PET／MR聯(lián)合成像的應用

吳泳儀，孫夕林，申寶忠

PET／MR與PET／CT的比較

PET／CT目前已經(jīng)普遍應用于臨床診療中，其臨床療效也得到了廣泛的認可。PET與CT的結合很大程度上解決了單純PET在解剖及病灶定位上的不足，尤其是在腫瘤放療靶區(qū)的確定、放療計劃的療效及預后的評價等具有優(yōu)勢，但是，PET／CT有以下4方面局限性：①CT雖然能夠提供一定的解剖學信息，但是軟組織分辨率不高；②PET／CT成像時，由于PET與CT掃描時間的不匹配，患者呼吸運動及患者不經(jīng)意移動會導致掃描期間形成圖像偽影，從而降低圖像質量；③CT所產生的高劑量的輻射，限制了其不能應用于一些特殊人群，例如兒童、青少年及孕婦；④CT無法進行功能成像。這些問題在一定程度上限制了PET／CT的應用。雖然將PET與CT完全整合能使PET與CT同時采集數(shù)據(jù)成為可能，但這在本質上卻很難實現(xiàn)，因為必要的探測器技術[同時獲得低能量高通量的X線（CT）及511Kev湮滅的伽馬線（PET）]很難實現(xiàn)[1-8]。

1997年，Marsden等[9]最早開始研究PET／MR的模擬成像。PET與MRI融合，集合了二者的優(yōu)勢，能提供豐富的分子、功能與形態(tài)信息。但PET／MR融合的主要問題是PET與MR之間存在的相互干擾。研制新的能夠檢測511keVγ粒子的檢測器和光電二極管，成為解決一體化的PET／MR的關鍵技術問題。傳統(tǒng)的PET和PET／CT聯(lián)合系統(tǒng)，通過閃爍晶體（scintillation crystal）來檢測γ粒子，并由光 電倍增管（photomultipliers，PMT）來探測。因PMT容易受到磁場的干擾，因此，研發(fā)者們通過結合硅酸镥（lutetium oxyorthosilicate，LSO）晶體和雪崩光電二極管（avalanche photo diode，APD）來實現(xiàn)強磁場下對γ粒子的檢測，并將閃爍光子信號轉換成電信號[10]。LSO-APD檢測模塊具有體積小的優(yōu)勢，能夠很容易整合到MRI的腔體中。另外，衰減校正（attenuation correction，AC）技術也是決定能否真正實現(xiàn)PET／MR一體的另一關鍵問題。獲取物體對511keVγ光子的線性衰減系數(shù)是衰減校正的主要環(huán)節(jié)。現(xiàn)今，基于組織分割的衰減校正方法因其具有速度快、魯棒性好、個體之間解剖結構差異影響小等優(yōu)勢而應用較廣。

隨著PET／MR成像技術的發(fā)展，不僅可提供較高的分子、功能成像和解剖成像，提高了疾病早期診斷率及診斷準確性，而且極大程度地減低了成像者的受線劑量，相比于目前的PET／CT，PET／MR在健康人體檢、疾病篩查方面有更卓越的性能。

PET／MR成像技術發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，西門子、飛利浦和GE公司均推出了相關的PET／MR產品，并且已經(jīng)推廣到臨床應用。目前一體化PET／MR的融合主要有3類：

1.PET與MRI掃描儀串聯(lián)，將兩套獨立的系統(tǒng)串聯(lián)起來，共用一張掃描床，即異機采集圖像，只需對現(xiàn)有的兩套系統(tǒng)做很小的修改，然后通過軟件融合，這種設計與PET／CT較相似。同時兩套獨立系統(tǒng)也可單獨使用。但此種形式的PET／MR也存在一定的問題，例如空間占用較大、不能同時采集數(shù)據(jù)、完成兩次全身掃描需要較長時間以及患者在掃描過程中運動和生理活動所造成的圖像不匹配等[11]。

2.將可移動的PET斷層掃描插入MRI孔徑內，即“插入式”，主要技術難題是在磁場中引進電路。其優(yōu)點是使得PET與MRI的FOV一致，能同時采集PET與MRI數(shù)據(jù)，實現(xiàn)PET與MRI的完美融合，縮短了總采集時間。缺點是將PET插入MRI孔徑后，會減小掃描孔徑的大小，限制其應用。到目前為止，這種系統(tǒng)在人類顯像中的唯一例子是以APD為基礎的PET插入3TMRI[12]，并且已成功地用于人腦、頭部及上頸部的顯像。

3.將PET探測器環(huán)完全整合到MRI掃描架上，能夠對全身影像進行數(shù)據(jù)采集，即“完全集成式”，這種方式的PET／MR在技術上是最難的，花費較貴并且對操作人員的技術要求更高[5-7]。英國劍橋大學研究組[13]將PET探測器置于MRI的兩塊超導磁鐵中間；Ontario大學研究組設計了只能在低磁場下操作的PET／MR一體機，但在采集數(shù)據(jù)時會有死時間存在?；诩夹g等條件的限制，這種技術目前還沒有完全成為現(xiàn)實。

雖然PET／MR由于客觀存在的某些技術問題，包括PET／MR的結構設計、PET探頭與MRI磁場兼容性、PET／MR圖像的衰減校正等，而導致其一體化發(fā)展較為緩慢，但初步的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)其在疾病診斷中有重要醫(yī)療價值及巨大經(jīng)濟潛力[14-15]。最近，研究者們將具有TOF（time of flight）技術的PET探測器嵌合在MR設備中，使PET和MR能夠同步地分別獨立完成各自掃描，從而實現(xiàn)同一個機架、同一個掃描床和同一個掃描控制系統(tǒng)的真正同步掃描，在功能和臨床應用上實現(xiàn)了1＋1＞2。隨著新型的放射性藥物（比如PET／MR雙標記對比劑）的產生，PET／MR在分子成像及臨床應用中將會更為廣泛[16-18]。

圖1 食道癌。a）18F-FDG的CT成像；b）18F-FDG的PET／CT成像；c）MR成像；d）18F-FDG的PET／MR成像。在PET／MRI中，可將腫瘤劃分為T3期。病理診斷為鱗狀細胞癌，病理分期是pT3N1M0和IIIA?？梢娤啾扔赑ET／CT，PET／MR在TNM分期中更具優(yōu)勢[23]。

PET／MR的臨床應用

PET／MR雖然出現(xiàn)的時間較短，但卻引導著科研、臨床及轉化醫(yī)學等多個領域往更高、更遠的方向發(fā)展，初步的研究結果顯示PET／MR在腫瘤疾病、心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)等方面有明顯的優(yōu)勢。

1.腫瘤診療中的應用

腫瘤組織比正常組織代謝旺盛，腫瘤內的糖酵解代謝明顯增加，尤以惡性腫瘤為甚。因此核醫(yī)學成像成為腫瘤早期診斷最為靈敏的設備之一。對于診斷評估而言，PET／MR可能是最適合、最準確的成像方式。與PET／CT相比，同步PET／MR表現(xiàn)出更高的敏感性與特異性，對于惡性腫瘤、某些良性腫瘤具有良好的檢出和鑒別能力，而且在準確、敏銳的檢出局部淋巴結轉移和腫瘤分期方面都發(fā)揮著越來越重要的作用[19-20]。Afaq等[21]研究顯示PET／MR在病灶定位與局灶性分期的準確性與可靠度方面分別比PET／CT提高了5.1%與10%。此外，一體化的PET／MR能夠為腫瘤的療效評估及復發(fā)監(jiān)測提供更為敏感、精確的分子、功能信息[22]。

在胸部腫瘤的應用：目前，在胸部腫瘤研究中PET／MR主要用于食管癌、肺癌及乳腺癌等的診斷、分期及療效監(jiān)測。Lee等[23]對食管癌患者展開研究，利用CT、PET／CT、EUS（超聲內鏡）及PET／MR 4種成像方法，進行了99期對比，結果發(fā)現(xiàn)在T分期的正確率上，PET／MR與EUS的效果相當，而在N分期方面，PET／MR的正確率（83.3%）明顯高于CT（50%）、PET／CT（66.7%）、超聲內鏡（75%）3種檢查方法，表明PET／MR在食管癌TNM分期、療效評估和復發(fā)檢測方面準確性方面有明顯優(yōu)勢（圖1）。Rauscher等[24]研究了47個平均直徑10mm（range，2～60mm）的肺部病灶，研究發(fā)現(xiàn)18F-FDG標記的PET／MR肺部病灶成像效果與PET／CT相當，并且發(fā)現(xiàn)PET／MR及PET／CT兩者的PET圖像標準攝取值（standardized uptake value，SUV）具有較高的線性相關系數(shù)。MRI對軟組織的高分辨率同樣使其在乳腺癌診斷方面有巨大的優(yōu)勢，一體化的PET／MR同時具備MRI的高靈敏度和PET的高特異特性，使得其在乳腺癌的早期診斷方面更具潛力。Moy等[25]在一個前瞻性研究中發(fā)現(xiàn)在乳腺MR成像基礎上增加PET成像使乳腺癌的檢出率由原本的53%上升到97%。

在腹部與盆腔腫瘤的應用：目前，PET／MR在腹部與盆腔腫瘤方面主要研究的是肝癌與前列腺癌，而婦科盆腔腫瘤、胃癌、胰腺癌、結直腸癌等也都成為PET／MR的診療項目。MRI與PET融合，對于早期診斷原發(fā)性肝癌具有高的敏感性，同時一體化的PET／MR對于原發(fā)性肝癌的生物學活性、判斷患者預后方面有明顯優(yōu)勢[26]。Arce-Calisaya等[27]研究發(fā)現(xiàn)與PET／CT相比，PET／MR在檢測前列腺癌復發(fā)方面具有更高的敏感性，更容易檢測出PET／CT上未檢出的前列腺癌復發(fā)灶。Lee等[28]通過對常見的3種婦科腫瘤子宮頸癌、子宮內膜癌、卵巢癌MRI成像、18F-FDG標記的PET／CT成像以及一體化PET／MR成像進行研究和對比，結果表明一體化的PET／MR不僅具有良好的成像效果和檢出率，并且做為一種新型的技術，具有巨大的應用前景。Blanchet等[29]研究結果顯示通過對全身53處的副神經(jīng)瘤病灶進行PET／MR掃描成像，共檢出了51處（96.23%），僅有位于脊柱旁的6mm與8mm病灶在18FFDA的PET／MR上被漏檢，這可能是由于他們的FDA在PET／CT與PET／MR掃描間隙被洗掉了。

在軟組織與骨腫瘤的應用：由于MRI具有良好的軟組織對比，因此PET／MR在骨與軟組織腫瘤的研究中可能發(fā)揮較大作用。學者研究發(fā)現(xiàn)與單獨的MRI相比，PET／MR雖然沒能提高原發(fā)性骨腫瘤與軟組織腫瘤的T分期正確率，但全身PET／MR卻具備較高的TNM分期準確率[30]。并且PET／MR在骨與軟組織腫瘤的T分期與肝和顱內轉移的M分期中比PET／CT更具優(yōu)勢[16]。目前，橫紋肌肉瘤復發(fā)方面的診斷一直比較困難，而Sorin等[31]利用老鼠模型對彌漫性橫紋肌肉瘤進行了研究，一體化的PET／MR能夠準確檢測和診斷橫紋肌肉瘤，而且選擇18F-FLT與18F-FDG分別作為長春新堿治療前后的放射性藥物有利于提高診斷率。

圖2 腦膜瘤廣泛性浸潤鼻腔68 Ga-DOTATOC-PET／MRI成像（a～c）和68 Ga-DOTATOC-PET／CT成像（d～f）。可見相比與PET／CT，PET／MR可以更好的將腦膜瘤和其他組織如術后疤痕等相區(qū)分。a）對比增強MRI的T1WI；b）DOTATOC注射30min后PET成像；c）A、B的融合像；d）CT成像；e）DOTATOC注射2h后PET成像；f）D、E的融合像[39]。

2.心血管系統(tǒng)的應用

在心臟領域，由于采集圖像時心肌一直在收縮與舒張交替進行，因而一體化的PET／MR在心臟圖像采集方面優(yōu)勢較為明顯，并且著重于冠心病、心肌病以及心臟炎癥方面的研究。一體化的PET／MR能夠獲得心臟功能和心肌代謝活性、灌注等方面的信息，能夠更好的評價心肌梗死和心肌缺血。同時，PET／MR還能夠提供更多的動脈粥樣硬化斑塊組成方面的重要信息[21]。Kong等[32]通過對一名25歲的肥厚性心肌病患者應用18F-FDG標記一體化PET／MR掃描診斷其室間隔肥厚，并且顯示室間隔心肌纖維化與FDG缺損及晚期釓強化程度有相關性。Nebiyu等[33]充分論證了PET／MR在分子心血管成像方面展現(xiàn)的巨大優(yōu)勢及可能帶來的醫(yī)療利益和經(jīng)濟價值。Jarrett等[34]將標記有銅（64Cu）的馬來酰牛血清白蛋白（MBSA）作為標記蛋白，通過尾靜脈注入到大鼠和小鼠體內，進行PET／MR一體化血管成像，并且使用免疫組織化學法進行驗證，結果證明PET／MR在診斷動脈粥樣硬化方面有較大的應用潛力。心臟結節(jié)病可威脅患者一生，因其可以突發(fā)心臟驟停，并可能引起嚴重心衰，而不同于心臟的其他良性病變，一體化的PET／MR能夠提供結節(jié)病患者心肌水腫程度、炎癥狀態(tài)的連續(xù)評估，有利于心臟結節(jié)病的療效監(jiān)測及初步預防措施的采取[35]。當然，要將PET／MRI在臨床心臟病學推廣，還面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

3.神經(jīng)系統(tǒng)的應用

PET／MR在神經(jīng)系統(tǒng)中的應用較為廣泛，其可行性與價值早已被一系列的臨床研究所驗證。PET／MR已成功用于人腦細小結 構 的 研 究，如 海 馬[36]及 丘 腦[37，38]等。Afshar-Oromieh等[39]將68Ga-DOTATOC作為示蹤劑，利用PET／MR對腦膜瘤病灶進行掃描，研究中PET／MRI檢出了所有病灶，并且驗證其優(yōu)于PET／CT成像技術（圖2）。Ceriani等[40]利用PET／MR檢出了乳頭狀甲狀腺癌的頸部肌肉轉移，而患者頸部超聲、胸部CT與全身131I檢查均未見轉移，最后經(jīng)穿刺活檢證實為甲狀腺癌肌肉轉移。有學者認為一體化PET／MR對于診斷癲癇的優(yōu)勢在于減少鎮(zhèn)靜次數(shù)，尤其是對于掃描時不能保持不動的年輕癲癇患者[22]。目前PET／MR在對良惡性腦瘤、腦缺血、癲癇、吸毒成癮、老年癡呆等疾病都具有較好的診療效果。

4.在其他疾病中的應用

Niese等[41]報道PET／MR在糖尿病足和關節(jié)炎的診斷上可以為臨床提供必要的信息支持。克羅恩病患者的趨化因子等炎癥因子可以成為PET／MR成像的標記物，使得通過PET／MR對克羅恩病的炎癥過程有更深層面的了解，能夠更早的做出臨床診斷[42]。另外，PET／MR對于早期診斷潰瘍性結腸炎、血管炎、干燥綜合征、系統(tǒng)性紅斑狼瘡和代謝綜合征等疾病方面具有應用前景[43]。同時，PET／MR安全、低輻射，更適用于兒科疾病的診斷和隨訪檢查。

展望

雖然目前PET／MR的研究仍處于起步階段，技術尚有不足距離臨床推廣還存在一定距離，包括費用昂貴、PET與MRI系統(tǒng)干擾、成像速度慢、缺乏熟練的影像醫(yī)學與核醫(yī)學醫(yī)師等。但是未來影像學的發(fā)展不再是一個單一的技術變革，而是各種技術的整合。作為多模態(tài)影像融合技術的成像系統(tǒng)，PET／MR集成了生物組織的解剖學信息、功能和分子水平信息，同時其安全、低輻射的優(yōu)點使其蘊藏著巨大的醫(yī)療和經(jīng)濟價值。我們相信隨著PET／MR技術的進一步發(fā)展和完善，其在科學研究、臨床中展現(xiàn)出來的優(yōu)勢，將會很大程度上影響整個醫(yī)學影像學以及醫(yī)學科學的發(fā)展方向。

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