PET/MRI 研制進(jìn)展及展望

許震生 譚海波 管一暉

復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院PET中心 (上海 200235)

PET/MRI 研制進(jìn)展及展望

許震生 譚海波 管一暉

復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院PET中心 (上海 200235)

PET/MRI的出現(xiàn)必將對分子影像學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，本文就目前PET/MRI研制存在的問題和進(jìn)展情況做一綜述，并展望其潛在的臨床和科研價值。

PET/MRI 分子影像學(xué) 全景成像矩陣

剛剛邁入 21世紀(jì)，許多新的儀器、新的學(xué)科、新的思維就迎面而來。傳統(tǒng)核醫(yī)學(xué)已突破了原先自身的框架而與其他學(xué)科相結(jié)合，而其他學(xué)科也已滲透到核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，最突出的新學(xué)科是分子影像學(xué)(molecular imaging)。分子影像學(xué)是醫(yī)學(xué)影像技術(shù)與分子生物學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物,涉及物理、化學(xué)、核醫(yī)學(xué)、影像學(xué)、計算機等多門學(xué)科。它在分子生物學(xué)與臨床醫(yī)學(xué)之間架起了相互連接的橋梁，被認(rèn)為是未來最具有發(fā)展?jié)摿Φ氖畟€醫(yī)學(xué)科學(xué)前沿領(lǐng)域之一。從臨床角度看，分子影像學(xué)的內(nèi)涵是借助現(xiàn)代影像學(xué)技術(shù),從分子水平研究和觀察疾病的發(fā)生、發(fā)展中病理生理變化和代謝功能改變，使得傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)診斷方式發(fā)生了革命性變化，而代表分子影像學(xué)最前沿的儀器就是PET/MRI。隨著PET/MRI的出現(xiàn)，“融合”二字的含義也將更加廣泛,不僅是兩幅圖像、兩種(或多種)機器、設(shè)備的融合，而是多功能、多學(xué)科、多種人才的融合。這些對傳統(tǒng)核醫(yī)學(xué)既是機遇，又是挑戰(zhàn)。本文就PET/MRI研制進(jìn)展與潛在的臨床科研價值做一綜述。

圖1 PET/MRI顯像技術(shù)提供的解剖、生理、生化信息

1 PET/MRI研制進(jìn)展及存在的問題

二十世紀(jì)初研制成功的PET/CT，很快就進(jìn)入了臨床應(yīng)用，實踐表明PET/CT在臨床和科研中均具有十分重要的價值，尤其是在對腫瘤的診斷分期和療效評價等方面。CT在與PET圖像融合后，臨床應(yīng)用方面取得了明顯的成功，而作為醫(yī)學(xué)影像學(xué)必不可少的組成部分，MRI同樣是經(jīng)過證實的非常有用的臨床診斷工具。與CT相比，MRI在反映解剖形態(tài)和生理功能信息方面具有無可比擬的優(yōu)越性，PET則能夠極為敏感和準(zhǔn)確地探測到人體組織新陳代新方面的異常。如果能夠?qū)⑦@兩種技術(shù)在可同步采集數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中融合，則可獲得人體有關(guān)結(jié)構(gòu)、功能和代謝等方面的全方位信息，對于改進(jìn)疾病的診斷和治療具有重要價值(圖1)。

但PET/MRI的開發(fā)與PET/CT相比要緩慢得多，因為PET和MR的融合存在一些技術(shù)上的挑戰(zhàn)，包括避免磁共振高磁場的不良影響、PET和MR射頻場的互相影響及有關(guān)材料的研發(fā)等。但鑒于MRI較CT的一些獨特優(yōu)勢，如沒有射線、軟組織對比度高、能提供形態(tài)學(xué)以外的功能信息等，人們一直致力于PET/MRI的研究。

(1) PET/MRI一體機研制的最主要挑戰(zhàn)是需要開發(fā)一種PET探測模塊，既能在強磁場中正常工作，又不會影響磁共振影像，還能承受射頻場的影響。傳統(tǒng)PET的探頭采用的是光電倍增管(photomultiplier tube，PMT)，由于磁場會使電子偏離原先的運動軌跡而導(dǎo)致PMT探測電子的損失，即使很微弱的磁場也足以改變PMT的增益，因此PMT在磁場中不能正常工作。

目前研制的PET/MRI系統(tǒng)主要采用兩種方法來解決這個問題。第一種方法：保留傳統(tǒng)的對磁場敏感的PMT而調(diào)整PET和MR系統(tǒng)的其他特性，這也是早期研發(fā)磁共振兼容的PET所采用的方法。此法采用3～5m長的光纖將磁場內(nèi)閃爍晶體產(chǎn)生的光子傳輸至放置在磁場外的PMT和電子元件，通過將閃爍體晶體放置磁場中而所有PET數(shù)據(jù)讀取電子元件在磁場外，可將電磁場的互相干擾(electromagnetic interference，EMI)作用最小化[1-3]。第二種方法：采用對磁場不敏感的光子探測器，如雪崩光電二極管(avalanche photodiode，APD)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的對磁場敏感的PMT。經(jīng)高達(dá)9.4T磁場的測試，APD未出現(xiàn)任何性能降低[4]。因此，APD探頭為PET–MR的成功研制提供了可能(圖2)。

圖2 使用APD技術(shù)的PET/MRI探頭結(jié)構(gòu)示意圖

(2) MR孔徑大小的影響

常規(guī)磁體孔徑的MR設(shè)備也無法提供足夠空間來容納PET的組件。因此，早期PET/MRI成像實際上只是停留在PET與MR圖像軟件融合層面。近期，Siemens公司研制了一種70cm大孔徑磁體和緊湊型、快速高性能LSO晶體PET探測器，同時還開發(fā)了特殊的屏蔽系統(tǒng)來有效消除磁場對于PET數(shù)據(jù)處理鏈的干擾。為了獲得足夠充分的PET信號，相關(guān)的組件(例如線圈和掃描床)使用了低衰減材料；并且在MR掃描的同時進(jìn)行 PET信號的衰減校正，增加了診斷結(jié)果的可靠性。

(3) MR線圈及掃描范圍的限制

PET的一個很重要的優(yōu)勢就是全身顯像，因此PET/MRI的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域也是全身顯像。常規(guī)的MRI由于線圈及掃描范圍的限制，一次只能掃描一個部位，如需全身檢查，則需對多個部位重新擺位和放置線圈。如想行全身MRI，必須開發(fā)一種顯像速度快且無需更換線圈和重新擺位的MRI。隨著全景成像矩陣(total imaging matrix，TIM)技術(shù)的出現(xiàn)，人們首次實現(xiàn)了從頭頂?shù)侥_趾的全身MR掃描，并能獲得高分辨率的圖像。TIM技術(shù)的特點是革命性的矩陣線圈概念，它允許在32個射頻信道中最多組合102個線圈元件，通過增長的并行接收鏈來形成全身成像矩陣、自動病床移動、自動線圈開關(guān)控制以及在線技術(shù)，無需患者或線圈重新擺位，可提供極其準(zhǔn)確和大量信息的全身MRl影像，數(shù)據(jù)一次采集完成。

2007年推出了第一臺腦PET/MRI設(shè)備并成功用于臨床，短短數(shù)年多篇文獻(xiàn)報道說明了PET/MRI的臨床價值[5-6]。而僅僅是神經(jīng)系統(tǒng)對于一個臨床儀器顯然是不夠的，全身PET/MRI的研究仍在繼續(xù)進(jìn)展。繼分體的PET、MR系統(tǒng)后，近期全身PET/MRI的研制獲得了突破性進(jìn)展，2010年第96屆RSNA上，Siemens推出了一款Biograph mMR成像系統(tǒng)(圖3)。該系統(tǒng)為3T MR和PET所組成的一體化架構(gòu)，在圖像采集上實現(xiàn)了全身MR和PET數(shù)據(jù)的同步采集，被認(rèn)為全球首款全身型PET/MRI一體機。

2 與其他影像學(xué)設(shè)備比較PET/MRI所具有的優(yōu)勢

在同一個機架上，通過一次掃描得到融合MR和PET信息的全身成像，對于醫(yī)學(xué)影像學(xué)的發(fā)展意義非凡。更關(guān)鍵的是，這能夠獲得事半功倍的效果，PET/MRI將生命影像診斷技術(shù)帶入全新的時代。作為未來醫(yī)學(xué)影像設(shè)備發(fā)展的重要方向，PET/MRI具備其他任何產(chǎn)品所不具備的優(yōu)勢，簡單說來包括以下方面：

2.1 提高診斷的準(zhǔn)確性：同時兼?zhèn)銶R高空間分辨率和高組織分辨度的特點，與PET的高探測靈敏度和高示蹤特異性相結(jié)合，可以顯著提高臨床診斷的準(zhǔn)確性(圖4)。

圖3 全身型PET/MRI一體機—Biograph mMR成像系統(tǒng)

圖4 高清晰的腦部、胸部及上腹部PET/MRI圖像

2.2 沒有輻射：PET/MRI較PET/CT還有一個很大的優(yōu)勢，即沒有輻射。因此，PET/MRI較PET/CT更適合用于無癥狀人群的腫瘤篩查，對于患者則可以多次進(jìn)行檢查。

2.3 成像優(yōu)勢:

(1)減少掃描時間：由于該系統(tǒng)可在PET掃描過程中同時進(jìn)行MR信號的采集，因此可極大縮短掃描時間。初步研究表明，新型全身PET/MRI可在30min內(nèi)完成全身綜合性掃描，獲得全部MR和PET的圖像。而傳統(tǒng)的MR和PET分別檢查，則需要至少1個小時或更長時間。這對于醫(yī)院工作流程和患者檢查感受，都是很好的改進(jìn)。

(2)準(zhǔn)確定位：為了獲得一致的解剖空間信息，PET/MRI以同一參照系為標(biāo)準(zhǔn)，在一次掃描中同時獲得MR和PET的數(shù)據(jù)，不存在二次掃描所帶來的定位偏差的可能性，對于微小、早期病變的診斷價值巨大。

(3)消除運動偽影：PET/MRI 通過MR的門控技術(shù)凍結(jié)運動偽影，從而獲得高質(zhì)量的圖像。這對于具備生理運動的器官(例如心臟，圖5)成像至關(guān)重要。

(4)生理同步：作為不斷進(jìn)行更新的個體，人體始終處于變化的常態(tài)，任何時間上的錯位都有可能帶來新陳代謝狀態(tài)的不同。通過同時掃描，PET/MRI 能夠真正實現(xiàn)新陳代謝和生理功能在MR與PET上的同步，有助于對疾病的精確診斷(圖6)。

圖5 心臟PET/MRI圖像

圖7 腫瘤骨轉(zhuǎn)移PET/MRI圖像

3 潛在的臨床價值

從技術(shù)上看，結(jié)合Tim技術(shù)的PET/MRI可讓臨床醫(yī)師更快、更輕松地進(jìn)行掃描。通過同步獲得有關(guān)人體結(jié)構(gòu)、功能和代謝活動的信息，PET/MRI大大提升了病變早期診斷的可能性。

(1)腫瘤分期：MR和PET共同服務(wù)于腫瘤成像，高分辨率的MR成像提供了清晰的病理圖像，而PET則可以顯示病變部位的異常生化代謝，PET/MRI可為腫瘤的早期診斷、定位、定性、監(jiān)測等工作提供全面的影像學(xué)支持[7-8](圖7)。與PET/CT相比，PET/MRI在腦腫瘤、骨骼腫瘤、泌尿系統(tǒng)腫瘤、肝臟及其他腹部腫瘤診斷、分期、療效觀察等方面有無可比擬的優(yōu)勢，對于肺部病灶的診斷則遜于PET/CT。

(2)神經(jīng)系統(tǒng)的應(yīng)用：借助于PET示蹤劑的發(fā)展，尤其是近年來退行性疾病的研究進(jìn)展，通過對受體、淀粉樣蛋白沉積的顯示，對帕金森氏病、阿爾茨海默病的早期診斷與鑒別診斷方面的努力，可以通過PET/MRI完美地詮釋。其他功能性神經(jīng)精神系統(tǒng)疾病也可通過這個儀器進(jìn)行圖像顯示?？梢灶A(yù)計的是，PET/MRI將打開了解許多神經(jīng)障礙疾病如阿爾茨海默病、癲癇、抑郁癥等的病理學(xué)和病情進(jìn)展的大門。例如，PET目前已能鑒別輕度認(rèn)知障礙和早期診斷阿爾茨海默病，但尚不能測定腦萎縮導(dǎo)致的腦容積減少量，但PET和MR聯(lián)合，臨床則能更準(zhǔn)確在同一個患者身上評價患者的認(rèn)知功能障礙情況和腦萎縮情況。PET/MRI還能為腦卒中患者尋找可恢復(fù)的腦組織帶來希望。在干細(xì)胞治療的研究方面，PET/MR能同時獲得機體組織細(xì)胞的解剖、功能和生化信息，顯示于細(xì)胞移動到損傷腦細(xì)胞的軌跡，更長期地觀察干細(xì)胞是否存活，以及識別干細(xì)胞是如何整合到機體的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可能會推進(jìn)干細(xì)胞從實驗室研究到臨床應(yīng)用的發(fā)展速度。

(3)特殊群體：由于不存在使用X射線的問題，因此可最小化放射線的損傷；MR準(zhǔn)確的定位同時也保證了PET示蹤劑可以減低到最小的劑量。對于危重患者、射線過敏患者和兒童等特殊群體來說，PET/MRI是最為理想的影像學(xué)檢查手段。

(4)治療隨訪：PET/MRI有能力一次掃描獲得包含大量診斷信息的圖像，MR成像軟件可保證多次掃描的定位一致性，且不存在放射線劑量積累的問題。通過精確的計劃制定，可最大程度完善疾病的治療評價和療效隨訪[9-12]。

(5)基礎(chǔ)研究：作為領(lǐng)先的技術(shù)平臺，PET/MRI還具備滿足藥物研發(fā)及腫瘤、神經(jīng)、精神等疾病臨床與基礎(chǔ)研究的結(jié)合能力，同時也有助于開發(fā)新的生物標(biāo)記物或新治療方法。

總之，隨著PET/MRI一體機的出現(xiàn)，除腫瘤學(xué)疾病外，PET/MRI也必將為神經(jīng)精神等疾病、干細(xì)胞治療等方面的研究打開一扇新的大門。分子影像學(xué)將不再是一個單一的技術(shù)變革，而是各種技術(shù)的整合，它對現(xiàn)代和未來醫(yī)學(xué)模式將產(chǎn)生革命性的影響。但PET/MRI研究目前仍在起步階段，尤其是臨床應(yīng)用方面尚須進(jìn)一步驗證，而且其技術(shù)要求較高，購買及維修費用昂貴，在引進(jìn)時需慎重考慮醫(yī)院的經(jīng)濟及技術(shù)實力。

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Progress and Prospects of PET/MRI Imaging

XU Zhen-sheng TAN Hai-bo GUAN Yi-hui
PET Center, Huashan Hospital, Fudan University (Shanghai 200235)

With the development of nuclear technology, PET/MRI would have far reaching consequences for molecular imaging. This article will talk about the problems met in the development of PET/MRI and describe the progress to date and look forward to its potential application.

PET/MRI,molecular imaging,total imaging matrix

1006-6586(2011)04-0001-04

：R817.4

：A

2011-03-04

許震生，復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院PET中心主任