一體化同步掃描PET/MR研究進展

趙紫婷，徐 磊，周蕾蕾，蔣紅兵，3*

（1.南京醫(yī)科大學附屬南京醫(yī)院，南京市第一醫(yī)院醫(yī)療設備處，南京 210006；2.南京醫(yī)科大學附屬南京醫(yī)院，南京市第一醫(yī)院核醫(yī)學科，南京 210006；3.南京市衛(wèi)生信息中心，南京 210003）

0 引言

醫(yī)學影像學已經(jīng)由形態(tài)解剖學影像發(fā)展到以組織代謝、功能成像及受體、基因表達為主體的分子影像。將現(xiàn)有成像方式進行整合，得到優(yōu)勢互補的聯(lián)合成像設備具有更大的發(fā)展?jié)摿蛻脙r值[1]。PET成像可提供人體生理代謝信息，具有探測靈敏性、分子靶向性。然而，低空間分辨力使得PET應用受限。PET/CT利用CT為PET提供解剖位置與衰減校正信息，拓展了PET的應用范圍，但兩系統(tǒng)數(shù)據(jù)并非同步采集，存在呼吸運動導致的配準誤差。MR成像具有多參數(shù)、多序列、高軟組織分辨力且無電離輻射的優(yōu)勢，一體化同步掃描PET/MR能夠獲得PET和MR在時間、空間上精確配準的圖像。但由于成像條件的限制，MR的引入也隨之帶來了兩系統(tǒng)難以兼容、圖像偽影繁雜、成像視野（field of view，F(xiàn)OV）受限、PET圖像衰減校正困難等問題。為使PET和MR合并成單一的成像系統(tǒng)，充分發(fā)揮二者融合后優(yōu)勢，研究人員先后通過結(jié)構(gòu)設計與PET組件革新，實現(xiàn)PET與MR的融合。隨著硬件的進步與圖像重建算法和衰減校正的優(yōu)化，一體化PET/MR實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步采集，成像質(zhì)量得到進一步提升，目前已初步應用于臨床。本文就一體化PET/MR在硬件配置及成像技術方面的進展作一綜述。

1 一體化PET/MR設備的發(fā)展進程

1.1 PET/MR結(jié)構(gòu)設計

在傳統(tǒng)PET和PET/CT中，γ光子由探測環(huán)中的閃爍晶體檢測，并由光電倍增管（photomultiplier tube，PMT）記錄。但磁場環(huán)境會對PMT產(chǎn)生干擾，沒有屏蔽的金屬部件會影響MR磁場的均勻性，降低MR的成像質(zhì)量。為避免PET與MR相互干擾，Philips公司推出采用分體式設計的Ingenuity TF PET/MR[2]——通過可旋轉(zhuǎn)檢查床串聯(lián)彼此獨立的PET與MR系統(tǒng)，二者依次獨立完成圖像采集與重建，再經(jīng)過配準得到融合圖像，但無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步采集，且圖像采集時間長、設備占用面積大。隨著磁場兼容性PET探測材料的發(fā)展，PET/MR結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了由分體式到PET插入式、完全集成式的飛躍（如圖1所示），真正實現(xiàn)兩成像模式的一體化融合。

圖1 一體化PET/MR結(jié)構(gòu)設計橫截面示意圖[2]

PET插入式[3]：2006年Siemens公司推出第一臺腦PET/MR設備，由標準的3.0T MR掃描設備及與磁場兼容的PET探測裝置組成，可實現(xiàn)圖像采集在時間和空間上的同步，但掃描孔徑縮小，使得其應用受限。完全集成式[4-5]：2010年Siemens公司推出首臺同機融合、能夠進行同步掃描的全身一體化PET/MR——Biograph mMR。該設備將PET探測器嵌入MR射頻線圈與梯度線圈之間，其間進行放射性散射屏蔽和射頻系統(tǒng)屏蔽，減少PET與MR信號間的干擾，真正實現(xiàn)PET與MR等中心、同容積的同步掃描。隨后GE公司于2016年首次推出配備飛行時間（time of flight，TOF）功能的一體化PET/MR系統(tǒng)——SIGNA PET/MR，將TOF技術引入一體化PET/MR系統(tǒng)。

1.2 PET探測裝置

首先被提出并運用到一體化PET/MR中的是LSO-APD檢測模塊[6]，其由磁場敏感度低的雪崩光電二極管（avalanche photodiode，APD）與硅酸镥（lutetium oxyorthosilicate，LSO）晶體組成。LSO晶體體積小[7]（最小可達到2 mm×2 mm×20 mm），易于整合到MR腔體中，同時可以提高PET圖像的空間分辨力。但APD對溫度的穩(wěn)定性要求相對較高且信號放大增益低、時間分辨力較差，無法勝任TOF功能。

之后，SIGNA PET/MR[8]采用硅光電倍增管（silicon photomultiplier，SiPM）與 25.0 mm×4.0 mm×5.3 mm的镥閃爍體，時間分辨力達到390～400 ps。SiPM對磁場敏感度低，且工作電壓低、光電轉(zhuǎn)化率高，其溫度穩(wěn)定性、能量分辨力、時間分辨力均優(yōu)于APD，已成為TOF-PET探測器的最佳選擇。與傳統(tǒng)PMT相比，SiPM的靈敏度和空間分辨力提高一倍以上，時間分辨力已提高至400 ps以內(nèi)[9]。

在此基礎上發(fā)展起來的數(shù)字硅光電倍增管（digital SiPM，dSiPM）使得時間與空間分辨力進一步提升，但受到梯度磁場切換的影響，增加了不必要的電磁噪聲，還有待進一步研究[10]。新型閃爍晶體探測器的出現(xiàn)，提高了PET成像的空間分辨力，使得PET與MR同機融合成為可能，并推動了TOF技術的發(fā)展。

2 圖像重建

分體式PET/MR的圖像重建依賴于兩成像模式各自的重建算法及圖像的異機融合配準，PET與MR重建算法的發(fā)展對于圖像的精確融合定位至關重要。目前，利用一體化PET/MR設備的同步數(shù)據(jù)進行兩成像系統(tǒng)聯(lián)合重建是這一領域的熱點問題，也是未來PET/MR圖像重建的研究方向[11]。下面主要闡述PET圖像重建中的TOF技術、點擴散函數(shù)（point spread function，PSF）與運動校正在一體化PET/MR中的應用。

2.1 TOF技術

TOF技術產(chǎn)生于20世紀80年代初期，隨著晶體材料的發(fā)展與運用、PMT性能的優(yōu)化、計算機處理能力的提升，TOF技術逐漸應用于臨床[12]，并于2006年產(chǎn)生首臺TOF-PET/CT[13]。TOF技術在PET及PET/CT成像中的應用價值已得到相關研究證實[14-15]，主要包括：提高圖像信噪比（signal noise ratio，SNR）與病灶的標準化攝取值（standardized uptake value，SUV），縮短采集時間，減少金屬偽影，減少呼吸狀態(tài)不匹配對衰減校正的影響[16]。上述優(yōu)勢同樣在TOF-PET/MR中得到證實[17-18]（如圖2所示）。

此外，TOF技術在PET/MR中體現(xiàn)了更大的應用價值。TOF技術能減少區(qū)域分割衰減校正導致的組織分割錯誤，校正截斷偽影[18]，從而提升PET/MR的衰減校正精度。在具備TOF功能的PET/MR設備中，PET與MR能夠使用同一呼吸、心電和指脈門控信號，保證PET與MR同步掃描，為呼吸門控快速掃描奠定基礎。若無TOF技術，PET/MR在胸腹部的應用會受到限制，尤其是無法獲得精準定量化的結(jié)果[19]。TOF-PET/MR一般只需要TOF-PET/CT成像所需正電子藥物劑量的40%就能得到臨床可接受的影像質(zhì)量[20]，在低劑量成像中具有一定的優(yōu)勢。

圖2 TOF技術在基于MR的衰減圖與相應PET圖像呼吸狀態(tài)不匹配時的表現(xiàn)[18]

2.2 PSF

TOF技術與其他圖像重建算法結(jié)合能夠進一步提升重建圖像的質(zhì)量，包括有序子集最大期望值法（ordered subsets expectation maximization，OSEM）與PSF。OSEM屬于代數(shù)迭代方法類，重建的圖像結(jié)構(gòu)及層次清楚，偽影、變形少，定位及定量較準確，圖像質(zhì)量好?；赑SF的PET圖像重建迭代算法能夠利用點源測試所得的PSF，有效定位響應線（line of response，LOR）的實際幾何位置，補償幾何失真，從而提高PET圖像的空間分辨力和SNR[21]。目前，在一體化同步掃描TOF-PET/MR中采用PSF重建技術，可以獲得亞毫米級分辨力[22]，這在小病灶的診斷中必不可少。有研究表明，聯(lián)合使用TOF、PSF和OSEM，能夠顯著提升圖像重建效果[23]。

2.3 運動校正

為獲取被測物體精確的運動信息、減少運動偽影對PET圖像質(zhì)量的影響，有必要進行運動校正。目前較為常見的PET頭部運動校正包括基于幀和基于LOR的方法[24]。基于幀的方法是將重建后的各幀PET數(shù)據(jù)與MR圖像配準后得到相應的運動信息（包括平移、旋轉(zhuǎn)等），再將各幀圖像作對應的反變換，也就是對重建后的PET圖像的校正。該方法簡單易行，但對PET圖像質(zhì)量有一定的要求，而且圖像的重建過程會引入一定的噪聲?；贚OR的方法是根據(jù)每個符合事件所對應LOR上的光子位置信息進行運動補償。相較于前者，該方法只需對原始數(shù)據(jù)進行操作，不涉及重建，既能避免引入噪聲，又能降低時間成本。

在此理論基礎上，產(chǎn)生2種PET/MR成像的運動校正方法[25]：一種是重建后再融合（post-reconstruction registration，PRR），將每個門控采集的圖像分別重建后融合至一個標準門控中，形成校正效果平均化的圖像。該方法同樣無法避免引入噪聲，在靜態(tài)掃描中可用延長掃描時間加以補償。另一種是運動補償圖像重建（motion-compensated image reconstruction，MCIR），即通過迭代重建法直接重建出運動補償圖像。然而，這些方法的可行性都需要臨床實踐的進一步證實。

3 圖像的衰減校正

PET顯像受光子衰減和散射影響，需要通過衰減校正獲得精確定量的圖像。PET與PET/CT分別采用放射性核素源（68Ge/68Ga）與X線掃描獲取人體組織與硬件對于511 keV光子的衰減圖，即μ圖。目前，PET/MR采用的校正方法主要包括：基于MR的衰減校正（MR based attenuation correction，MRAC）和基于PET發(fā)射數(shù)據(jù)重建的衰減校正。MRAC通過MR圖像獲得μ圖，無電離輻射，可輔助PET/MR系統(tǒng)進行運動校正，改善部分容積效應[26]，主要包括區(qū)域分割法和圖譜配準法?；赑ET發(fā)射數(shù)據(jù)重建的衰減校正能夠獲得較精確的μ圖，有助于MRAC中截斷偽影的校正。但目前，僅通過MR圖像或PET發(fā)射數(shù)據(jù)尚無法獲得掃描系統(tǒng)硬件部分的μ圖，需要對其進行額外處理[27]。

3.1 區(qū)域分割法

該方法最初采用解剖結(jié)構(gòu)顯像較好、利于觀察的T1WI MR圖像，將人體組織按照不同的衰減特性進行分類，并賦予511 keV下相應的衰減系數(shù)，用于PET圖像衰減校正[28]。其主要缺點在于：對于不同個體而言，忽略了組織的個體差異性；對于同一個體而言，即便在有差別的情況下，組織的分類數(shù)仍是固定的，不適用于本身密度不均勻的器官和組織（比如顱腦和肺組織）。此外，對于在常規(guī)MR圖像中信號相近但透射衰減系數(shù)相差明顯的組織結(jié)構(gòu)（比如骨皮質(zhì)與近端氣腔），這種方法存在極大的組織分類誤差。為此，在該理論基礎上結(jié)合特殊的MR序列，更有助于精確的組織分割[29]。

（1）兩點Dixon序列對水和脂肪進行更細致的分割，可將MR圖像分為空氣、肺、脂肪或軟組織（如圖3所示）。而骨組織在該序列呈現(xiàn)低信號，并被錯誤地賦予軟組織的衰減系數(shù)。

（2）超短回波時間（ultrashort echo time，UTE）序列利用超短橫向弛豫時間（T2）可獲取較高信號強度的骨組織圖像，用于頭顱PET的衰減校正[30]。但空氣與骨組織交界區(qū)域的分割誤差仍不可避免。

（3）利用UTE序列結(jié)合Dixon序列得到新的三回波序列（UTE triple-echo，UTILE）對組織進行分類，可以得到基于MR圖像的4級分類，實現(xiàn)全身骨骼和軟組織的快速分離[31]。然而，該序列目前僅適用于小FOV成像，且仍不能實現(xiàn)副鼻竇的準確分割。

（4）基于UTE序列，有研究發(fā)現(xiàn)，利用零回波時間（zero echo time，ZTE）采集極短的 T2MR 信號，可進一步顯示骨組織中骨小梁的結(jié)構(gòu)[32]，實現(xiàn)氣腔、骨組織和軟組織的分割，但同時受到采集時間增加的限制。

目前，針對不同掃描部位選擇不同MR序列進行衰減校正，可得到較為理想的結(jié)果。

圖3 基于MR的軟組織衰減校正[29]

3.2 圖譜配準法

圖譜配準法采用預先獲得的圖像模板和實際采集的患者解剖圖像進行配準，通過相應的組織成分差異，得到各組織的實際衰減系數(shù)，進而產(chǎn)生每例患者特有的衰減圖。圖譜配準法結(jié)合深度學習技術，可以獲得具有連續(xù)衰減系數(shù)的衰減圖，減少校正誤差[33]。近期，在一項關于深度學習技術用于MRAC（深度MRAC）的研究中[34]，研究人員利用深度學習方法從MR影像中模擬CT掃描，并在顱腦PET/MR成像中進行評估，得到了準確的模擬CT掃描數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了很低的PET重建誤差。與當前MRAC技術和基于CT的標準算法相比，深度MRAC能夠減少顱腦PET的重建誤差。由于頭部運動是剛性運動，利用圖譜配準法對頭部顯像僅需要剛性模型，而對于全身顯像則需要彈性配準，這成為限制其全身應用的主要問題。

3.3 基于PET發(fā)射數(shù)據(jù)重建的衰減校正

受到MR成像條件限制，MRAC面臨組織分割不準確、引入偽影及額外硬件的校正等影響?；赑ET發(fā)射數(shù)據(jù)重建的衰減校正能夠利用PET發(fā)射數(shù)據(jù)，結(jié)合TOF技術與其他算法獲得較準確的衰減圖。其中，交替重建迭代算法[35]不受個體組織結(jié)構(gòu)差異影響，但在肺部與骨骼產(chǎn)生的誤差較大。最大似然衰減活度重建（maximum likelihood reconstruction of attenuation and activity，MLAA）算法可對掃描中出現(xiàn)的截斷偽影進行有效校正[36]。但由于僅用到發(fā)射數(shù)據(jù)，重建時放射性分布的特征會影響組織衰減系數(shù)的估計[37-38]。

以上方法都有各自的優(yōu)缺點，未來一體化PET/MR衰減校正的最佳方案可能是各方法的結(jié)合。

4 結(jié)語

一體化PET/MR系統(tǒng)不僅是成像設備間的融合，還包括各成像技術間的強強聯(lián)合，以及各學科間的融合發(fā)展?；谏鲜鲈O備及成像技術的發(fā)展，一體化PET/MR能夠以相同成像中心提供不同成像方式的數(shù)據(jù)，通過一次掃描獲得兼?zhèn)銶R成像的形態(tài)學、功能信息和PET成像的分子代謝活動信息。然而，該系統(tǒng)尚存在掃描時間長、圖像偽影繁雜、掃描視野范圍較小等不足，現(xiàn)有成像技術還需要進一步完善，以提高圖像的定量精度。隨著硬件及軟件的進步，未來一體化PET/MR成像系統(tǒng)有望實現(xiàn)更優(yōu)的融合方式，向更加精準、更加靈活、更多功能、更廣應用的方向發(fā)展，為臨床診療提供全方面的影像信息，為更多相關研究領域的發(fā)展提供思路和方向，成為集基礎研究與臨床應用為一體的多模式分子成像系統(tǒng)。