PET/MRI显像技术与其他分子影像技术的比较*

赵 倩 李 娟 王荣福*

“分子影像学(Molecular Imaging)”最早是由哈佛大学Weissleder等[1]于1999年提出的。分子影像学区别于经典影像学(X射线、CT、MR、UB等)的特征在于能够反映活体内分子水平的生物学改变，并且能够通过分析而获取定量参数。分子影像学是分子生物学技术和现代医学影像学结合的产物，最常用的是核医学示踪成像技术，尤其是PET[2]。目前常用的单一分子影像技术的比较信息见表1。

功能显像主要依赖于诸如PET、SPECT或光学成像(OI)的新显像方法，它通过示踪被放射性或荧光物质标记的生物分子，大幅提高了显像的灵敏度。由于单一影像技术的局限性，近年来多模态显像技术逐渐成为研发的热点，同时也带动了多模态分子探针的开发，为研究体内物质特定的生物学行为提供了研究基础。迄今为止，最为成功的多模态设备为20世纪90年代末发明的PET/CT[3]。PET/CT结合了PET与CT二者的优势，即整合了CT显像提供的优良的解剖学信息及PET提供的体内代谢及分子水平的变化信息，成功实现了1+1远＞2的优势。其他的多模态设备(SPECT/MRI、DOT/MRI、FT/CT、MRI/FT)相继研发并应用于临床前医学、科学研究[4-7]。PET/MRI融合机型问世于20世纪90年代末期，与PET/CT相比，PET/MRI提供了更好的软组织对比及组织特征改变(如使用钆剂、特异性细胞标志物等)，并且研究对象受到的辐射剂量明显减少。除此之外，MRI还能提供一些功能显像信息，如灌注显像、BOLD效应、弥散显像及波谱分析。

表1 不同分子影像技术的基本信息及其优劣势对比表

过去的10余年中，分子影像设备飞速发展，除PET/MRI外，小动物PET/CT、光学成像等新型技术、设备相继出现，无论是单模态或多模态均为基础医学的发展提供了很好的平台。

Cherry[8]综述了基于解剖形态、功能代谢信息的PET、SPECT、MRI、CT光学显像等设备的各类多模态显像的特点；Pichler等[9]综述了PET/MRI融合显像；Wang等[10-11]综述了PET/MRI的临床应用现状及进展；本文综述了PET/MRI与其他分子影像技术的异同及应用进展。

1 PET/MRI在基础医学和临床医学中的应用

PET/MRI的问世即被世人赋予重望，而它在各分支学科中的应用很大程度上促进了医学科学的发展。鉴于MRI提供的清晰的解剖定位、优良的软组织对比及MR波谱等功能信息，PET/MRI的应用热点主要集中在肿瘤学、心脏病学及脑神经科学中。

肿瘤瘤体形成前即有分子、细胞水平的功能改变，早期探查肿瘤生物学行为及其病理、生理学的改变有助于肿瘤的早期诊断，并关系着该类患者的生活质量、生存时间。已有学者报道了应用不同双功能分子探针PET/MRI显像，通过体内、体外试验及临床应用，可反映正常细胞凋亡机制受损、肿瘤血管新生、细胞代谢改变、细胞增殖及细胞乏氧等[12-15]。

PET/MRI在心血管系统研究中的应用已经成为研究的热点之一。心脏PET的灵敏度高、可提供定量参数，能够反映活体内微观的分子事件[16]；而心脏MRI能够清晰显示心脏的解剖形态、心脏梗死灶范围、心脏血流灌注、心肌劳损等信息。连续采集的PET和MRI数据能够进行准确的位移校正(尤其是心脏显像时易受到呼吸运动的影响)，同样还可进行胸部、腹部病变的准确探测。目前，已用于心血管易损斑块检测、急性心梗后炎症反应、心脏功能方面的研究[17-20]。

PET/MRI自发明以来就被应用于脑神经科学的研究[21]，其优势体现在MRI提供的良好分辨率和组织对比度；并可结合MR波谱分析，有助于探测代谢功能改变。PET/MRI显像已成功应用于颅内肿瘤显像[13]、胶质瘤的分期研究、痴呆的早期研究、轻度认知障碍、退行性改变、脑功能核团研究等[22-25]。此外，PET/MRI还被用于治疗药物纳米载体的动力参数及肿瘤靶向性效果、甲状腺癌手术治疗前及131I放疗的术前评估等[26-27]。

2 光学成像技术

光学成像技术是指利用光发射的原理探测荧光或生物荧光染料[28]。荧光显像是采用荧光报告基团(绿色荧光蛋白GFP、红色荧光蛋白RFP等)进行标记，通过外部激发光激发生物体内荧光基团到达高能量状态，而后发出另一波长较长的光，这种光波可被电荷耦合(charge coupled device，CCD)相机记录下来。生物发光显像又称冷光成像，是用荧光素酶基因标记细胞或DNA，通过酶促反应激发而产生的光，通常需要荧光标签酶(firefly luciferase)，这种酶能够在氧气和三磷酸腺苷(ATP)存在的情况下被氧化为D-荧光素(D-luciferin)，在波长为575 nm处可探测到黄绿荧光。当细胞与荧光标签酶在体内标记后，即可使用低电子噪声的制冷型CCD相机记录到这些光子[29-30]。

两者相比而言，活体内荧光显像的信号虽强于生物发光显像，但后者的信噪比却远远高于前者(生物发光显像基本无背景噪音的干扰)。两种显像光子散射较多，需要转染的细胞数量增多，因此二者均不能在癌症患者中广泛应用。

荧光成像通过标记病毒、细菌等，可动态检测病毒、细菌在体内的复制过程。已有学者发明相应的荧光探针，用来检测生物体内肿瘤的微小转移灶。光学成像还可用于候选药物的高通量筛选、肿瘤乏氧及动脉瘤检测等[31-33]。

目前，已有光学成像与其他影像设备融合的多模态成像的实验探索，如SPECT-OI、MRI-OI探针显像。虽然光学探针用于人体诊疗的安全性和有效性还有待于评价，但随着研究的深入，光学成像技术将不仅局限于基础科学研究，必将扩展到临床应用[34-35]。

3 PET/CT

20世纪90年代，PET/CT融合机型的问世取得了非常成功的效果，使得单一PET系统的装机量急剧下滑。由于CT提供的较精确的解剖学信息，可弥补PET空间分辨率的不足。PET/CT的应用范围与PET相同，最为广泛的用途仍是肿瘤学的诊断、鉴别诊断、预后评估及疗效评价等方面。PET/MRI与PET/CT相比，前者由于MRI能够提供更好的软组织对比度、更低的放射线辐射剂量。此外，PET/MRI的优势还体现在进行fMRI、MR波谱分析等，获得更丰富的科研数据；PET/MRI辐射剂量较PET/CT小，但前者采集和后处理时间较长[36-40]。

4 SPECT/CT

SPECT/CT被广泛应用于各研究院所和医院，其优势在于多样化选择的放射性药物，并且这些放射性药物不需要依赖于加速器生产，因此成本更低廉、获得更方便。此外，SPECT分子探针研制较其他分子影像设备更成熟，是用于临床最为普遍的分子影像设备。随着新型单光子核素的引入，将会拓展SPECT/CT的应用范畴，获得更好的图像质量。

5 SPECT/MRI

SPECT/MRI也是双模态显像设备，尤其是在无创性定量分析和评价受体功能评价方面[41]。目前，已经有适用于小动物的SPECT/MR商业化设备生产[42-43]。随着设备性能的进一步探索及优化、分子影像需求进一步发展，将会推动应用于临床的SPECT/MRI机型的批量化生产。Madru等[44]报道了用99Tcm标记SPIO纳米颗粒行SPECT/MRI前哨淋巴结显像。目前PET/MRI与SPECT/MRI已成为多模态分子影像设备研发领域的蓝本，已有CT/MRI、PET/OI设备的相关报道[8]。

6 超声分子影像

经典影像学之一的超声显像在分子生物学及其技术发展的推动下，推出具有靶向特殊组织的显像模式。超声在分子影像技术中的应用是基于微泡造影剂通过血管进入靶组织，再通过超声探头探测分布于靶组织的微泡，从而反映靶组织的细胞或亚细胞组织的微观改变。目前已应用于炎性细胞、血栓形成、肿瘤新生血管显像等方面[45]。除单模态超声显像外，将纳米微粒与SPIO结合，可实现超声-MRI联合显像，用于探测肿瘤及淋巴结。

超声微泡造影成像有应用的局限性：靶向微泡造影剂制备繁琐、受体识别能力差以及安全性差等，需要采用低频高机械指数的尖端超声显像模式。随着分子生物学及其技术的发展，超声分子影像学能够在临床前、临床研究中立有一席之地。

7 结语

分子影像学是交叉领域，为临床提供无创性、活体内从解剖学到功能诊断的信息。PET/MRI是一种有巨大潜力的整合型分子影像设备，鉴于MRI相关功能显像，其优势主要集中在肿瘤学、心脏病学、神经科学中的研究。通过PET/MRI提供的临床应用前期研究，能够解开更多的“未解之谜”。分子医学影像设备的发展势必推动整个医学科学的发展，PET/MRI将逐渐成为临床，尤其是临床前研究的中流砥柱。

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