PET/MRI分子影像设备

PET/MRI分子影像设备

【作 者】郭晋纲1，张晓丽2，郑永明1，庄坤1，任媛1

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, 030010

该文对PET和MRI的成像原理及设备结构进行了比较。着重介绍一体化PET/MRI分子影像设备的功能特点和目前采用的几种结构模式。比较了采用MRI图像信息对PET图像进行衰减校正的现行方法, 阐述了它们各自存在的问题。详细阐述了PET/MRI临床应用的优势和其发展前景。

PET；MRI；PET-MRI； PET 衰减校正技术

0 引言

磁共振成像(MRI) 技术是在磁共振现象的基础上发展起来的先进医学影像技术，它能够提供多参数、高分辨率的软组织图像。为此，分子影像的临床应用和临床前期研究者对PET和MRI设备结合起来的PET/ MRI多模式分子影像设备寄予厚望。本文详细介绍PET/MRI分子影像设备成像原理、结构和临床应用。

1 PET/MRI成像原理和设备结构

1.1 PET成像原理

PET是以正电子放射性核素或正电子放射性核素标记的化合物、配体、抗体、酶等示踪剂为探测对象，获取它们在活体内的分布、代谢或靶目标结合的信息。正电子放射性核素在体内与组织、细胞中的负电子结合发生湮没辐射。湮没辐射遵从能量守恒及动量守恒定律，会产生能量相等(511 keV)、方向相反(180o)的一对γ射线。PET设备配以环状排列或对称排列的、成对的探测器，对这些γ射线在体外进行探测。

1.2 PET影像设备的结构

PET设备由PET探测器、患者检查床和对γ射线在人体组织的衰减进行校正的放射性核素穿透源系统，以及图像采集、处理工作站组成。PET探测器是PET设备的核心。PET探测器按照技术的发展分成：基于晶体和PMT结构的传统探测器，采用晶体和光电二极管的探测器，以及采用半导体器件的探测器[1]。我们可以发现，半导体探测器(Semiconductor Detector)是PET和SPECT设备探测器发展的方向，它具有极高的能量分辨率和系统灵敏度。它能够在提高探测器灵敏度的同时保持很高的空间分辨率，这是目前其他类型探测器无法做到的。传统的PET是采用装有放射性核素穿透源(68Ge)，由γ射线穿透人体，获得人体组织密度信息，然后对γ射线在组织内的衰减进行校正。由于放射性核素线源信息量较低，穿透扫描所需时间与PET系统临床图像采集时间几乎相等，使得PET每床位扫描时间长达十几分钟，长时间扫描严重影响了PET的临床应用。

2 MRI成像原理和设备结构

2.1 MRI 成像原理

MRI临床图像主要反映的是人体组织细胞在磁场中某种受激发原子核（比如质子）的分布和生物学状态，以达到对人体疾病诊断与治疗效果监测的目的。MRI使用电磁波成像与PET使用伽玛射线成像，二者的区别[2]可以看出MRI接收的电磁波能量比较低，受到的干扰比较多，检测体内组织细胞的成分灵敏度会低于PET成像使用的γ射线。正是由于PET成像使用的γ射线与MRI成像使用的电磁波之间具有非常大的差异，使它们之间形成极佳的互补性，这种互补带来的效果成为多模分子影像PET/MRI设备的优势。

2.2 MRI设备的结构

MRI影像设备包括MRI主磁场部分、梯度线圈系统、射频磁场系统、图像采集处理工作站、患者扫描床，以及辅助设备(磁屏蔽、射频屏蔽，以及呼吸、心电门控装置等)[3]。MRI磁场强度、线圈性能、图像处理速度等因素影响着MRI设备的整体性能。

2.2.1 MRI主磁场部分

MRI主磁场由磁体和匀场补偿线圈组成。磁体的功能是提供衡定、均匀的磁场，以便磁化进入磁场内的组织(比如：氢核)。主磁场的强度一般在(0.3～3)T。产生磁场强度的方式有永磁型、常导型和超导型。不同磁场强度产生的方式有其各自的特点。

2.2.2 MRI梯度系统

梯度磁场线圈绕在主磁场和匀场补偿线圈内，由X、Y、Z三组组成。梯度线圈要求有良好的容积和线性。梯度系统是MRI设备性能的关键，它关系到成像的定位、视野、矩阵、层厚、成像序列( 尤其是快速成像序列)、梯度场强、切换率以及灵活性等。另外，梯度场强决定切换率和最短TR与TE的获得，以及MRI图像的质量。

2.2.3 MRI的射频系统

射频系统由发射器、电压放大器、发射线圈、接收线圈和高性能信号放大器组成。发射线圈置于主磁场内。对于射频系统要求具有宽频响应、高信噪比、良好线性和高稳定性、大的功率和高效率发射与接收等特点。

2.2.4 图像采集处理工作站及患者扫描床

MRI所使用的图像采集处理工作站要求容量大、图像重建速度快、具有强大的网络功能等。临床对图像融合功能的需求在不断加强，图像处理工作站要求具备图像融合功能。随着MRI全身扫描应用的普及，对MRI扫描床的要求是具有大的扫描范围，如完成全身扫描。

2.3 MRI影像提供的信息

MRI是一种多参数的医学成像技术，不同参数反映体内组织细胞分布、生物学状态。每克组织内具有超过1 023个分子，并且人体组织细胞主要是含有质子，这也是MRI主要采用质子成像的原因[4]。对于MRI图像，一般在无特殊说明的情况下均指质子成像图像。正是由于人体组织细胞中存在大量质子，为MRI成像提供了其他影像在软组织成像中无法比拟的独特优势。T1 弛豫时间、T2弛豫时间、质子密度、质子化学位移、质子弥散系数和磁共振波谱成像均从不同角度反映组织细胞质子分布或生物学状态。

3 PET/MRI设备结构

PET/MRI设备是将PET高灵敏度、高特异性影像技术和能够提供组织多参数成像的MRI技术有机结合起来的分子影像设备。

由于传统PET影像设备探测器中PMT容易受MRI磁场影响，工作状态的PMT会明显影响MRI设备磁场的均匀性，因此MRI设备磁场的存在增加了PET/MRI设备一体化结构设计的难度。如，采用PET和MRI前后位结构的PET/MRI设备的患者扫描孔长度可能超过2 m，这样降低了PET/MRI临床应用的实用性。另外，MRI成像参数对PET影像的衰减校正，还存在有待改进的技术问题。在20世纪90年代初期就开始了PET/MRI实验机型的设计和临床应用价值的研究，带来的效果成为多模分子影像PET/MRI设备的优势。

虽然PET/MRI分子影像设备在技术上还有一些问题需要解决，但是PET/MRI分子影像设备潜在的临床优势仍然受到临床医师和分子影像研究者的关注。PET/MRI与PET/CT设备比较具有以下几方面的优势：MRI能够以多种参数提供组织信息，特别是软组织信息，明显提高对神经系统和纵隔、腹腔淋巴结转移灶检出率；PET/MRI可以真正实现PET和MRI图像同步采集处理，克服PET/CT设备中PET与CT图像采集中时相和空间位置差异的问题，提高了PET 与MRI 图像融合的精确性；MRI不但可以提供组织灌注信息，采用MRS可以提供简单的组织细胞中特殊的分子信息。这些可以弥补PET在简单组织代谢成像中存在的高成本问题。PET/MRI分子影像设备中的MRI扫描对受检者的组织、细胞并无辐射电离损伤效应，临床应用范围远远大于PET/CT设备。

PET/MRI影像设备按照PET与MRI两个设备的探测器之间关系可以分成：分体式PET/MRI和一体化PET/MRI设备。一体化PET/MRI设备又分成组合式PET/MRI和嵌入式PET/MRI。

3.1 分体式PET/MRI设备

分体式PET/MRI影像设备中的PET探测器通常采用传统PET结构，也就是探测器由晶体、PMT和后续电路组成。分体式PET/MRI设备是指：PET探测器与MRI设备之间保持必要距离，甚至PET和MRI两者可以放在相邻的不同房间内。如果PET设备与MRI在同一扫描机房，需要对PET设备中的PMT进行磁场屏蔽，以降低MRI磁场影响PET的PMT。分体式PET/MRI设备其优点是：可以各自独立使用，灵活方便。可以使用同一患者扫描床，采用软件对PET与MRI图像进行配准修正，保证融合精度。但是，分体式PET/MRI最大的问题是：采用MRI信息对PET图像进行校正时存在较大误差，而且分体式PET/MRI还存在固有缺陷，就是无法实现同步PET和MRI扫描[5]。

目前，分体式PET/MRI设备已在临床使用。对于PET和MRI各自设备并无实质性技术改进，主要通过软件方法对PET和MRI图像进行融合。

3.2 一体化组合式PET/MRI设备

PET/MRI设备的PET探测器和MRI前后放置的称为一体化组合式；PET探测器镶嵌在MRI设备内的称为一体化镶嵌式[6]。组合式和镶嵌式PET/MRI之间最大的区别是：后者可以完成同步PET/MRI采集。组合式PET/MRI由于PET和MRI成像部分是前后放置，使得机架长度太长，不利于临床使用。对于一体化镶嵌式PET/MRI设备，又按照PET探测器在MRI中镶嵌类型不同，分成光纤介导模式和非光纤介导模式。如果使用晶体、光电二极管或半导体探测器，磁场对探测器影响比较小，可以直接将整个探测器镶嵌在MRI中。对于晶体、PMT结构的PET探测器，PMT设置在磁场之外，需要利用较长的光导纤维将晶体的微弱荧光信号引至PMT完成光电信号的转换。采用光纤进行光信号传递会导致信号强度降低60%～80%以上，造成PET系统的能量分辨率、空间分辨率和灵敏度的下降[7]。因此，使用半导体探测器或晶体、光电二极管探测器的一体化镶嵌式PET/MRI是发展的方向。

PET/MRI一体化带有飞行时间(Time of Flight，TOF)技术、能够真正实现PET与MRI同步扫描的TOFPET/MRI设备不但具有最先进的PET的飞行时间成像技术（TOF-PET），而且具有全部MRI成像功能。PET与MRI成像原理、技术和方法具有本质的不同，一体化TOF-PET/MRI设备正是充分发挥PET与MRI成像技术各自独特的优势，最大程度展示其协同作用以实现提高对疾病诊断和疗效评估目标。尽管在PET和MRI血管成像（MRI Angiography，MRA）技术中都采用TOF技术，即TOF-PET和TOF-MRA，但是两者成像原理、方法和临床应用却完全不同。

3.2.1 TOF-MRA技术介绍

PET是基于正电子核素与组织细胞负电子发生湮灭作用后，探测其产生的γ射线进行成像。MRI是采用发射和接收共振产生的电磁波进行成像。

TOF-MRA：磁共振时间飞跃法(Time of Flight，TOF)血管成像采用“流入增强效应”机制，是临床最广泛采用的磁共振血管造影的方法。TOF-MRA血管成像使用具有非常短重复时间（Repetition Time，TR）的梯度回波序列。一般选择SPGR（Spoiled Gradient Recalled Echo）序列。由于TR短，静态组织没有充分弛豫就接受下一个脉冲激励，在脉冲的反复作用下，其纵向磁化矢量越来越小而达到饱和，信号被衰减；对于成像容积以外的血流，因为开始没有接受脉冲激励而处于完全弛豫状态，当该血流进入成像容积内时才被激励而产生较强的信号。该技术是依据血液流动速度、射频激励时间来对血管进行成像，TOF-MRA的对比极大地依赖于血管进入的角度，所以在用TOF法进行血管成像时扫描层面一般要垂直于血管走向。TOF-MRA成像方法尽管存在上述的一些局限性，但是该方法无需注射任何对比剂、能够快速获得高分辨率脑血管的图像。TOF-MRA已经成为临床常规的脑血管成像方法。

由此可见，TOF-PET与TOF-MRA成像原理存在本质的区别。前者是利用飞行光子到达探测器时间差进行成像，后者是利用流入增强效应进行成像。TOF-PET的飞行时间技术和TOF-MRA的时间飞跃血管成像技术在中文字面含义也存在明显的差异。

3.2.2 TOF-PET和TOF-MRI技术临床应用区别

2016年，也可以讲是PET分子成像技术历史性的一年。在2016年，PET生产企业一致认为基于SiPM的PET探测器的TOF技术是PET未来技术发展的方向。TOF-PET代表PET最先进的分子成像技术，不但能够显著提高PET的空间分辨率、病灶的对比度，而且能够明显降低患者正电子药物注射剂量或提高扫描速度。PET的TOF技术是从整体上、全面地提高PET成像性能。相比较之下，MRI的TOF主要用于血管的成像。所以，我们必须掌握两者之间的本质区别。MRA解剖成像对于脑血管病诊断、治疗效果评估很有帮助。 TOF-PET与TOF-MRA技术之间存在本质的区别。TOF-PET从整体上提高了PET的性能，TOFMRA是用于MRI血管成像的技术。

所以，在一体化TOF-PET/MRI脑血管疾病成像中不但需要获得MRI、脑局部血流量信息外，同时还需要得到脑组织细胞代谢的信息。将脑组织解剖结构、血流灌注和代谢信息综合起来能够帮助临床医师更好制定诊疗计划，提高临床诊疗水平。

4 一体化PET/MRI分子成像设备发展展望

4.1 一体化TOF-PET/MRI设备呼吸门控作为全身扫描必备技术

一体化带有TOF技术的PET/MRI分子成像设备PET与MRI使用的是同一呼吸、心电和指脉门控信号，能够确保PET与MRI同步扫描。特别是具有TOF技术为呼吸门控快速扫描奠定基础。比如，要在10 s～30 s完成一个时相（BIN）扫描，没有TOF技术根本无法完成和实现。现在使用的临床经验告诉我们，没有TOF技术和呼吸门控技术无法获得精准的胸腹部临床PET和MRI图像。一体化PET/MRI在胸腹部扫描过程仅仅采用屏气方法无法获得临床满意的PET和MR图像质量，而且明显地限制了一体化PET/MR在胸部和腹部疾病诊断和疗效评估，尤其是对小病灶检出，使其失去在健康保健和早期诊断的价值。对于采用单门控技术的PET/MR设备来讲必然增加扫描时间。Q.FreeZe技术通过对不同呼吸时相图像再配准后的重组，实现与任何MRI扫描图像精准的配准和图像融合。

4.2 一体化TOF-PET/MRI分子成像设备的研究

最新成果已经展示出PET的TOF技术可以替代PET的呼吸门控技术。该研究成果告诉我们“TOF技术在一体化PET/MRI设备中具有雪中送炭”的作用。没有TOF技术，对于一体化PET/MRI设备来讲就无法充分发挥其临床价值，限制其在胸腹部扫描中的临床应用，尤其是无法获得精准定量化的结果。

综上所述，国内一体化PET/MRI分子成像设备在技术上取得很多进步，在临床使用中积累大量临床病例，极大地丰富临床使用经验。这些经验为一体化PET/MRI分子成像设备在国内稳定发展打下良好的基础。展望未来[8]，相信随着一体化PET/MRI装机量的不断增加，临床使用经验的不断丰富，一体化PET/ MRI分子成像技术将在临床、健康管理和科研中发挥更大的作用。

[1] 赵周社, 徐家骅. 基于碲锌镉半导体探测器技术的单光子发射型计算机成像仪设备和临床应用进展[J]. 世界医疗器械, 2014, 15(4): 72-74.

[2] 赵周社, 马兴荣, 孟凡波, 等. SPECT/CT设备技术进展[J]. 世界医疗器械, 2012, 15(12): 44-48.

[3] Lubberink M, Harms H J, Halbmeijer R, et al. Low-dose quantitative myocardial blood flow imaging using 15O-water and PET without attenuation correction[J]. J Nucl Med, 2015, 51(4): 575-580.

[4] Pacini F, Schlumberger M, Dralle H, et al.European consensus for the management of patients withdifferentiated thyroid carcinoma of the follicular epithelium[J]. Eur J Endocrinol, 2012, 154:787-803.

[5] 杨广夫, 靳宝. 磁共振诊断学[M]. 西安: 陕西科学技术出版社, 2011.

[6] Schlemmer H P, Pichler B J, Schmand M, et al. Simultaneous MR/ PET imaging of the human brain: feasibility study[J]. Radiology, 2014, 248(3): 1028-1035.

[7] Gaspar D, Sibylle Z. PET/MRI system design[J]. Eur J Nucl Med Mol Imaging, 2013, 36(suppl): 86-92.

[8] Catana C, Wu Y, Judenhofer M S, et al.Simultaneous acquisition of multislice PET and MR images: initial results with an MR compatible PET scanner[J]. J Nucl Med, 2014, 47(12): 1968-1976.

Application of Molecular Imaging Equipment PET/MRI

【 Writers 】GUO Jingang1, ZHANG Xiaoli2, ZHENG Yongming1, ZHUANG Kun1, REN Yuan1
1 Department of Nuclear Medicine, Shanxi Tumor Hospital, Taiyuan 030013 2 Department of Obstetrics and Gynecology, Shanxi Coal Central Hospital, Taiyuan, 030010

PET, MRI, PET/MRI, PET attenuation correction

R445.3

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.04.010

1671-7104(2017)04-0271-04

2017-01-10

山西省卫计委科研项目(2015054)

郭晋纲， E-mail：gjgtysx@163.com

任媛，E-mail：781922486@qq.com

【 Abstract 】To compare the principles and system frameworks on PET and MRI systems. The functional characteristics and present adoptive structural models of PET/MRI as molecular imaging equipment is introduced in particular. To compare several update techniques of attenuation correction for PET image with MRI parameters and to expatiate their deficiencies. The advantages on PET/MRI clinical applications and the future development of PET/MRI are introduced briefly.