Progresses of hybrid PET/MR in quantificative evaluation of cerebral blood flow

， ，

(Department of Radiology, Xuanwu Hospital of Capital Medical University, Beijing Key Laboratory ofMagnetic Resonance Imaging and Brain Informatics, Beijing 100053, China)

Progresses of hybrid PET/MR in quantificative evaluation of cerebral blood flow

SHANYi，LUJie*，LIKuncheng

(DepartmentofRadiology,XuanwuHospitalofCapitalMedicalUniversity,BeijingKeyLaboratoryofMagneticResonanceImagingandBrainInformatics,Beijing100053,China)

The hybrid PET/MR has a unique advantage of simultaneous scanning of both PET and MRI images, which has been gradually applied in clinical practice. In the clinical studies of severe brain diseases (such as cerebrovascular disease, brain tumor and epilepsy), accurate quantification of cerebral blood flow (CBF) can help to understand the etiology, pathogenesis, and to make early diagnosis as well as therapeutic solutions. The hybrid PET/MR can implement a noninvasive, convenient and accurate method of arterial input function for quantification of CBF. The application of the hybrid PET/MR in quantification of cerebral blood flow were reviewed in this article.

Magnetic resonance imaging; Positron-emission tomography; Cerebral blood flow

腦血流量(cerebral blood flow, CBF)對(duì)維持腦組織功能和代謝水平起決定性作用，精準(zhǔn)定量CBF對(duì)腦部重大疾病的早期診斷、評(píng)估病情、制定診療方案及評(píng)價(jià)療效具有重要價(jià)值。一體化PET/MR具有同步掃描的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，一次掃描可同時(shí)獲得PET和MRI圖像，并可實(shí)現(xiàn)圖像的精確配準(zhǔn)、融合，為定量評(píng)估CBF提供了新方法。本文對(duì)一體化PET/MR評(píng)估CBF的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 CBF的概念及其臨床意義

1.1CBF的概念 CBF指每100 g腦組織單位時(shí)間內(nèi)通過的血流量，是腦灌注成像最常用的參數(shù)之一。腦灌注成像可評(píng)價(jià)血流通過毛細(xì)血管網(wǎng)、將攜帶的氧氣及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸送至腦組織并加以利用的過程，反映特定腦區(qū)的血流動(dòng)力學(xué)狀態(tài)及功能。CBF的升高或降低直接反映腦組織功能代謝水平。

1.2定量CBF的臨床意義 腦部重大疾病如缺血性腦卒中、阿爾茨海默病(Alzheimer disease, AD)、癲癇、腦腫瘤等，均可因局部血腦屏障被破壞等病理生理學(xué)改變導(dǎo)致CBF異常。對(duì)于急性缺血性腦卒中患者，準(zhǔn)確定量CBF能區(qū)分腦內(nèi)不可逆的中心梗死區(qū)及可挽救的缺血半暗帶，有利于臨床及時(shí)進(jìn)行溶栓治療；對(duì)于慢性腦動(dòng)脈硬化性狹窄或閉塞患者，CBF異常提示血管自我調(diào)節(jié)能力失代償，發(fā)生腦梗死的概率增高；評(píng)估無癥狀高危人群的CBF，可有助于進(jìn)行恰當(dāng)?shù)呐R床干預(yù)[1]。CBF是AD早期診斷、判斷預(yù)后的重要生物學(xué)標(biāo)志，研究[2]發(fā)現(xiàn)，AD患者額葉、顳葉及海馬等部位的腦灌注下降，并與其病理改變密切相關(guān)。對(duì)于癲癇患者于發(fā)作期和發(fā)作間期聯(lián)合評(píng)估CBF有助于定位致癇灶，對(duì)顯示致癇灶向功能腦區(qū)的播散具有高敏感度[3]。定量CBF還可用于腦腫瘤良惡性的鑒別診斷及病理分期預(yù)測(cè)，對(duì)制定手術(shù)方案及預(yù)后判斷有重要作用[4]。

2 常用評(píng)估CBF的影像學(xué)方法

2.1 CT檢查 檢查方法有CT灌注成像(CT perfusion, CTP)及氙CT(Xe-CT)。CTP通過對(duì)比劑在腦組織通過的時(shí)間—密度曲線間接計(jì)算CBF，優(yōu)勢(shì)為空間分辨率高，簡(jiǎn)單易行，成像時(shí)間短，費(fèi)用較低，適于急診檢查；不足為有射線輻射、對(duì)比劑過敏等風(fēng)險(xiǎn)，且不同機(jī)器的算法不同導(dǎo)致難以標(biāo)準(zhǔn)化定量分析[5]。Xe-CT以穩(wěn)定的、可通過血腦屏障彌散入腦的氙氣作為擴(kuò)散性示蹤劑定量分析CBF，優(yōu)勢(shì)為準(zhǔn)確率高，不足為設(shè)備普及率極低，且患者對(duì)氙氣耐受性差，可出現(xiàn)呼吸暫停、頭痛、惡心及嘔吐等不良反應(yīng)[1]。

2.2 MR檢查 MR灌注加權(quán)成像(perfusion weighted imaging, PWI)根據(jù)是否應(yīng)用外源性對(duì)比劑分為2類：①外源性示蹤劑灌注成像：常用方法為動(dòng)態(tài)磁敏感對(duì)比增強(qiáng)，采用靜脈快速團(tuán)注順磁性對(duì)比劑首次通過腦組織引起T2弛豫率變化的原理獲得時(shí)間—信號(hào)強(qiáng)度曲線，并將其進(jìn)一步換算為時(shí)間—對(duì)比劑濃度曲線，計(jì)算獲得相對(duì)CBF。優(yōu)勢(shì)為圖像信噪比高，組織結(jié)構(gòu)顯示清晰，不足為有對(duì)比劑過敏風(fēng)險(xiǎn)，且受不同機(jī)器場(chǎng)強(qiáng)、后處理算法等因素影響，難以實(shí)現(xiàn)CBF的絕對(duì)定量，一般采用半定量的分析方法[6]。②內(nèi)源性示蹤劑灌注成像：常用方法為動(dòng)脈自旋標(biāo)記(arterial spin labeling, ASL)技術(shù)，是以水質(zhì)子作為內(nèi)源性示蹤劑獲得CBF的檢查技術(shù)。優(yōu)勢(shì)為完全無創(chuàng)，不需注入對(duì)比劑，參數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)單；不足為信噪比和空間分辨率低、檢查時(shí)間長(zhǎng)，尚未進(jìn)入臨床應(yīng)用[7]。MR灌注檢查簡(jiǎn)單安全，可行性高，并因其不存在放射性的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)具有臨床應(yīng)用前景[8]。

2.3 放射性示蹤劑檢查 檢查方法有單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描(single-photon emission computed tomography, SPECT)和正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層掃描(positron emission computer tomography, PET)[9-10]，均為通過向人體內(nèi)注入放射性核素獲得濃度隨時(shí)間變化的時(shí)間—放射性濃度曲線，可精準(zhǔn)定量CBF。SPECT優(yōu)勢(shì)為示蹤劑價(jià)格較低，常用的示蹤劑有133Xe，99mTc-HMPAO和99mTc-ECD等，使用方便；不足為空間分辨率過低，掃描時(shí)間長(zhǎng)。PET是定量CBF的“金標(biāo)準(zhǔn)”[9]，常用示蹤劑為15O-H2O和13N-NH3，優(yōu)勢(shì)為可精準(zhǔn)定量CBF，不足為：①其所依賴的算法模型需連續(xù)采集被試的動(dòng)脈血，并離心處理后測(cè)定血漿放射性比活度，從而獲得示蹤劑濃度隨時(shí)間變化的動(dòng)脈輸入函數(shù)(arterial input function, AIF)，過程復(fù)雜、耗時(shí)、有創(chuàng)，需在橈動(dòng)脈置入導(dǎo)管行連續(xù)采血，不適用于危重患者，且可導(dǎo)致局部血栓形成或其他缺血性相關(guān)并發(fā)癥，不易被患者接受；②示蹤劑成本高且半衰期短(122 s)。研究[11]發(fā)現(xiàn)注射示蹤劑18F-FDG 2 min后迅速行PET掃描可獲得腫瘤的血流量，35～50 min后再行PET掃描還可獲得病變的代謝信息，其結(jié)果與“金標(biāo)準(zhǔn)”15O-H2O顯著相關(guān)，有望彌補(bǔ)15O-H2O示蹤劑的不足。PET的新算法模型如圖像衍生動(dòng)脈輸入函數(shù)(imaged-derived arterial input function, IDAIF)法不需動(dòng)脈采血，但需于圖像上準(zhǔn)確定位頸內(nèi)動(dòng)脈或其他顱內(nèi)動(dòng)脈以設(shè)定感興趣區(qū)獲得動(dòng)脈血的時(shí)間—活性曲線(time activity curve, TAC)定量CBF。但PET圖像空間分辨率低，無法精準(zhǔn)定位血管，導(dǎo)致IDAIF的應(yīng)用受限[12-15]。

3 一體化PET/MR在定量CBF中的應(yīng)用

3.1 優(yōu)勢(shì) 一體化PET/MR將PET和MRI融合，于相同機(jī)架、掃描床和控制系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)同步獲取PET和MRI圖像。MR檢查空間分辨率高、無輻射、軟組織對(duì)比度佳、檢查序列豐富，而PET檢查能提供腦血流量、腦細(xì)胞代謝、受體狀態(tài)、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白活性等多種分子生物信息。一體化PET/MR可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、功能及分子影像信息于時(shí)間、空間上的最佳配準(zhǔn)，適用于需要多模態(tài)成像的神經(jīng)系統(tǒng)疾病[16-17]。

PET是定量CBF的“金標(biāo)準(zhǔn)”[9]，但由于傳統(tǒng)采血法患者難以接受，無法臨床普及應(yīng)用；IDAIF法安全無創(chuàng)，但需PET和MRI圖像配準(zhǔn)，定位頸內(nèi)動(dòng)脈以獲得AIF，若患者分別進(jìn)行PET和MR 2種檢查，圖像后處理復(fù)雜，并可因床位移動(dòng)而出現(xiàn)配準(zhǔn)誤差。一體化PET/MR具有同步掃描的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，一次掃描可同時(shí)獲得PET和MRI圖像。MRI高分辨率解剖圖像能較好地顯示頸內(nèi)動(dòng)脈，可用于勾畫感興趣區(qū)。PET和MRI 2種圖像于空間、時(shí)間上的精確配準(zhǔn)融合，無需后處理就可獲得準(zhǔn)確的AIF，通過應(yīng)用IDAIF新算法模型即可無創(chuàng)、安全、簡(jiǎn)便地獲得絕對(duì)定量CBF，不僅可驗(yàn)證PWI、ASL等方法與金標(biāo)準(zhǔn)PET的一致性，更可應(yīng)用于腦疾病的臨床研究，對(duì)揭示疾病的發(fā)病機(jī)制、早期診斷、指導(dǎo)治療、判斷預(yù)后等方面具有重大意義[18]。

3.2 研究進(jìn)展 應(yīng)用一體化PET/MR定量CBF的研究熱點(diǎn)集中于驗(yàn)證IDAIF法的準(zhǔn)確率及其臨床應(yīng)用的可行性。Fung等[19]采用示蹤劑為15O-H2O的PET成像檢查9名正常人發(fā)現(xiàn)，通過與MRI T1WI圖像配準(zhǔn)，應(yīng)用IDAIF法測(cè)量的CBF與傳統(tǒng)采血法結(jié)果一致，證實(shí)IDAIF可獲得CBF絕對(duì)值。Su等[20]采用示蹤劑為15O-H2O的PET成像及MR成像分別檢查正常人發(fā)現(xiàn)，并對(duì)PET和MRI血管圖像行后處理配準(zhǔn)，結(jié)果顯示采用PET IDAIF法測(cè)量的CBF與傳統(tǒng)采血法的結(jié)果一致，但非同步的PET和MR定量CBF的結(jié)果可因設(shè)備分辨率、受試者身體移動(dòng)等因素產(chǎn)生較大誤差。Su等[21]分別應(yīng)用IDAIF法和AIF法于示蹤劑為15O-O2、15O-CO的一體化PET/MR與PET中定量CBF，發(fā)現(xiàn)一體化PET/MR極大地提高了IDAIF法測(cè)量CBF的可重復(fù)性，且圖像信噪比高，同步掃描流程簡(jiǎn)單，提示15O示蹤劑是無創(chuàng)定量CBF的理想影像手段。Khalighi等[22]應(yīng)用示蹤劑為15O-H2O的一體化PET/MR發(fā)現(xiàn)，示蹤劑的最優(yōu)注射劑量為850 MBq，同時(shí)發(fā)現(xiàn)IDAIF法能準(zhǔn)確顯示老年人CBF的降低及藥物負(fù)荷后CBF的增高，提示IDAIF法定量CBF的準(zhǔn)確率和可重復(fù)性高。

Stegger等[23]針對(duì)一體化PET/MR的PET探測(cè)器線圈是否會(huì)對(duì)ASL射頻脈沖造成影響、降低ASL序列的信噪比、干擾MR圖像的視場(chǎng)等問題進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)一體化PET/MR的ASL序列獲得的定量CBF圖無圖像偽影，且信噪比和準(zhǔn)確率高。Zhang等[24]應(yīng)用一體化PET/MR比較15O-H2O PET與ASL定量正常人CBF的一致性，發(fā)現(xiàn)PET的全腦CBF均值為(43.3±6.1)ml/(100 g·min)，與ASL的結(jié)果(51.9±7.1)ml/(100g·min)相關(guān)，2種方法分別得到的灰質(zhì)與白質(zhì)的CBF比值接近(3.0和3.4)，但ASL的大腦皮層局部CBF值高于PET。一體化PET/MR同步PET、ASL掃描，避免了時(shí)間、生理或功能等方面的誤差，能實(shí)現(xiàn)同一狀態(tài)下2個(gè)CBF值的比較，對(duì)優(yōu)化定量CBF的影像學(xué)方法有重要意義。Andersen等[25]應(yīng)用一體化PET/MR探討低劑量、無創(chuàng)的15O-H2O PET及無輻射的ASL對(duì)臨床新生兒CBF定量的可行性，發(fā)現(xiàn)低劑量的IDAIF法可應(yīng)用于定量新生兒CBF，但結(jié)果與傳統(tǒng)采血法比較有較大差異(22%)；ASL在靜息狀態(tài)下定量全腦CBF的結(jié)果與傳統(tǒng)抽血PET方法一致，但在藥物負(fù)荷狀態(tài)下兩者結(jié)果差異較大(24%)。Werner等[26]應(yīng)用一體化PET/MR掃描急性腦卒中患者與動(dòng)物腦缺血模型，比較PWI與PET定量CBF的一致性，發(fā)現(xiàn)兩者的結(jié)果具有較大的個(gè)體差異，且急性腦卒中患者的個(gè)體差異比動(dòng)物模型顯著，提示一體化PET/MR對(duì)臨床早期腦缺血的診斷及預(yù)后評(píng)估有重要意義。

綜上所述，雖然目前評(píng)估CBF的影像學(xué)方法較多，但仍缺乏無創(chuàng)、簡(jiǎn)單、精準(zhǔn)定量CBF的最佳方法。一體化PET/MR具有同步掃描PET及MRI圖像的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，有望在絕對(duì)定量CBF方面取得突破性進(jìn)展，對(duì)探究腦部重大疾病的發(fā)病機(jī)制、臨床診斷及預(yù)后判斷有重要意義[27-28]。

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關(guān)鍵詞

關(guān)鍵詞又稱主題詞，是位于摘要之后，在論文中起關(guān)鍵作用的、最能說明問題的、代表論文特征的名詞或詞組。它通常來自于題目，也可以從論文中挑選。一般每篇論文要求2～5個(gè)關(guān)鍵詞。每個(gè)關(guān)鍵詞都可以作為檢索論文的信息，若選擇不當(dāng)，會(huì)影響他人的檢索效果。醫(yī)學(xué)上現(xiàn)在主要使用美國(guó)《醫(yī)學(xué)索引》(Index Medicus)的醫(yī)學(xué)主題詞表(Medical Subject Headings, MeSH)最新版作為規(guī)范，亦可參考中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院情報(bào)研究所翻譯地英漢對(duì)照《醫(yī)學(xué)主題詞注釋字順表》。非主題詞表的關(guān)鍵詞為自由詞，只有必要時(shí)，才可排列于最后。有些新詞也可選用幾個(gè)直接相關(guān)的主題詞進(jìn)行搭配。

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(81671662)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0103001)、北京市醫(yī)院管理局重點(diǎn)醫(yī)學(xué)專業(yè)發(fā)展計(jì)劃(ZYLX201609)。

單藝(1990—)，女，北京人，碩士，醫(yī)師。研究方向：腦血管病的磁共振診斷。E-mail： shanyiedu@hotmail.com

盧潔，首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院放射科 北京磁共振成像腦信息學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100053。E-mail： imaginglu@hotmail.com

2016-02-22

2017-06-10

一體化PET/MR評(píng)估腦血流量的研究進(jìn)展

單 藝，盧 潔*，李坤成

(首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院放射科 北京磁共振成像腦信息學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100053)

一體化PET/MR技術(shù)具有一次掃描可同時(shí)獲得PET和MRI圖像的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，目前已逐步應(yīng)用于臨床。準(zhǔn)確定量分析腦血流量(CBF)對(duì)研究腦血管病、腦腫瘤、癲癇等腦部重大疾病的發(fā)病機(jī)制及臨床轉(zhuǎn)歸具有重要價(jià)值。一體化PET/MR可實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)、簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確獲得動(dòng)脈輸入函數(shù)，從而精準(zhǔn)定量CBF。本文對(duì)一體化PET/MR評(píng)估CBF的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

磁共振成像；正電子發(fā)射體層攝影術(shù)；腦血流

R445.2；R817.4

A

1003-3289(2017)08-1269-04

10.13929/j.1003-3289.201702090