PET/MRI研制及應(yīng)用進(jìn)展

江蘇省原子醫(yī)學(xué)研究所，江蘇 無錫214063

PET/MRI研制及應(yīng)用進(jìn)展

趙富寬，張波

江蘇省原子醫(yī)學(xué)研究所，江蘇 無錫214063

本文綜述了PET/MRI的工作原理、發(fā)展和研究現(xiàn)狀，探討了PET/MRI在腫瘤早期診斷、神經(jīng)系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)疾病中的臨床應(yīng)用現(xiàn)狀，指出PET/MRI技術(shù)將在很大程度上深化影像醫(yī)學(xué)在疾病臨床診斷上的重要性。

分子影像；PET/MRI；光電倍增管；多模式成像；放射性核素

0 前言

分子影像是現(xiàn)代分子生物學(xué)與醫(yī)學(xué)影像技術(shù)相結(jié)合的一門交叉學(xué)科，可從分子水平上反映生物體的生理病理變化， 以幫助疾病 的早期診斷、早期治 療 以及新藥研 發(fā)[1]。與傳統(tǒng)成像手段相比，它可以使細(xì)胞功能可視化，并且具有活體、無創(chuàng)、實(shí)時(shí)、特異、精細(xì)顯像等優(yōu)點(diǎn)。目前最前沿的分子影像學(xué)設(shè)備是 PET/MRI（正電子發(fā)射斷層掃描 /磁共振成像），本文就 PET/MRI作簡要綜述。

1 PET/MRI的發(fā)展概述

PET 是根據(jù)某些放射性核素（如11C、18F、68Ga 等）在衰變過程中產(chǎn)生的正電子湮滅輻射和符合探測原理構(gòu)成的計(jì)算機(jī)斷層裝置[2]，由掃描儀、顯像床及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等組成，其中掃描儀中的探測器是最重要的部分，包括閃爍晶體和光電倍增管（PMT）。PMT 可進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，其作用是探測放射性核素不斷向外發(fā)射的 γ 光子[3]，然后通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行圖像重建、數(shù)據(jù)校正。該技術(shù)操作簡單、靈敏度高、輻射低，能非侵襲性、定量及實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地監(jiān)測活體內(nèi)的生物學(xué)過程，主要在分子水平上提供有關(guān)臟器及其病變的功能信息[4]，是目前最先進(jìn)的大型醫(yī)療診斷成像設(shè)備之一，其醫(yī)療價(jià)值在臨床上已得到公認(rèn)。

MRI屬生物磁自旋成像技術(shù)，主要利用原子核的自旋運(yùn)動(dòng)，在外加磁場的作用下，經(jīng)射頻的脈沖擊后產(chǎn)生信號，探測器隨后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，生成圖像。MRI不僅可通過多參數(shù)序列顯示出結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，還可以進(jìn)行多種功能成像，與 CT 相比具有安全、無輻射、精確等優(yōu)點(diǎn)[5]。然而和PET 相比，MRI功能成像還是有一定的局限性。

利用 PET 和 MRI各自的優(yōu)勢，將兩者結(jié)合有助于提高圖像質(zhì)量和空間分辨率，鑒別軟組織中擴(kuò)散的疾病細(xì)胞或癌細(xì)胞，克服CT在腦檢查中的盲區(qū)，提高骨髓病變的檢出率。也正是由于 PET 和 MRI的這種互補(bǔ)特性，一體化的PET/MR 掃描儀已經(jīng)進(jìn)入研究階段[6]。

世界上第一幅人腦 PET/MRI 圖像誕生于 2006 年10 月[7-8]， 雖 解 剖 顯 像 效 果 不 佳，功能顯像的靈敏度 低，無法滿足臨床全身顯像的要求，但 PET 和 MRI這兩種技術(shù)融合所隱藏的巨大經(jīng)濟(jì)效益和醫(yī)療利益為繼續(xù)開發(fā)完美的PET/MRI提供了不竭動(dòng)力，在隨后的發(fā)展過程中，不斷有PET/MRI產(chǎn)品問世。

一種新的多模式成像儀的誕生及發(fā)展必然會遇到許多困難和挑戰(zhàn)。PET 和 MRI的同機(jī)融合，需要解決很多技術(shù)問題，比如圖像的同時(shí)采集、雙模態(tài)成像探針、掃描時(shí)間的優(yōu)化、運(yùn)動(dòng)偽影的處理、風(fēng)險(xiǎn)和安全性的評估等[9]。如前所述，PET 裝置中最重要的部分是 PMT，但 PMT 對 MR磁場缺乏兼容性，需要設(shè)計(jì)新的機(jī)械機(jī)構(gòu)和具有新探測器的 PET 系 統(tǒng)[2]。 隨 著 半 導(dǎo) 體 技 術(shù) 的 發(fā) 展， 研 究 人 員 研 制出了雪崩光電倍增管（APD）和硅光電倍增管（SIMPS）。APD 對 MR 磁場敏感度低，可通過極短的光纖直接與PET 閃爍晶體連接，目前已運(yùn)用到 7T 場強(qiáng)的小動(dòng)物實(shí)驗(yàn)PET/MRI 與 3T 場強(qiáng)的臨床 PET/MRI 中[10]。但 APD 需要很強(qiáng)的冷卻系統(tǒng)以便在整個(gè)操作過程中維持溫度的相對穩(wěn)定，同 時(shí) 居 高的 工 作 電 壓 也 會影 響 檢查[11]。Moehrs S 等[12]提出將傳統(tǒng)的 PMT 替換為由雪崩二極管陣列組成的 SIMPS。SIMPS 除了對磁場低敏感外，其溫度穩(wěn)定性、能量分辨率及時(shí)間分辨率均優(yōu)于APD，但其測量性、穩(wěn)定性及探測效率仍需進(jìn)一步改善[13]。

PET 顯像受到光子衰減和散射的嚴(yán)重影響，要獲得 精 確 定 量 的 圖 像， 需 對 圖 像 進(jìn) 行 衰 減 校 正[14]。 目 前，PET/MRI采集的圖像重建對 PET 數(shù)據(jù)進(jìn)行衰減校正的方法有 2 種[15]：① 在 PET 采集數(shù)據(jù)的同時(shí)對 MR 數(shù)據(jù)按成分進(jìn)行分段，如軟組織、空氣、腦脊液和骨，該方法首次被Martínez-M?ller A 等[16]用于全身掃描型 PET/MRI顯像 ；② 衰減校正因子法，提前建立一套基于 MR-CT 圖像衰減的數(shù)據(jù)庫，檢查者的常規(guī)MR圖像與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對、圖像配準(zhǔn)，找到校正因子后對單獨(dú)的 PET 掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行衰減校正。但國際上至今尚無統(tǒng)一 PET 數(shù)據(jù)的衰減校正方法。

隨著 PET 本身硬件設(shè)備的進(jìn)步、數(shù)據(jù)重建的優(yōu)化、MRI采集視野的擴(kuò)大、采集序列的提升、全身掃描技術(shù)的改進(jìn)、低磁場敏感度探測器的研發(fā)及 PET 和 MRI各種兼容方法的出現(xiàn)，PET/MRI得到了更進(jìn)一步的發(fā)展。目前 GE、Philips、Siemens 均 可 提 供 PET/MRI。GE 和 Philips 的 設(shè)計(jì)理念是按先 MRI后 PET 的順序進(jìn)行掃描。GE 主要是將PET 和 MRI分別放置在兩個(gè)房間，顯像床可從一個(gè)房間的掃描儀移動(dòng)到另一個(gè)房間的掃描儀上，這樣可以充分利用兩個(gè)系統(tǒng)的檢查優(yōu)勢。PET 數(shù)據(jù)校正基于 CT 圖像，這種多模式組合方法對于掃描器的要求最簡單，但操作過程中由于被檢查者的臟器運(yùn)動(dòng)如肺的呼吸運(yùn)動(dòng)等產(chǎn)生的偽影會降低圖像質(zhì)量[17]。Philips 設(shè)計(jì)的 TF-PET 掃描器與 3T MRI 在同一個(gè)房間，由一個(gè)可旋轉(zhuǎn) 180°的顯像床串聯(lián)[18-19]，該系統(tǒng)使用的是基于 MR 圖像的 PET 數(shù)據(jù)校正，但患者自主或不自主的移動(dòng)易造成圖像失真而不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行采集[9]?？傊@兩種設(shè)備使得腫瘤軟組織的成像診斷能力及其他一些方面的臨床應(yīng)用有了顯著改善，且放射劑量的減少使之更有利于在兒科疾病診斷領(lǐng)域的應(yīng)用。

Siemens 生產(chǎn)設(shè)計(jì)的分子 MR 是全球唯一一款具備同步數(shù)據(jù)采集技術(shù)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)“共同編碼的準(zhǔn)確性，沒有功能相關(guān)性，沒有運(yùn)動(dòng)校正，雙倍的采集時(shí)間”，是一臺具備 PET 內(nèi)核的全身 MR 成像系統(tǒng)[20-22]。它的一體化體現(xiàn)在4個(gè)“同”：同機(jī)融合、同中心布置、同步掃描、同一生理?xiàng)l件下進(jìn)行掃描[23]，實(shí)現(xiàn)了在解剖學(xué)、功能學(xué)、生理和生化學(xué)等各個(gè)層面上信息的同時(shí)采集，數(shù)據(jù)在空間和時(shí)間上吻合，能夠準(zhǔn)確反映新陳代謝和功能進(jìn)程，有助于更好地了解生理過程的真實(shí)狀態(tài)，為全身疾病的深入認(rèn)識提供細(xì)節(jié)展示，進(jìn)而提出對疾病觀測的新視角，開發(fā)治療隨訪的新方法，開拓科學(xué)研究的新領(lǐng)域。

2 PET/MRI的臨床應(yīng)用

2.1 PET/MRI與PET/CT的比較

PET/CT 檢查在臨床已非常普及，其臨床價(jià)值也得到了認(rèn)可，特別是 PET/CT 引導(dǎo)下對腫瘤放療靶區(qū)的確定、靶區(qū)改變對放療計(jì)劃的影響、療效及預(yù)后的評價(jià)等已取得了初步的成績。但近年來出現(xiàn)的 PET/MRI不僅可提供功能信息和解剖信息，而且 MRI準(zhǔn)確定位的同時(shí)也保證了 PET 示蹤劑可減低到最小劑量，無創(chuàng)地提供盡可能多的人體信息，提高了疾病診斷的準(zhǔn)確性，比目前的 PET/CT 在疾病篩查方面有更卓越的性能。

2.2 PET/MRI的初步臨床應(yīng)用

PET/MRI的出現(xiàn)指導(dǎo)著科研、臨床及轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域往更高、更遠(yuǎn)的方向發(fā)展，未來可能是對付腫瘤、腦部疾病和冠心病這3大威脅人類生命的疾病的最優(yōu)手段。

2.2.1 PET/MRI在腫瘤治療中的應(yīng)用

腫瘤的早期診斷、早期治療對改善患者的生活質(zhì)量及提高生存率至關(guān)重要。腫瘤組織中的細(xì)胞增殖快、細(xì)胞膜葡萄糖載體多、細(xì)胞內(nèi)磷酸化酶的活性高等特點(diǎn)可使腫瘤內(nèi)糖酵解代謝明顯增強(qiáng)，借助相應(yīng)的靶向探針可使腫瘤組織可視化。對于診斷評估而言，PET/MRI可能是最適合、最準(zhǔn)確的成像方式。孟慶良等[24]報(bào)道用 MRI 與18F-FDG PET 先后掃描同一名肺癌患者，隨后進(jìn)行圖像融合、數(shù)據(jù)重建，發(fā)現(xiàn)其在肺癌的鑒別診斷、分期、療效評估和復(fù)發(fā)檢測方面準(zhǔn)確性大大提高，同時(shí)由于融合圖像能夠確定病灶的精確位置及與周圍組織的解剖關(guān)系，在確定肺癌放射治療生物靶區(qū)和制定外科手術(shù)切除范圍等方面有著明顯的 優(yōu) 勢。N.F. Schwenzera 等[25]對 包 括 患 顱 內(nèi) 病 變、 頭 頸部腫瘤及神經(jīng)退行性病變等 50 名患者，借助18F-FDG、11C-MET、68Ga-DOTATOC 3 種示蹤劑，在 PET/CT 掃描后再行腦 PET/MRI，MR 技術(shù)除了解剖型 MRI掃描、功能序列外，還結(jié)合有彌散張量成像（DTI）、動(dòng)脈自旋標(biāo)記（ASL）及質(zhì)子光譜等功能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)腦 PET/MRI對疾病診斷的準(zhǔn)確率達(dá) 90%，表明該融合型腦 PET/MRI可進(jìn)行高質(zhì)量的分子、解剖及功能成像。另外，孫娜等[26]報(bào)道臨床已推薦 PET/MRI用于腦膠質(zhì)瘤的診斷、放射性壞死和腫瘤復(fù)發(fā)的鑒別診斷、療效監(jiān)測和預(yù)后評估等。

Christian Buchbender 等[27]比 較 了 PET/MRI 和 PET/CT在腦、頭頸部、胸腹及骨盆腫瘤TNM分期的準(zhǔn)確性，發(fā)現(xiàn)PET/MRI在這些腫瘤實(shí)體（比如頭頸部鱗癌）T 分期中有較高的準(zhǔn)確性，但在 N 分期中 MRI全身分期方法檢測的準(zhǔn)確性與 PET/CT 無明顯差異，PET/MRI本身并沒有展現(xiàn)其優(yōu)勢，而腦、肝腫瘤的 M分期準(zhǔn)確率仍然是受益于MRI居高的軟組織對比度。同年，Christian 等[28]采用同樣的方法對原位骨腫瘤、軟組織瘤及黑色素瘤進(jìn)行TNM分期，對比發(fā)現(xiàn) PET/MRI有望在原位骨腫瘤和軟組織瘤的 T 分期中發(fā)揮優(yōu)勢，而這兩種多模式成像對腫瘤的N分期無明顯差異，對M分期的確定與腫瘤轉(zhuǎn)移部位相關(guān)。

2.2.2 PET/MRI在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的應(yīng)用

近年來已有關(guān)于腦專用型 PET/MRI在腦顯像中的潛在臨床應(yīng)用價(jià)值的初步報(bào)道[29-30]，而隨著全身型 PET/MRI的出現(xiàn)，其在神經(jīng)系統(tǒng)中的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注。Garibotto V 等[31]對 1 例急性缺血性中風(fēng)后小腦皮質(zhì)失聯(lián)絡(luò)（CDD）的患者行 PET/MRI掃描，檢測出多種神經(jīng)聯(lián)絡(luò)故障，比如纖維變性、代謝障礙等。另外，由于 PET 可對老年癡呆癥的病理生理進(jìn)行評估，而 MRI彌散張量成像、功能磁共振成像和默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)可獲取腦結(jié)構(gòu)的獨(dú)特信息，所以一體化的 PET/MRI能夠破譯神經(jīng)退行性疾病中各種 癡 呆 類 型 的 一 系 列 病 理 生 理 變 化[9]。Vargas MI 等[32]采用 PET/MRI檢查了右臂叢肉瘤術(shù)后周圍神經(jīng)損傷情況。Valentina Garibotto 等[33]分析了 PET/MRI 在神經(jīng)影像方面的性能和臨床適用情況，受試者包括疑有神經(jīng)退行性病變者、藥物難治性癲癇行術(shù)前評估者及腦腫瘤患者共 15名，結(jié)果報(bào)告顯示4例神經(jīng)退行性病變、6例癲癇、5例高分化腫瘤。在隨后的臨床隨訪中，有 14例得到證實(shí)，其準(zhǔn)確率為 93.3%。

2.2.3 PET/MRI在心血管系統(tǒng)疾病中的應(yīng)用

隨著 PET 顯像技術(shù)在臨床上的應(yīng)用和發(fā)展，其在阻塞性冠狀動(dòng)脈疾病（CAD）診斷中的敏感性和特異性達(dá) 90%以上[34-35]。特別是 PET 心肌灌注顯像對局部缺血程度的檢測有助于最佳治療方案的制定[36]。MRI 在阻塞性 CAD 的診斷方面同樣具有優(yōu)勢，MRI可在造影劑二乙基三胺五乙酸（DTPA）快速注入冠狀動(dòng)脈后對其狹窄程度進(jìn)行顯像，敏感性和特異性分別為 91%、81%[37-38]。結(jié)合 PET 和 MRI 的顯像優(yōu)勢，利用一體化的 PET/MRI掃描，將 MRI獲得的形態(tài)信息（如 MR 血管造影），連同 PET 成像獲得的功能信息（如灌注），進(jìn)行數(shù)據(jù)重建、整合，可幫助區(qū)分心外膜狹窄和微血管功能障礙或區(qū)分存活心肌間的瘢痕形成和功能失調(diào)[39]。診斷動(dòng)脈粥樣硬化（AS）的金標(biāo)準(zhǔn)為血管造影術(shù)，但該方法有創(chuàng)、投射野小、空間分辨率低、易出現(xiàn)偽影，Jarrett 等[40]采 用64Cu-M-BSA（ 馬 來酰牛血清白蛋白）PET/MRI對實(shí)驗(yàn)鼠（小鼠、大鼠）進(jìn)行血管顯像，并將其與免疫組化檢驗(yàn)結(jié)果對比，證實(shí) PET/MRI在 AS 診斷方面有較大的潛力。

當(dāng)然，并不是所有的心臟病患者都適用 PET/MRI，安裝心臟起搏器或體內(nèi)有金屬異物者不能進(jìn)行 MRI檢查。但PET/MRI融合顯像對心肌代謝功能的檢測和結(jié)構(gòu)變化病灶的定位仍有重要意義[41]。

2.2.4 PET/MRI在其他疾病中的應(yīng)用

PET/MRI對其他疾病的診治與預(yù)后也有潛在的應(yīng)用價(jià)值。MRI采集骨圖像無骨偽影干擾，常被用于關(guān)節(jié)、韌帶、肌腱、軟骨結(jié)構(gòu)和骨髓的評估。有研究報(bào)道，18F-FDG PET在差分定位診斷骨髓炎和糖尿病患者夏柯氏關(guān)節(jié)病變中可對感染進(jìn)行成像評估[42-44]，PET/MRI 很有可能有助于評估一些特異性的臨床表現(xiàn)比如糖尿病足和關(guān)節(jié)炎[45]。另外，PET/MRI在克羅恩病、潰瘍性結(jié)腸炎、干燥綜合征、血管炎、系統(tǒng)性紅斑狼瘡和代謝綜合征等的診斷中也有著不可忽視的作用[9]。同時(shí)，PET/MRI 低輻射的安全性，也有利于兒科疾病的診斷和隨訪檢查。

3 展望

雖然 PET/MRI技術(shù)尚有不足且臨床研究有限，未來需更進(jìn)一步地探索和挖掘其更多潛在的利用價(jià)值。但PET/MRI無疑是分子影像舞臺上最耀眼的一顆明珠，它在科研、臨床中所展現(xiàn)出來的優(yōu)勢，將在很大程度上影響整個(gè)影像學(xué)、醫(yī)學(xué)的發(fā)展方向。

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Development and Application Progress of PET/MRI

ZHAO Fu-kuan, ZHANG Bo
Jiangsu Institute of Nuclear Medicine, Wuxi Jiangsu 214063, China

This paper summarizes the working principle, development and research status of PET/MRI, and discusses its application in early diagnosis of cancer, nervous system and cardiovascular system diseases, and points out that PET/MRI technology will greatly deepen the value of medical imaging in clinical diagnosis of diseases.

molecular imaging; PET/MRI; photomultiplier; multimodal imaging; radionuclide

R814.42

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.08.020

1674-1633(2014)08-0066-04

2014-02-14

2014-04-15

作者郵箱：zhangbo@jsinm．org