一體化TOF-PET/MR的臨床應用與挑戰(zhàn)

阮偉偉，劉 芳，孫 遜，張永學，蘭曉莉*

(1.華中科技大學同濟醫(yī)學院附屬協(xié)和醫(yī)院核醫(yī)學科，湖北 武漢 430072；2.分子影像湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430072)

多模態(tài)醫(yī)學影像學技術在疾病診斷中的優(yōu)勢已獲臨床廣泛認可。PET/MR是繼PET/CT之后的又一高端醫(yī)學影像學設備，對現(xiàn)代醫(yī)學影像學的發(fā)展和進步具有推動作用[1]。PET具有高靈敏度和特異度，可在分子功能和代謝水平對人體生理及疾病狀態(tài)等進行可視化。MRI具有空間分辨率高，軟組織對比度好，多參數(shù)、多序列成像的優(yōu)點，能清晰顯示解剖結構，并可利用擴散、灌注、磁敏感等功能成像方式探測組織的微環(huán)境[2-3]。一體化PET/MR結合二者的優(yōu)勢，并互為補充，可進行多參數(shù)及多功能顯像，有助于對疾病更早期的探測和定量分析病灶，推動個性化醫(yī)療的發(fā)展[4-5]。TOF技術有助于提高PET圖像質(zhì)量，降低假陽性或假陰性。本文對一體化TOF-PET/MR的臨床應用及其面臨的挑戰(zhàn)進行綜述。

1 概述

一體化TOF-PET/MR的PET探測器具有磁場兼容性，由以镥為基礎的閃爍晶體(lutetium based scintillator, LBS)和硅光電倍增管(silicon photomultiplier， SiPM)組成。LBS光子產(chǎn)額高、余暉時間短(<80 ns)[6-7]，而SiPM具有探測效率高、工作電壓低、體積小及對磁場不敏感等優(yōu)勢。相對于早期一體化PET/MR中的雪崩光電倍增管(photodiode detectors, APD)，SiPM時間分辨率可提高1 000倍[8]，從而實現(xiàn)TOF技術。TOF源于兩個光子到達晶體的時間差可被測量，理論上可由此精確計算出正電子湮滅的位置，更真實地反映湮滅的正電子計數(shù)分布，使得圖像信息計算更加精準[9-10]。

TOF技術可提高系統(tǒng)的噪聲等效計數(shù)率、重建圖像信噪比，降低圖像軸向模糊度及掃描成像時間等[11]。另外，正電子核素(示蹤劑或藥物)帶有正電荷，在磁場中沿磁場方向運動，會產(chǎn)生“正電子穿透效應”帶來的偽影。TOF技術有助于降低一體化PET/MR設備中的“正電子穿透效應”偽影[12]，提升PET圖像質(zhì)量，降低假陽性或假陰性，還可提高掃描速度和降低注射劑量[11]。研究[12]表明，基于TOF技術的PET對提升基于MR的衰減校正(magnetic resonance attention correction, MRAC)的準確性也具有重要意義。

一體化PET/MR使得不同影像模式的融合和配準更加精確[13-14]，而且所獲信息可在空間和時間方面匹配、互補，不僅能進一步推動多模態(tài)成像的發(fā)展，還能充分發(fā)揮影像融合技術，推動醫(yī)學影像學的進步[15-16]。

2 臨床應用

2.1掃描流程 一體化TOF-PET/MR的PET探測器嵌于MRI梯度線圈和體線圈之間，在PET探測器接收γ射線的同時，MR體線圈正常發(fā)射射頻信號或進行信號采集，兩者覆蓋的空間位置中心一致，從而實現(xiàn)兩種模態(tài)同步化。PET/MR常規(guī)掃描時，首先采集軸位、矢狀位及冠狀位3個平面的定位像，全身掃描時由軟件自動拼接冠狀位和矢狀位圖像，獲取全身定位像。之后根據(jù)全身定位像的結果行PET掃描定位，儀器自動快速進行MRAC掃描，獲取用于PET衰減校正的MR圖像。此后行常規(guī)MR掃描。為保證后期融合圖像位置匹配，可添加及刪除MR掃描序列，并保持MR序列定位中心與該床位的PET定位中心完全一致。完成PET/MR同步掃描后，可加行MR序列掃描，以進一步發(fā)揮其優(yōu)勢。

2.2衰減校正 目前基于MRI的PET衰減校正方法主要有區(qū)域分割法、投射掃描法、圖譜配準法及發(fā)射數(shù)據(jù)重建法[17]。一體化TOF-PET/MR結合區(qū)域分割法和圖譜配準法，首先利用DIXON水脂分離技術采集MRI，獲取組織水和脂肪的信息，但某些解剖結構如肺、骨及含空腔的臟器等區(qū)域質(zhì)子密度低、MR信號弱，且各自的衰減特性不同，使MRI區(qū)分此類組織中的水和脂肪仍較困難。為此，可選定一體化TOF-PET/MR系統(tǒng)內(nèi)嵌有的解剖模版，將人體分為頭頸、胸部、腹部和盆腔4個部分，利用MRAC分割算法給出最有可能的衰減圖，從而獲取人體不同組織的PET衰減圖，用于PET圖像的衰減校正；與衰減校正之前的圖像相比，校正之后的圖像更加清晰，背景干擾更低。但利用MRI進行PET的衰減校正仍存在不足，如肺部疾病(肺氣腫及纖維化)患者的肺密度可能與假定的衰減值顯著不同而導致校正誤差，部分植入物產(chǎn)生的易感性偽影會導致衰減校正圖中出現(xiàn)假空白點，影響PET圖像質(zhì)量，從而影響對疾病的探測與診斷[18]。

2.3臨床價值 PET與MRI可從形態(tài)、功能及分子等方面提供疾病的生物學及微環(huán)境信息，互相補充，對于疾病診斷、分期、預后判斷及療效評估等具有重要意義。Buchbender等[19]發(fā)現(xiàn)一體化PET/MR可在同一時間全面收集與生理活動相關的定量數(shù)據(jù)，如灌注、代謝及血氧水平等，對于轉(zhuǎn)化精神病學研究具有重要意義，可為早期特異性診斷癲癇、癡呆及腦卒中等疾病及療效評估提供依據(jù)。

一體化PET/MR在腫瘤的鑒別診斷、分期、療效評估和復發(fā)檢測方面具有重要作用，同時可精準定位病灶及其與周圍組織的解剖關系，在確定腫瘤放射治療生物靶區(qū)和制定外科手術切除范圍等方面具有一定優(yōu)勢。Buchbender等[20-21]發(fā)現(xiàn)PET/MR診斷腫瘤T分期的準確性較高，特別是對于頭頸腫瘤、原發(fā)性骨和軟組織腫瘤。

一體化PET/MR一站式掃描可提供關于心包和心臟形態(tài)、冠狀動脈狀態(tài)(狹窄、斑塊等)、瓣膜功能、心肌發(fā)育和灌注以及心室壁運動等綜合信息，PET和MR的定量信息既可互補又能相互印證，有利于提高臨床診斷信心。此外，一體化PET/MR也可用于觀察交感神經(jīng)支配、血管生成、缺氧、細胞凋亡、受體表達和酶活性等。

一體化TOF-PET/MR中的PET具有TOF技術。研究[11]表明，一體化TOF-PET/MR能減少PET掃描時間，提高PET/MR整體掃描速度；另外，在PET和MR同步掃描過程中，TOF可提高PET和MR圖像質(zhì)量。與PET/CT相比，一體化TOF-PET/MR靈敏度高，且輻射劑量大幅降低[22]，故一體化TOF-PET/MR適用于兒童，尤其是治療后需長期隨訪的患兒。

3 挑戰(zhàn)

一體化TOF-PET/MR具備高靈敏度探測效率、高分辨和高信噪比的圖像質(zhì)量、多序列多參數(shù)顯像以及低輻射劑量，可滿足臨床精準診斷的需求；但其應用于臨床的時間較短，如何充分發(fā)揮一體化TOF-PET/MR的優(yōu)勢是目前亟待探索和解決的問題[11,23-24]。

首先，一體化TOF-PET/MR可實現(xiàn)MR和PET同步掃描，但MR的優(yōu)勢在于能夠集中對某一部位進行多序列多參數(shù)檢查，從而提高病變的檢出率，故掃描時間較長，一般局部檢查需20 min左右；而PET單床位掃描時間設為2 min左右即可滿足臨床需求，與MR的掃描時間差別較大[25]。PET/MR的檢查時間取決于掃描時間較長的模態(tài)，單個患者整體所需檢查時間較長。同步掃描中如何優(yōu)化MR序列、恰當?shù)亟M合MR序列與PET掃描時間，從而縮短整體檢查時間、提高患者體驗及臨床檢查效率，需要進一步在臨床應用中探索。

其次，TOF-PET/MR的臨床檢查費用高于PET/CT，使得多數(shù)患者傾向于選擇PET/CT+MR；但對于兒童及輻射敏感者等，應首先推薦PET/MR。對于神經(jīng)系統(tǒng)及心腦血管疾病，一體化系統(tǒng)可同步提供同一生理狀態(tài)下同一組織的多組生理病理信息，尤其是功能信息，而這是分離式檢查無法實現(xiàn)的。拓展一體化PET/MR的臨床應用空間、提升其在科學研究中的價值是亟待努力的方向。

最后，PET與MR設備通常分屬于放射科和核醫(yī)學科，在醫(yī)院為不同科室，目前一體化TOF-PET/MR系統(tǒng)的臨床應用處于初級階段，能夠兼通放射學和核醫(yī)學的閱片者較少；MR的多參數(shù)及多序列掃描特點使MRI采集和閱片的復雜性較為突出，而PET圖像質(zhì)量依賴于重建參數(shù)設置，未經(jīng)培訓者對重建及后處理參數(shù)的設置和理解較為困難。臨床推廣一體化PET/MR系統(tǒng)還需培養(yǎng)交叉學科的綜合醫(yī)學影像學人才。

4 小結

一體化TOF-PET/MR可同步實現(xiàn)多序列多參數(shù)MR結構、功能顯像及PET功能顯像(可采用多種示蹤劑顯像)，同時大幅降低輻射劑量，在神經(jīng)、心腦血管疾病及腫瘤的診斷、治療方案制定及預后評估等方面均有望帶來更新和更全面的認知，TOF技術進一步強化了系統(tǒng)成像質(zhì)量及減小劑量上的優(yōu)勢。盡管多項研究[20-21,25]已認可了一體化PET/MR的臨床價值，但其仍面臨來自多方面的挑戰(zhàn)，包括患者體驗、檢查效率、應用優(yōu)勢最大化及相關人才不足等，有待恰當應對。