一体化同步扫描TOF-PET/MR分子影像设备的进展

郭晋纲，徐树明，郑永明，张晓丽

1 山西省肿瘤医院核医学科，太原市，030013

2 山西煤炭中心医院妇产科，太原市，030013

一体化同步扫描TOF-PET/MR分子影像设备的进展

【作者】郭晋纲1，徐树明1，郑永明1，张晓丽2

1 山西省肿瘤医院核医学科，太原市，030013

2 山西煤炭中心医院妇产科，太原市，030013

该文介绍了一体化、同步扫描飞行时间正电子发射断层/磁共振分子影像设备的原理、结构和技术进展。简要介绍了一体化PET/MR设备的设计和组成的分类。探讨了一体化PET/MR中TOF技术发挥的作用和临床价值，实现TOF技术对PET探测器中光电转化组件的要求和完成PET/MR同步扫描的必要条件。比较了固态阵列光电转换器和雪崩光电二极管的性能差异。简单介绍目前一体化TOF-PET/MR设备采用MR成像参数对PET图像衰减校正面临的问题和技术挑战。

飞行时间；一体化TOF-PET/MR； PET衰减校正技术；磁共振

0 引言

正电子发射断层/X 射线计算机断层（PET/CT）双模式分子影像设备，是在一体化单光子发射断层/ X 射线计算机断层（SPECT/CT） 的基础上发展起来的分子影像技术。它是将PET 的探测器和CT扫描系统有机结合起来，使受检者在同一旋转轴完成PET和CT扫描，PET和CT的扫描图像在同一采集处理工作站上完成。

SPECT/CT和PET/CT双模式分子影像技术中采用的X射线CT 影像有3 个方面的重要作用：一是用X射线CT 影像参数对SPECT或PET图像进行衰减校正；二是相比穿透源衰减校正技术，扫描时间缩短1倍以上；三是CT扫描提供的高分辨率解剖图像能够丰富疾病诊断的信息，SPECT或PET图像与CT图像同机融合能够帮助临床对病变进行精确定位。

自SPECT/CT和PET/CT分别在1999年和2001 年投入临床和科研使用以来，已经成为分子影像成像最重要的技术[1]。但是从技术本身来看，SPECT/CT和 PET/CT的不足，是SPECT或PET和CT扫描是先后序列化进行，无法实现实时同步扫描。为获得真正的实时同步影像，临床和科研人员希望获得具有一体化、同步扫描技术的分子影像设备。从分子影像成像原理和技术来看，PET/MR是有望实现同步扫描的分子影像设备[2-3]。

一体化、同步扫描飞行时间正电子发射断层/ 磁共振（TOF-PET/MR） 是指将具有TOF技术的PET探测器嵌合在MR设备中，PET和MR能够同步地分别独立完成各自扫描。一体化同步扫描PET/MR最关键的特点是具有同一个机架、同一个扫描床和同一个扫描控制系统，并且在功能和临床应用上实现了两机归一。TOF-PET/MR中的PET具有TOF技术，它与简单的PET/MR、PET+MR相比，在结构、技术、成像原理和功能上均存在本质的区别。

可以看出，TOF-PET/MR分子影像设备是在一体化PET/MR、组合式PET/MR的技术基础上发展起来，是最具有发展前途的分子影像设备。一体化PET/ MR结构为同步扫描奠定了基础。TOF 技术缩短了PET/MR整体扫描时间，提高了PET图像的信噪比，同时也为TOF-PET/MR中MR进行多序列扫描提供了可能性。PET 探测器在采用固态阵列光电转换器（Solid State PhotoMultiplier，SSPM） 的基础上明显改善时间分辨率，有望将PET 空间分辨率提高到亚毫米水平，同时为PET和MR同步扫描时减少PET 和MR信号的相互干扰提供了进一步的技术保证。

1 一体化同步扫描TOF-PET/MR结构和功能

一体化同步扫描TOFPET/MR 是在SPECT/CT、PET/CT、PET/MR和PET+MR双模式分子影像技术基础上发展起来的全新分子影像设备。TOF-PET/ MR与常规的PET/MR相比，在PET 和MR设备结构上均有不同。一体化同步扫描TOF-PET/MR克服了一体化PET/MR设备在结构、功能和临床应用上的众多缺陷。

1.1 一体化同步扫描PET/MR整体结构

目前一体化PET/MR结构可以分成三类（表1，图1）：简单PET 和MR组合模式、PET 探测器嵌入体线圈的MR 模式和PET 探测器置入MR 梯度线圈模式。这三种模式的一体化PET/MR设备在结构、功能和应用上各有其特点[1-3]。

表1 三种不同类型PET/MR 设备结构和性能比较Tab.1 Device structure and performance comparison of three different types of PET / MR

图1 三种不同模式结构示意图Fig.1 Schematic diagram of three different modes

简单的组合模式是将PET 探测器插入MR设备中，PET 探测器采用晶体与雪崩光电二极管(APD) 组合的模式，PET 的信号通过光导、光纤引出并进行信号处理。由于对PET探测器没有进行很好的散射和射频屏蔽，简单组合模式的PET/MR设备中PET和MR信号存在较严重的相互干扰，图像质量远不及传统PET和MR各自独立的图像，并且很难实现PET 和MR真正意义上的同步扫描。从PET 探测器光电转化器获得的信号需要通过光导和光纤传递，降低PET 信号的输出强度，以致信噪比下降。另外，由于磁场均匀性受到一定程度的影响，使PET 和MR两者性能均明显降低，并使磁共振波谱成像(MRS)功能受到较大影响。所以，其用于临床和科研的前景不佳。但是，简单PET和MR组合模式的最大优势在于结构简单、成本低。

PET探测器嵌入模式是将PET探测器嵌入专门设计的MR体线圈，使得PET探测器和MR体线圈之间具有充分的空间，以便进行放射性散射屏蔽和射频（RF）系统屏蔽，减少PET 和MR信号之间的干扰。为了使PET 探测器在梯度线圈和MR体线圈之间具有更大的空间，还有将体线圈设计成分离（Split） 模式，这样可以更好地实现PET探测器的屏蔽，保持PET探测器的固有性能。

PET探测器置入模式是将PET探测器置入MR梯度线圈之间（ 采用两个独立梯度线圈，PET探测器置入其间） ，这种模式可能会影响到MR梯度场的均匀性和物理性能，以及MRS功能。但是其优势在于可以提供大孔径的PET/MR。目前，有关此类模式的PET/MR结构的报道很少。

1.2 一体化同步扫描TOF-PET/MR设备中TOF-PET结构

传统基于晶体加光电倍增管（PMT） 和后续线路的PET探测器结构，存在PET和MR设备信号之间的干扰问题。要从根本上提高PET探测器和PET整体性能，只有采用全新技术的光电转化器。

表2 SSPM、APD 与传统PMT的性能比较Tab.2 Performance comparison between SSPM, APD and the traditional PMT

表2 是SSPMAPD 传统PMT的性能比较。传统的PMT属于真空电子管技术，所以受磁场的干扰最大。APD由于时间分辨率较差无法胜任TOF 功能，因此无法进一步提高PET 空间分辨率和图像信噪比。从发展前景看，这将使提高PET探测器的潜力性能受制。SSPM尽管使用时间仅仅4年，但是由于其独特的光电物理性能(快速的光电转换脉冲上升和下降沿)与极佳的时间分辨率(可以达到250 ps) ，已受到业界高度重视，成为TOF-PET探测器的最佳选择。

TOF技术在一体化同步扫描PET/MR设备中发挥着极其重要的作用。可以讲，没有TOF 技术的一体化PET/MR 是无法展示PET/MR真正的临床和科研作用的。具有TOF技术的一体化PET/MR的TOF 的作用表现在：减少PET扫描时间，从而提高PET/MR整体扫描速度。无TOF技术的PET/MR全身扫描大约需要40～60 min，而具有TOF 技术的TOF-PET/MR可以将全身扫描时间缩短到15 min左右。在PET和MR同步扫描过程中，TOF可以提高PET和MR图像质量。由于PET 和MR信号之间存在相互干扰，通过TOF 采集处理技术能够显著降低PET 和MR同步扫描时相互干扰的影响。采用SSPM后不但能够实现TOF 功能，而且促成TOF 对提高PET空间分辨率和图像信噪比的贡献。SSPM探测器在采用PSF（Point Spread Function，PSF）重建技术后，PET空间分辨率可以达到亚毫米水平。这样有利于消除PET/MR融合图像中PET图像的容积效应，对小病灶诊断（ 特别在神经系统研究中） 具有重要的价值。

更多的研究已经证明，使用SSPM的PET 探测器将很快取代使用APD的PET探测器。TOF-PET/MR与PET/MR 技术差异和临床应用区别见表3。表3有力地说明了TOF-PET/MR技术是一体化PET/MR发展的方向。

表3 TOF-PET/MR与PET/MR技术差异和临床应用区别Tab.3 Technical and clinical application differences between TOF-PET/MR and PET/MR

1.3 一体化同步扫描TOF-PET/MR设备中MR结构和功能

对于一体化同步扫描TOF-PET/MR设备中的MR部分而言，需要考虑尽量降低PET探测器和其信号对磁场均匀度、RF功能的影响。在一体化同步扫描TOF-PET/MR设备中嵌入或置入了PET探测器（ 包括PET探测器的放射性屏蔽部分） ，在不同程度上影响了原有MR磁场的均匀性。所以，一体化PET/MR设备中需要采用主动或被动方式对磁场均匀性进行进一步的校正，以满足临床对MR磁场均匀性的要求。

MR中的RF体线圈或表面线圈对PET 探测的ɣ射线具有明显的衰减影响，理想情况下需要使用专用于PET/MR的RF 线圈或体线圈（ 重新设计RF线圈和体线圈），以降低线圈对10 点射线的衰减影响。目前，有一种技术方案是仅仅采用RF 体线圈获得MR图像信息，以便保证PET 图像的质量。

但是，RF 体线圈获得MR的图像质量要远低于表面线圈获得的MR图像质量（ 信噪比）。为此，有研究报道采用多源发射射频技术的RF 体线圈来提高MR图像质量。多源发射射频技术不但降低射频吸收率（Specific Absorption Rate，SAR） ，而且明显提高了图像信噪比。多源发射射频技术体线圈获得的图像质量明显优于全身线圈获得的MR图像质量（ 在PET探测器存在的情况下） ，所以多源发射射频技术对于提高一体化PET/MR的MR图像质量具有重要的价值。

理想的PET/MR设备应该是除了具有全部PET、MR 功能外，还能够实现PET 和MR同步扫描（ 克服PET/CT 中序列扫描的缺陷） 和MRS功能。PET/MR同步扫描技术不但提高了MR信息对PET图像衰减校正的准确性，而且对于研究神经系统脑功能具有不可替代的临床价值。

为了在一体化PET/MR设备中提高PET 和MR图像质量，实现PET 和MR同步扫描，就需要在一体化PET/MR设备中引入应用TOF技术的PET，也就是基于SSPM 探测器的PET系统。研究脑功能和代谢、受体同步变化是揭开脑功能奥秘的重要途径之一，具有同步扫描功能的PET/MR才能保证这些研究的实现。

1.4 一体化同步扫描TOF-PET/MR设备中PET图像衰减校正

MR图像具有多参数成像的特性，能够反映人体密度或组织变化的信息。遗憾的是，迄今仍然没能实现仅用某个MR参数能够真实反映人体全部密度变化的扫描序列。按照采用MR不同扫描序列获得的信息进行衰减校正（AC）的各种方法[5～10]，可以将MR-AC分成：采用质子T1加权图像、采用质子T1加权图像结合质子T2加权图像或超短回波时间扫描（UTE） 序列、采用质子T1加权图像结合PET骨骼成像获得骨骼密度然后对PET图像进行衰减校正。目前研究结果表明，对脑和全身PET扫描分别采用不同MR序列，获得的信息进行衰减校正，所获结果较为理想。

在PET/CT设备中，是PET扫描速度落后于CT扫描速度； 而在PET/MR设备中，即使MR只进行单一序列扫描，其扫描速度也远比PET 扫描速度慢。这是因为在TOF-PET/MR中，PET采用了SSPM探测器和TOF技术，从而最大限度提高了PET系统的性能。

2 一体化同步扫描TOF-PET/MR性能优势和挑战

一体化同步扫描TOF-PET/MR克服了简单模式PET/MR在系统结构、性能和实际应用中的不足，显示了它的优势，但是也存在一些局限性。

2.1 一体化同步扫描TOF-PET/MR性能优势

与简单模式PET/MR设备相比，一体化同步扫描TOF-PET/MR设备具有超高的PET 空间分辨率和快速完成全身扫描（ 比简单的PET/MR全身扫描速度快2倍以上） 的优势。试验证实，一体化同步扫描TOFPET/MR中PET 设备在采用点扩展函数PSF 重建技术基础上，可以获得亚毫米分辨率。TOF-PET/MR具有更快的扫描速度，同时可以获得高质量PET 和MR 图像。降低PET 显像使用的正电子药物剂量，进一步降低对患者的辐射剂量。另外，由于一体化同步扫描TOF-PET/MR设备可以同时完成PET和MR扫描，能够获得即时PET和MR图像，为开拓新领域的研究提供了重要的工具

2.2 一体化同步扫描TOF-PET/MR存在挑战

采用SSPM后，PET成本明显增加；将PET中TOF功能作为常规的应用后，需要配备专用的TOF 图像工作站； 在重新设计MR的体线圈或梯度线圈后，增加了MR设备成本，一体化同步扫描TOF-PET/MR设备比简单模式PET/MR的成本提高了35%以上； 此外，MR横断面扫描的视野比较小，这样对于大体重患者会影响对PET图像进行衰减校正的包容体积，所以目前的TOF-PET/MR正设法扩大MR图像的横断面视野，以保证对PET 图像衰减校正的完整性和准确性，这是急需解决的问题，参见表3。

3 一体化同步扫描TOF-PET/MR临床和科研应用前景

一体化同步扫描TOF-PET/MR设备开拓PET/MR全新的临床应用。与PET/CT技术相比较，PET/MR具有对患者辐射剂量低、提供高分辨率软组织医学图像的优点。一体化同步扫描TOF-PET/MR设备在临床和科研应用前景包括：PET亚毫米空间分辨率能够获得更多的功能代谢分子影像信息； 同步扫描PET/MR可以获得即时功能代谢和解剖结构信息，让研究者获得更多的生物学信息； 拓展新的临床应用以弥补PET/ CT临床应用的不足。

3.1 PET亚毫米空间分辨率帮助获得更多的功能代谢分子影像信息

基于SSPM的PET具有亚毫米系统空间分辨率特性，降低了PET图像部分容积效应的高质量PET/MR融合图像，为使用PET图像探索脑、肿瘤和心血管系统功能代谢、酶和受体功能、基因表达和解剖结构变化之间的关系提供了重要的定量分析工具。

3.2 同步扫描PET/MR可以获得即时功能代谢和解剖结构信息

同步PET 和MR扫描技术是目前唯一提供同步、即时功能代谢，酶和受体、基因表达和解剖结构变化的分子影像技术，为获得功能代谢、酶和受体、基因表达和解剖结构变化之间的深层次关系提供了重要的技术平台。

3.3 弥补PET/CT临床应用拓展新的临床应用

PET/MR弥补了PET/CT在临床和科研应用中的不足，将会开拓一些新的临床和科研工作。PET/CT在胸部肿瘤研究中起着无法取代的作用； 而在脑、乳腺、肝脏、盆腔和前列腺等肿瘤诊断和研究中，PET/ MR将对PET/CT起着强有力的支撑和补缺作用； 在软组织肿瘤，比如淋巴瘤、骨髓瘤等肿瘤的诊断、临床分期和疗效监测中，PET/MR必将充分发挥其特有的优势[11]综上所述，一体化PET/MR在临床应用和科研工作中发挥的作用和PET/CT具有本质的不同。TOF在PET/MR和PET/CT 中发挥的功能和作用也具有显著的差别。一体化同步扫描TOFPET/MR在科研和临床应用中将发挥重要的作用，并具有很好的发展前景，可预见它将取代简单的PET/MR技术。

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Technical Progress of Integrated Simultaneous TOF-PET/MR Molecular lmaging Equipment

【Writers】GUO Jingang1, XU Shuming1, ZHENG Yongming1, ZHANG Xiaoli2

1 Department of Nuclear Medicine, Shanxi Tumor Hospital, Taiyuan, 030013

2 Department of Gynaecology and Obstetrics of Shanxi coal Central Hospital, Taiyuan, 030013

This paper introduces component, principle and technical progress of integrated simultaneous TOF-PET/MR molecular imaging equipment. It briefly describes the integrated PET/MRI device design and composition classification. It discusses special contributions to clinical application and research with TOF-PET/MR, requirement of photoelectric component on PET detector for attaining TOF reconstruction and the prerequisite that performed simultaneous scan on PET/MR. It compares the performance differences between APD and SSPM. The problems and the challenges of PET attenuation correction with MR image parameters are introduced briefly.

TOF, TOF-PET/MR, PET attenuation correction, MR

R817

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2016.03.009

1671-7104(2016)04-0267-04

2016-02-16

山西省卫生厅科研课题(2015054)

郭晋纲，E-mail: gjgtysx@163.com