一體式PET/MRI技術(shù)分析與研究回顧

戚仕濤，湯黎明，劉鐵兵，鐘添萍

1.南京軍區(qū)南京總醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，江蘇 南京 210002；2.南方醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州，510515

自20世紀(jì)80年代初，PET的出現(xiàn)使核醫(yī)學(xué)顯像診斷進(jìn)入了新的時代，也使影像診斷真正地步入了分子水平[1]。在過去的20多年的臨床疾病診斷中，尤其是在腫瘤的診斷、分期及療效檢測上PET發(fā)揮了重要作用，大量的臨床應(yīng)用研究充分地證實了PET的診斷價值。然而，在臨床應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)了單純使用PET診斷疾病仍存在某些不足，因為PET只能提供疾病的代謝和功能改變，而在結(jié)構(gòu)變化和病灶定位上尚有缺陷。2001年P(guān)ET/CT應(yīng)運而生，它利用CT彌補了PET在解剖結(jié)構(gòu)顯像上的不足，極大地提高了病灶的檢出率和診斷的準(zhǔn)確性[2]。

PET/CT大大促進(jìn)了核醫(yī)學(xué)的發(fā)展。然而，CT與PET的結(jié)合也暴露了許多局限性，這些局限性幾乎都?xì)w咎于CT，因為CT不能與PET同時采集圖像；不能對PET進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的衰減校正；CT軟組織分辨率和圖像質(zhì)量較差；CT尚無法實現(xiàn)功能成像；CT會導(dǎo)致高劑量的X線輻射。正是由于PET/CT的這些局限性，引發(fā)人們開始了PET/MRI的研究。PET/MRI能實現(xiàn)完整的結(jié)構(gòu)、功能與分子一體化影像，同時排除了CT輻射和改善軟組織圖像質(zhì)量。

PET/CT是把2種成像設(shè)備背靠背結(jié)合在一起，而PET/MRI則致力于將PET置入到MRI系統(tǒng)中，使彼此的觀測野都匹配。盡管PET/MRI可以采用類似PET/CT的方法，這比起將PET置入到MRI機架中更加容易，但由于PET和MRI掃描時間都較長，促使研究者努力將2種成像系統(tǒng)合并到一起，以實現(xiàn)同時的數(shù)據(jù)采集，減少掃描時間。

將PET和MRI相結(jié)合的研究開始于20世紀(jì)90年代早期。ShaoY，Cherry等人首次嘗試將PET和MRI結(jié)合在一起，他們利用快速閃爍晶體耦合到長光纖技術(shù)，并將其植入到1個1.5T臨床型MRI中[3-4]。大約同一時間，Pichler，Ziegler和Lorenz開始了首次使用基于一種新穎的雪崩光電二極管（Avalanche photo- diode，APD）PET探測器，在9.4T的動物MRI系統(tǒng)中進(jìn)行了性能測試[5-6]。這些早期的PET/MRI技術(shù)和概念集中于小動物影像，用于一些基礎(chǔ)生理研究。2006年11月底，美國田納西州Krroxvivle 醫(yī)學(xué)中心用Siemens 公司的PET/MRI進(jìn)行了全球首例腦部PET/MRI同步采集的圖像融合圖像，結(jié)果令人鼓舞，揭開了一體式PET/MRI臨床應(yīng)用的新篇章。

1 一體式PET/MRI技術(shù)難點分析

將PET和MRI結(jié)合成具有臨床實用性的一體化影像設(shè)備具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)性，因為MRI系統(tǒng)的多余空間十分有限，大孔徑MRI將顯著增加成本，且在大孔徑MRI系統(tǒng)中保持高磁場均勻性是極其困難的事情。因此，將PET探測器集成到MRI系統(tǒng)中，就需要做得非常小巧和緊湊，并且不能受到靜磁場和微小的開關(guān)電磁場的影響。

1.1 PET系統(tǒng)對磁場的敏感性

PET探測器是由非常小的快速閃爍晶體將隨機的γ射線變成光信號。這些微弱的閃光信號隨后被高靈敏度的光轉(zhuǎn)換器——PMT（光電倍增管）轉(zhuǎn)化為電信號。由于光電倍增管無法做到緊湊，而且其原理是用電場在真空管中加速電子，其對微弱的磁場也很敏感。這些缺陷自然排除了常規(guī)基于PMT的PET探測器同MRI的結(jié)合。

基于這個原因，第一種嘗試PET、MRI合成的方法是采用光纖的方法將閃爍晶體產(chǎn)生的光導(dǎo)入到PMT中，而PMT置于磁場外的一段安全距離內(nèi)。1個小的閃爍晶體環(huán)被置于MRI 的觀測野中。每個單個晶體用一只光纖耦合到PMT[7]。

但不久又發(fā)現(xiàn)這個方法也有缺點。主要還是因為所有的光纖占據(jù)了MRI 內(nèi)孔的空間。另外，由于光纖太長，約5m左右，在耦合和傳輸過程中，有不少光損耗，減弱了PMT 信號能量和時間分辨率，這是其臨床應(yīng)用的1個主要缺陷。但對于動物PET/MRI成像而言，基于光纖的PET探測器仍然具有一定的可行性，這是由于臨床MRI十分普及，且基于PMT的PET技術(shù)十分成熟可靠。因此，目前國際上至少有3個小組還在研究基于光纖和PMT技術(shù)的動物PET/MRI 系統(tǒng)[8-10]。

隨著性能可靠、經(jīng)濟的半導(dǎo)體光探測器的出現(xiàn)，如APD、G-APD （Geiger- mode APD）等，采用這種技術(shù)的PET探測器已研制成功。APD已被證明可以在高達(dá)9T的磁場中穩(wěn)定的工作并保持精細(xì)的性能。第一臺基于APD技術(shù)的MRI 兼容型小動物PET，以及PET/MRI腦成像原型機已研制出來[11-14]。

1.2 MRI系統(tǒng)對磁兼容性要求

當(dāng)MRI和PET合成的時候，保持全部MRI成像性能至關(guān)重要，尤其是當(dāng)把PET探測器包括電子部件集成到MRI掃描孔徑中時更是如此。因此，設(shè)計時一些重要的問題必須考慮進(jìn)來，保證磁兼容性，以確保主磁場均勻度不受到PET探測器的影響。

磁場中的物質(zhì)可以分成2類。如果物質(zhì)在磁場中受到磁力或磁力矩作用，則稱其為磁不兼容物質(zhì)，這些物質(zhì)會導(dǎo)致MRI圖像惡化失真，即使它們放得離MRI成像區(qū)比較遠(yuǎn)；相反，則稱為磁兼容性物質(zhì)。當(dāng)然，即使 磁兼容性物質(zhì)，如果離成像區(qū)太近，也會造成可見的圖像失真或惡化。如果物質(zhì)和水的性質(zhì)差不多，則即使靠近成像區(qū)，也幾乎不會對MRI圖像造成失真[15]。因此，甄別所有組成內(nèi)置PET的物質(zhì)磁兼容性非常重要。

研究發(fā)現(xiàn)，NaI、CsI、BGO、LSO和人體的磁兼容性接近，因此這些物質(zhì)都有可能適合于PET/MRI探測器件。GSO、LGSO表現(xiàn)出較高的偏離人體組織特性，因此會造成MRI圖像的偽影[16]。

為減少FOV外圍散射γ射線的探測，標(biāo)準(zhǔn)的PET都有一個軸向引導(dǎo)的屏蔽層以減少散射，提高圖像質(zhì)量。由于這個屏蔽裝置帶有金屬部件，因而不能用于一體式PET/MRI系統(tǒng)里。有文獻(xiàn)報道一種基于重金屬復(fù)合物材料的閃爍晶體材料可以用于一體式PET/MRI的γ射線屏蔽材料[17]。

1.3 PET和MRI的互干擾問題

除了主磁場的均勻度外，保持射頻場的均勻性也很重要。射頻脈沖用于產(chǎn)生自旋和改變場強，尤其在定量MRI研究中，在成像區(qū)域內(nèi)，均勻的翻轉(zhuǎn)角度十分重要。不均勻的射頻場，會使局部信號變異，導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降甚至出現(xiàn)錯誤的結(jié)果。射頻線圈內(nèi)安放的所有電導(dǎo)性材料都會影響射頻場。因此，射頻場的不均勻度可能受組織的導(dǎo)電特性影響，尤其在高場強條件下更是如此[18]。

避免任何導(dǎo)體物質(zhì)在成像區(qū)附近，或者確切的說，在產(chǎn)生激勵線圈和患者之間，這點很重要。因此在一個一體式PET/MRI系統(tǒng)中，把射頻線圈置于PET探測器和成像物體之間將非常有利。在上述這種系統(tǒng)中，由于PET的置入導(dǎo)致的射頻場不均勻性就不會很嚴(yán)重。如果置入PET中存在導(dǎo)體結(jié)構(gòu)使射頻失調(diào)，會造成MRI圖像的質(zhì)量下降。適當(dāng)?shù)木€圈調(diào)諧和匹配，或者特殊設(shè)計的射頻線圈可以避免這些問題[19]。

使用外部屏蔽線圈可以減少PET探測器內(nèi)導(dǎo)體材料的射頻感應(yīng)電流，這種電流在閉環(huán)情況下遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非閉環(huán)情況。因而，在設(shè)計用于PET/MRI器件時應(yīng)盡量避免金屬性閉環(huán)的存在[20]。

MRI系統(tǒng)周邊物質(zhì)的渦流源是MRI梯度開關(guān)。PET中，電路板、APD或放大電路引起的渦流可累積成足夠的電壓以致影響MRI圖像或PET信號。尤其當(dāng)渦流衰減得很慢的情況下，在MRI讀取數(shù)據(jù)期間，這個電流就會繼續(xù)存在。產(chǎn)生的電場就像另外一個MRI空間編碼梯度磁場，從而導(dǎo)致圖像畸變[21]。渦電流的存在不僅會影響圖像質(zhì)量，還會影響磁共振波譜。在感興趣區(qū)域內(nèi)，渦流會產(chǎn)生依賴于時間的共振頻率偏移，這會使獲取的MRI頻譜在傅立葉變換后畸變[22]。

渦流可以通過對PET電路板進(jìn)行特殊的設(shè)計及電磁屏蔽措施加以避免。PET電路屏蔽層應(yīng)該很薄而且有著纖細(xì)的導(dǎo)電層同非導(dǎo)體物質(zhì)交錯，從而避免電流環(huán)的產(chǎn)生。

PET和MRI之間相互影響的另一個來源是溫度的飄移。PET/MRI信號架中的溫度漂移可能由于PET電子器件的非最佳穩(wěn)定溫度導(dǎo)致的，也或者是PET器件或屏蔽層引起的渦電流。PET系統(tǒng)中的溫度漂移不僅能使PET數(shù)據(jù)采集出現(xiàn)問題，還會影響MRI系統(tǒng)，最終導(dǎo)致MRI信號變化。

1.4 其他因素

一體式PET/MRI的另一個問題是PET電子器件發(fā)出的射頻噪聲。射頻發(fā)射可以被MRI系統(tǒng)中的射頻接收線圈接收。如果射頻噪聲成分與MRI中的射頻頻率范圍相同，就會導(dǎo)致MRI圖像偽影。為了避免射頻干擾在MRI圖像引起的“釘”字偽影，對置入PET進(jìn)行適當(dāng)屏蔽至關(guān)重要。

另外，PET置入物必須能夠承受MRI快速成像序列時產(chǎn)生的機械振動。這是因為置入PET的空間位置變化不僅會影響圖像融合精度，還會改變磁共振射頻線圈的調(diào)諧。

2 一體式PET/MRI技術(shù)方案回顧

2.1 基于光纖的一體式PET/MRI

第一種一體式PET/MRI技術(shù)方案是采用光纖耦合的方法，將一個小的閃爍晶體環(huán)置于MRI 的觀測野中。每個晶體用1只光纖耦合到置于磁場外安全距離內(nèi)的PMT中。這個方法的主要缺點是所有的光纖占據(jù)了MRI掃描內(nèi)孔的空間，而且由于光纖太長，約5m左右，在耦合和傳輸過程中，有不少光損耗，減弱了PMT 信號能量和時間分辨率。但對于小動物PET/MRI成像而言，由于不需要太大的掃描孔徑，基于光纖的PET探測器仍然具有一定的可行性。

2.2 基于APD的一體式PET/MRI

考慮到已知的電氣和機械工程限制，以及已經(jīng)證實APD可以在高磁場強度下仍能保持所有特性，研究人員開發(fā)出了可以集成到MRI中的基于APD的PET探測器。這就與最初的動物PET/MRI系統(tǒng)設(shè)計有所不同，最初只是將閃爍晶體置入磁體內(nèi)，而相應(yīng)的全部電子器件或屏蔽材料都在磁體外面。

德國圖賓根大學(xué)的研究組開發(fā)了基于APD的MRI兼容的置入式PET系統(tǒng)，并將APD探測器和模擬電路都放置在MRI的FOV內(nèi)部[23-24]。這種系統(tǒng)設(shè)計對屏蔽、電路板和電子走線要求非常嚴(yán)格，這樣才能保持PET和MRI的整個成像特性。該研究對于下一代完全集成到MRI內(nèi)部的PET探測器提供了一個很好的理念和驗證。這種集成方案將可能允許使用一些重要的部件，如可以同時冷卻MRI梯度系統(tǒng)與PET探測器的冷卻系統(tǒng)，并可以獲得更大磁體孔徑。

日本濱松大學(xué)研究組開發(fā)了1臺可置入MRI的動物PET原型機。該PET探測器由10個完全屏蔽的探測器盒組成，每個探測器盒內(nèi)裝設(shè)計成3×3的APD陣列，每個陣列由144個1.6×1.6×4.5mm3規(guī)格的閃光晶體和模擬前置放大器，緩沖器和連接器組成。用1根6m長屏蔽同軸電纜把探測器盒連接到置于高頻模塊盒外的數(shù)字輸出電路。置入PET的軸向FOV受到選擇的晶體塊尺寸的大小限制，為19mm，徑向FOV則受到MRI的鼠形射頻線圈的限制，與當(dāng)前流行的商用動物PET相比，可用的FOV很小，并且不能進(jìn)行全身信息采集。鼠形射頻線圈環(huán)適合放置在PET內(nèi)部，而PET置于MRI梯度系統(tǒng)內(nèi)部。MRI和PET的FOV在空間上是一致的。2個成像系統(tǒng)分別受2個控制臺的控制運行。但它們能夠通過一個共同的時間標(biāo)記或外部心電信號或呼吸觸發(fā)得到時間上的同步。這種原型系統(tǒng)使得幾種新的PET/MRI成像方法得以評估。

基于APD的一體式PET/MRI持續(xù)性能測試表明，2個系統(tǒng)之間的的相互作用已經(jīng)很小，一些苛刻的測試表明，觀測到的性能惡化水平不足以影響PET及MRI成像。即使要求滿足用于fMRI或MRS成像的EPI成像協(xié)議，這種基于APD的一體式PET/MRI也是可行的。

2.3 APD與短光纖結(jié)合的方案

美國加利福尼亞大學(xué)的1個研究小組致力于把APD技術(shù)和短光纖技術(shù)混合起來的方法。16個探測器艙，每一塊都有8×8的閃爍晶體排成1個環(huán)。這些晶體和12cm長的光纖一起確保MRI中沒有金屬部件，與第一臺基于光纖的PET/MRI系統(tǒng)相比，12cm的光纖長度幾乎縮小了10~50倍。這使得閃光損耗降到最小，還保證了PET信號全部特性。PET電子器件等仍存在于磁體內(nèi)部，感興趣區(qū)外圍，這樣可以使兩個成像系統(tǒng)相互干擾達(dá)到最小。這種方法實現(xiàn)的缺點是工程更加復(fù)雜，PET軸向FOV受到限制，光纖仍占據(jù)了磁體孔徑內(nèi)有價值的空間。當(dāng)然，使用這個系統(tǒng)進(jìn)行活體動物成像掃描成功地同時進(jìn)行了PET和MRI 的數(shù)據(jù)采集。

2.4 其他新穎的設(shè)計方案

到目前為止，上述各種一體式PET/MRI的方法都試圖使PET探測器能適合MRI環(huán)境運行。然而，也有2個研究組試圖通過改變MRI的結(jié)構(gòu)，使用更多或更少的常規(guī)PET探測器來構(gòu)成一體式PET/MRI系統(tǒng)進(jìn)行小動物成像。

英國劍橋大學(xué)的一個研究組，使用一個分裂的磁體，這個磁體在其軸長中點被分開[25]，將PET探測器放置在MRI分裂磁體的兩半之間。這種方法的基本想法是在裂縫間保持一個不變磁場，并使用經(jīng)過修改的分離的梯度線圈以覆蓋磁體縫隙來完成MRI成像要求。PET探測器使用的技術(shù)與動物PET掃描器使用的技術(shù)相似，都是采用LSO閃光晶體通過光纖送到位置傳感光電倍增管[26]。與早期光纖PET系統(tǒng)相比，這種組合的優(yōu)點是光纖更短，只有1.2m，且光纖以發(fā)射方向穿過磁體裂縫，而不占據(jù)磁孔有價值的空間。然而，當(dāng)前其最大缺點就是最大場強是只能到1T，這就限制了其成像應(yīng)用，特別是小動物成像。

加拿大西安大略大學(xué)一個研究組則致力于設(shè)計一種環(huán)形磁場MRI，這樣可以把基于PMT的PET探測器置入MRI系統(tǒng)中[27]。只有當(dāng)磁場關(guān)閉，PET信號才會被讀出。盡管這種想法非常獨特，技術(shù)實現(xiàn)也非常具有挑戰(zhàn)性，但其缺點是系統(tǒng)只能在低場強中運行，這就限制了其成像應(yīng)用的靈活性。而且當(dāng)磁場恢復(fù)并獲取數(shù)據(jù)時，PET數(shù)據(jù)讀出有一個很大的死區(qū)時間。當(dāng)然，與普通MRI相比，環(huán)形磁場MRI能獲得一些非常有意義圖像。不過，到目前為止，這個系統(tǒng)尚未完全實現(xiàn)，并且首次測試評估表明了它既有潛在價值，也有局限性。

3 討論

盡管致力于一體式PET/MRI的研究已有近20年左右，動物PET/MRI實驗也已成熟，但全身型臨床一體式PET/MRI仍處于初期的發(fā)展階段，目前僅有適合腦部掃描的一體式PET/MRI。全身臨床型一體式PET/MRI 的實驗原型機仍存在許多不足和問題需要解決，離商用階段估計仍還需要一段時間。可喜的是，人們已經(jīng)認(rèn)識到一體式PET/MRI的技術(shù)難點所在及解決方向，隨著研究的深入和新技術(shù)與材料的出現(xiàn)，全身臨床型一體式PET/MRI會有滿意的解決方案。

PET/MRI將為生物醫(yī)學(xué)研究提供多樣化的功能和解剖信息成像，初步的研究已經(jīng)證實PET/MRI在疾病診斷中有重要作用[28]，其未來的發(fā)展會有廣闊的空間。PET/MRI的時代注定會到來。

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