shù)模板進行相同空間變換得到實際的PET衰減系數(shù)圖。此外，能否通過外置透射源利用透射掃描來得到PET衰減分布圖仍然值得討論。

1.3 PET/MRI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

PET/MRI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)建可考慮的模式主要有三種，即串聯(lián)式、插入式及整合式。

串聯(lián)式結(jié)構(gòu)即PET與MRI按一定順序排列放置，類似于PET/CT中的串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，采用分步采集數(shù)據(jù)的方法。但MRI采集速度較慢，成像時間長于CT，采用此種結(jié)構(gòu)PET/MRI使用效率較低，且不能實現(xiàn)同時成像[14]。

插入式結(jié)構(gòu)中PET探測器置于MRI設(shè)備內(nèi)，PET探頭需最大限度降低對磁場干擾，同時其在磁場波動中應(yīng)具有穩(wěn)定性且可避免電磁干擾。這種設(shè)計可做到真正意義上的同時成像，提高PET/MRI效率，目前較多研究者選擇此種結(jié)構(gòu)[15]。但插入式結(jié)構(gòu)需要不斷地提高相關(guān)技術(shù)水平以避免PET與MRI之間相互的干擾，此外PET占據(jù)MRI腔體空間需進一步降低。

整合式結(jié)構(gòu)目前主要依賴于三種技術(shù)[16]，①建立兩個單獨、動態(tài)可控磁體，一個激發(fā)質(zhì)子，另一個接收MR信號，此種交叉采集方式的建立有利于PET數(shù)據(jù)采集；②PET探測環(huán)位于分裂超導(dǎo)磁場，由光纖運輸閃爍光子于磁場外進一步處理；③ 閃爍晶體與光電倍增管組件位于MRI發(fā)送與接收線圈之間。目前，此技術(shù)只能運用于低磁場且有專門的磁場梯度設(shè)置，這在一定程度上限制了其應(yīng)用。

2 PET/MRI科研與臨床應(yīng)用

2.1 小動物PET/MRI

1997年，shao等[17]將閃爍晶體插入場強為0.2T的MRI磁場中，通過3米長的光纖連接于磁場外的PMT，實現(xiàn)了PET與MRI同步掃描成像。同年，Garlick等[18]首次利用基于光纖的PET/MRI實現(xiàn)了離體大鼠心臟灌流成像。之后，Pichler等[19]將磁場敏感度低的APD直接與場強為7T的磁場中的閃爍晶體緊密連接，采集到了小鼠的PET/MRI圖像。目前，盡管很多PET/MRI研究者傾向于采用基于APD的PET探測器，但由于APD存在對溫度較為敏感等缺點，因此一些研究小組仍在設(shè)計基于光纖的PET/MRI。2006年Lucas等[11]設(shè)計的小動物PET/MRI采用了兩個磁體，1.2米長的光纖通過磁體間的裂縫連接位于磁場外的PMT與磁場中的閃爍晶體。

迄今為止，很多科研小組都在致力于小動物PET/MRI的研制與開發(fā)，但商業(yè)性小動物PET/MRI尚未問世。小動物PET/MRI中的PET組件經(jīng)過改進可能將朝著閃爍晶體更小、低噪聲、探測環(huán)直徑更低方面發(fā)展且PET組件與MRI兼容性更強。小動物PET/MRI圖像分辨率將進一步改進達到亞毫米級，同時點源靈敏度超過10%[6,20]。與臨床用PET/MRI相比，小動物PET/MRI一般采用高場強MRI，需要更佳的MRI性能，在信噪比、fMRI中的血氧合度依賴的對比、波譜分析與彌散加權(quán)成像、圖像空間分辨率等方面均優(yōu)于前者。

2.2 臨床用PET/MRI

2006年，北美放射學(xué)年會報道了首例用西門子公司PET/MRI一體機同步采集的人腦圖像，取得了令人振奮的效果，接著，西門子公司推出了基于APD磁場強度為3T的PET/MRI，進一步改善了圖像質(zhì)量[21]。目前，雖然尚沒有商業(yè)化的PET/MRI設(shè)備，但PET/MRI的巨大潛力是毋庸置疑的。

可以預(yù)料，PET/MRI在神經(jīng)系統(tǒng)疾病診斷方面將起重大作用，如神經(jīng)退化性疾病、腦局部缺血、神經(jīng)腫瘤性疾病、癲癇等[22,23]。同時，PET/MRI在研究腦功能、代謝、耗氧率、局部放射性示蹤劑與腦血流灌注的關(guān)系等方面也有獨特的作用。Chandra等[24]利用PET/MRI對癲癇病灶進行定位，證實PET/MRI優(yōu)于其他方法。Ledezma等[25]報道了PET/MRI在神經(jīng)膠質(zhì)瘤診斷中的作用，結(jié)果表明PET/MRI可提高腦部腫瘤的檢出率。

目前尚沒有可進行全身顯像的PET/MRI一體機，大多數(shù)關(guān)于此方面的研究多通過對分別獲得的PET與MRI數(shù)據(jù)軟件融合來進行。PET/MRI與目前常用的PET/CT相比有較多的優(yōu)點，首先，MRI對人體無放射性損傷，因此，與PET/CT相比，PET/MRI可大幅度降低放射損傷；其次，MRI具有較高的軟組織分辨力，可更清楚地顯示正常解剖結(jié)構(gòu)，因而在此方面有望超越PET/CT；同時，MRI可以采用不同的技術(shù)來反映組織多參數(shù)信息，獲得多參數(shù)信息不僅有利于病變的顯示，對病變的定性診斷也帶來很大益處，且可通過磁共振波譜技術(shù)、功能磁共振成像等技術(shù)提供功能性信息，因此PET/MRI將對多種疾病具有早期發(fā)現(xiàn)、早期診斷的價值[26,27]。

2.3 PET/MRI其他方面的應(yīng)用

PET/MRI很可能成為研究新藥功用的理想設(shè)備，如血管再生抑制劑、免疫系統(tǒng)調(diào)節(jié)劑等，因為PET/MRI可了解到治療藥物發(fā)揮作用時個體細(xì)胞代謝及生化信息的變化[16,28]。在干細(xì)胞治療研究方面，PET/MRI也具有較大的潛力，其可根據(jù)相關(guān)標(biāo)記物追蹤干細(xì)胞移動軌跡、是否存活及整合到機體組織[16,28]。

3 展望

初步的研究結(jié)果已證實PET/MRI在科研與臨床中具有巨大的潛力，現(xiàn)有研究成果表明PET與MRI可同時顯像，且小動物PET/MRI與可進行人腦顯像的PET/MRI已經(jīng)研制成功。雖然PET/MRI具有很多其他顯像模式所不具備的優(yōu)點，但是未來仍然存在一系列挑戰(zhàn)需要解決，如適合全身顯像的PET/MRI尚未問世；PET/MRI造價必將高于PET/CT；PET/MRI成像時間較長，病人檢查時間相應(yīng)也會較長；PET/MRI融合圖像的解讀對核醫(yī)學(xué)醫(yī)師提出了更高的要求，聯(lián)合醫(yī)師培養(yǎng)的必要性越來越明顯[29,30]。類似于剛剛誕生時的PET/CT，PET/MRI盡管目前也存在很多問題，但相信隨著科技進步，這些技術(shù)難題會被攻克，PET/MRI有望將分子影像學(xué)的發(fā)展推到一個新的高度[31]。

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A Novel Molecular Imaging Technique of PET/MRI

WANG Qian WANG Rong-fu Department of Nuclear Medicine, Peking University First Hospital (Beijing 100034)

PET/CT has acquired great achievements both in scienti fic research and clinics as a multi-model imaging technology. MRI in many ways better than CT, so the research of MRI has became a hot topic in recent years. PET/MRI is a combination of molecular,morphological and functional information. Although PET/MRI has a great potential, the system still has a series of problems. PET/MRI will has a profound in fl uence to molecular imaging if solve those problems.

multi-modal imaging,PET/CT,PET/MRI,advanced technique

1006-6586(2011)04-0004-04

：R817.4

：A

2011-03-30

王強，博士研究生；王榮福，教授，博士生導(dǎo)師，北京大學(xué)第一醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科主任，通訊作者， E-mail: rongfu_wang2003@yahoo.com.cn

國家自然科學(xué)基金(30870729，81071183/H1806)