当代最先进分子影像新技术—PET/MRI

王强 王荣福

北京大学第一医院核医学科 (北京 100034)

当代最先进分子影像新技术—PET/MRI

王强 王荣福

北京大学第一医院核医学科 (北京 100034)

PET/CT作为一种多模式显像技术，已在科研与临床工作中取得了令人瞩目的成就。MRI在多方面优于CT，因此，PET/MRI分子影像设备的研究成了近些年的热点。PET/MRI融合显像可提供分子、形态与功能信息，具有较大的潜力，但其研制过程中仍存在一系列问题，若能合理解决必将给分子影像学带来深远影响。

多模式成像 PET/CT PET/MRI 先进技术

为适应目前社会需求，医学模式已从传统的临床疾病诊断与治疗步入健康人群的预防和保健，即从过去的大体、器官或组织诊断过渡到现代染色体、基因和蛋白质诊断[1]。这一全新的医学模式转换必然导致人们积极探索和寻找“健康人”可能潜在患病的异常发现的技术与方法[2]。近年来，分子影像学已成为预警、早期诊治疾病最富有应用前景的医疗新技术、新方法和新手段，而精良分子影像设备和具有特异的分子探针正是分子影像学的两大支柱或核心所在，其临床应用研究价值突出表现在3个方面：①预警和早期诊断，监视和检出“健康人”潜在患病信号，即利用高端分子影像设备和特异分子探针对没有临床症状和表现的患者做出临床前诊断，如早发肿瘤、轻度认知功能障碍神经退行性疾病等；②与现代生物材料技术相结合制备出先进检测设备和分子探针，为分子医学疾病诊断及靶向治疗开辟了全新的领域；③作为受体介导、反义基因表达显像和靶向治疗的载体和药物筛选手段，广泛应用于生物医药领域[3]。因此，以新型分子成像设备和具有靶向性的分子探针等先进技术为核心的分子影像学，有望发展成为21世纪最重要的医疗手段之一[4]。

PET/CT可提供解剖与功能显像信息，近些年来发展十分迅速，已广泛应用于临床并得到了社会认可[5]。MRI在软组织显像方面强于CT且无辐射，同时还具有其他多种功能显像技术，如磁共振波谱技术、功能性磁共振成像等。PET与MRI一体机的构想始于上世纪90年代中期，甚至早于PET/CT融合技术的提出，虽然PET/MRI具有光明的前景，但PET/MRI一体机的研制却相对缓慢，原因主要在于PET与MRI完全融合存在PET探头与MRI磁场兼容、PET图像衰减校正、PET/MRI系统结构设计等问题[6]。

1 PET/MRI研制的技术问题

1.1 PET探头与MRI磁场兼容

PET探头是PET中最重要的部分，晶体性能决定PET探头性能，晶体材料主要有NaI(TI)、CSI(TI)、BGO、LSO(Ge)、GSO，LYSO等，其中GSO与LGSO磁导率与人体组织差别较大，会影响MRI磁场均匀，造成图像失真，因此无法应用于PET/MRI[7,8]。

常规PET探头采用光电倍增管(photomultiplier tube，PMT)进行光电转换，但MRI磁场可改变电子运行轨迹进而造成探测电子损失，因此PMT无法在磁场中正常运行[9]。可用的解决方法为将PMT置于MRI磁场外，通过光纤将其与磁场中的PET闪烁晶体连接并进行光信号传输，之后得到PET图像。但光子传输过程中由于光子的丢失会导致图像分辨率及灵敏度降低、散射分数增高[8,9]，大量应用光纤需要占据MRI内较多空间，对MRI硬件有一定的要求。

新近研制的雪崩光电倍增管(avalanche photomultiplier，APD)对磁场敏感度低，PET探头分辨率高于2mm，APD可直接或通过极短的光纤与PET闪烁晶体连接，PET数据传输处理系统通过同轴电缆引导与放大APD信号[9]。目前，APD已应用于7T 场强的小动物PET/MRI与3T场强的临床PET/MRI，但其依然存在一些缺点，如对温度稳定性有较高的要求、工作电压高等。

Moehrs等[10]提出PET探头应用硅光电倍增管(silicon photomultipliers，SIMPS)可与MRI磁场很好地兼容。SIMPS是一种新型的光电探测器件，由工作在Geiger模式的雪崩二极管阵列组成，具有增益高、灵敏度高、偏置电压低、对磁场不敏感、结构紧凑等特点。SIMPS温度稳定性高于APD，二者空间分辨率相似，但在能量分辨率与时间分辨率方面前者好于后者。 SIMPS可测量性与稳定性需要进一步改进，同时，SIMPS探测效率需要更加完善及进行试验研究以使PET/MRI具有更高的分辨率与敏感度[11,12]。目前，一大批中外科学家都在积极研制基于SIMPS的PET，其未来具有较好的前景。

1.2 PET图像衰减校正

目前，PET/CT中PET图像主要利用CT进行衰减校正，其运用CT图像代替光子衰减校正，再进行图像重建，具有扫描时间短、噪声低等优势，对PET诊断的准确定位起到了显著的促进作用[8]。PET/MRI中MRI成像技术并非利用组织密度分布，而是磁自旋成像，因此无法直接由MRI图像得到PET衰减分布图。

Hoffmann等[13]提出一系列可行的基于MRI的衰减校正法。第一种方法为分割法，可先进行透射扫描，随后将得到的MRI图像分割为几个不同的部分，多选用对解剖结构观察较好的T1加权像，之后分别赋予相应的衰减系数，然后将这些衰减图像应用于PET图像中；另一种方法为基于图谱的配准法，在PET/MRI检查结束后，患者MRI模板图像得到一个相应的PET衰减系数模板，之后将MRI模板图像通过空间变换转换为实际MRI图像，同时PET衰减系数模板进行相同空间变换得到实际的PET衰减系数图。此外，能否通过外置透射源利用透射扫描来得到PET衰减分布图仍然值得讨论。

1.3 PET/MRI系统结构设计

PET/MRI系统结构构建可考虑的模式主要有三种，即串联式、插入式及整合式。

串联式结构即PET与MRI按一定顺序排列放置，类似于PET/CT中的串联式结构，采用分步采集数据的方法。但MRI采集速度较慢，成像时间长于CT，采用此种结构PET/MRI使用效率较低，且不能实现同时成像[14]。

插入式结构中PET探测器置于MRI设备内，PET探头需最大限度降低对磁场干扰，同时其在磁场波动中应具有稳定性且可避免电磁干扰。这种设计可做到真正意义上的同时成像，提高PET/MRI效率，目前较多研究者选择此种结构[15]。但插入式结构需要不断地提高相关技术水平以避免PET与MRI之间相互的干扰，此外PET占据MRI腔体空间需进一步降低。

整合式结构目前主要依赖于三种技术[16]，①建立两个单独、动态可控磁体，一个激发质子，另一个接收MR信号，此种交叉采集方式的建立有利于PET数据采集；②PET探测环位于分裂超导磁场，由光纤运输闪烁光子于磁场外进一步处理；③ 闪烁晶体与光电倍增管组件位于MRI发送与接收线圈之间。目前，此技术只能运用于低磁场且有专门的磁场梯度设置，这在一定程度上限制了其应用。

2 PET/MRI科研与临床应用

2.1 小动物PET/MRI

1997年，shao等[17]将闪烁晶体插入场强为0.2T的MRI磁场中，通过3米长的光纤连接于磁场外的PMT，实现了PET与MRI同步扫描成像。同年，Garlick等[18]首次利用基于光纤的PET/MRI实现了离体大鼠心脏灌流成像。之后，Pichler等[19]将磁场敏感度低的APD直接与场强为7T的磁场中的闪烁晶体紧密连接，采集到了小鼠的PET/MRI图像。目前，尽管很多PET/MRI研究者倾向于采用基于APD的PET探测器，但由于APD存在对温度较为敏感等缺点，因此一些研究小组仍在设计基于光纤的PET/MRI。2006年Lucas等[11]设计的小动物PET/MRI采用了两个磁体，1.2米长的光纤通过磁体间的裂缝连接位于磁场外的PMT与磁场中的闪烁晶体。

迄今为止，很多科研小组都在致力于小动物PET/MRI的研制与开发，但商业性小动物PET/MRI尚未问世。小动物PET/MRI中的PET组件经过改进可能将朝着闪烁晶体更小、低噪声、探测环直径更低方面发展且PET组件与MRI兼容性更强。小动物PET/MRI图像分辨率将进一步改进达到亚毫米级，同时点源灵敏度超过10%[6,20]。与临床用PET/MRI相比，小动物PET/MRI一般采用高场强MRI，需要更佳的MRI性能，在信噪比、fMRI中的血氧合度依赖的对比、波谱分析与弥散加权成像、图像空间分辨率等方面均优于前者。

2.2 临床用PET/MRI

2006年，北美放射学年会报道了首例用西门子公司PET/MRI一体机同步采集的人脑图像，取得了令人振奋的效果，接着，西门子公司推出了基于APD磁场强度为3T的PET/MRI，进一步改善了图像质量[21]。目前，虽然尚没有商业化的PET/MRI设备，但PET/MRI的巨大潜力是毋庸置疑的。

可以预料，PET/MRI在神经系统疾病诊断方面将起重大作用，如神经退化性疾病、脑局部缺血、神经肿瘤性疾病、癫痫等[22,23]。同时，PET/MRI在研究脑功能、代谢、耗氧率、局部放射性示踪剂与脑血流灌注的关系等方面也有独特的作用。Chandra等[24]利用PET/MRI对癫痫病灶进行定位，证实PET/MRI优于其他方法。Ledezma等[25]报道了PET/MRI在神经胶质瘤诊断中的作用，结果表明PET/MRI可提高脑部肿瘤的检出率。

目前尚没有可进行全身显像的PET/MRI一体机，大多数关于此方面的研究多通过对分别获得的PET与MRI数据软件融合来进行。PET/MRI与目前常用的PET/CT相比有较多的优点，首先，MRI对人体无放射性损伤，因此，与PET/CT相比，PET/MRI可大幅度降低放射损伤；其次，MRI具有较高的软组织分辨力，可更清楚地显示正常解剖结构，因而在此方面有望超越PET/CT；同时，MRI可以采用不同的技术来反映组织多参数信息，获得多参数信息不仅有利于病变的显示，对病变的定性诊断也带来很大益处，且可通过磁共振波谱技术、功能磁共振成像等技术提供功能性信息，因此PET/MRI将对多种疾病具有早期发现、早期诊断的价值[26,27]。

2.3 PET/MRI其他方面的应用

PET/MRI很可能成为研究新药功用的理想设备，如血管再生抑制剂、免疫系统调节剂等，因为PET/MRI可了解到治疗药物发挥作用时个体细胞代谢及生化信息的变化[16,28]。在干细胞治疗研究方面，PET/MRI也具有较大的潜力，其可根据相关标记物追踪干细胞移动轨迹、是否存活及整合到机体组织[16,28]。

3 展望

初步的研究结果已证实PET/MRI在科研与临床中具有巨大的潜力，现有研究成果表明PET与MRI可同时显像，且小动物PET/MRI与可进行人脑显像的PET/MRI已经研制成功。虽然PET/MRI具有很多其他显像模式所不具备的优点，但是未来仍然存在一系列挑战需要解决，如适合全身显像的PET/MRI尚未问世；PET/MRI造价必将高于PET/CT；PET/MRI成像时间较长，病人检查时间相应也会较长；PET/MRI融合图像的解读对核医学医师提出了更高的要求，联合医师培养的必要性越来越明显[29,30]。类似于刚刚诞生时的PET/CT，PET/MRI尽管目前也存在很多问题，但相信随着科技进步，这些技术难题会被攻克，PET/MRI有望将分子影像学的发展推到一个新的高度[31]。

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A Novel Molecular Imaging Technique of PET/MRI

WANG Qian WANG Rong-fu Department of Nuclear Medicine, Peking University First Hospital (Beijing 100034)

PET/CT has acquired great achievements both in scienti fic research and clinics as a multi-model imaging technology. MRI in many ways better than CT, so the research of MRI has became a hot topic in recent years. PET/MRI is a combination of molecular,morphological and functional information. Although PET/MRI has a great potential, the system still has a series of problems. PET/MRI will has a profound in fl uence to molecular imaging if solve those problems.

multi-modal imaging,PET/CT,PET/MRI,advanced technique

1006-6586(2011)04-0004-04

：R817.4

：A

2011-03-30

王强，博士研究生；王荣福，教授，博士生导师，北京大学第一医院核医学科主任，通讯作者， E-mail: rongfu_wang2003@yahoo.com.cn

国家自然科学基金(30870729，81071183/H1806)