PET/MR 在心血管疾病中的应用进展

毕晓 徐白萱

解放军总医院核医学科，北京 100853

在过去数十年中，PET 和MRI 技术在心血管疾病中的应用迅速发展，PET 显像可在心肌灌注和冠状动脉血流储备的绝对定量以及分子水平上对特定过程（如新陈代谢、炎症或神经支配）进行可视化和定量分析，MRI 在左右心室功能的量化、整体和局部心室壁运动异常的确定、组织特征（瘢痕、脂肪和水肿）及瓣膜功能诊断方面具有极大优势。近年来，PET/MR 作为新型的多模态融合显像技术，整合了PET 与MRI 两种独立的显像技术，实现了两者同步扫描，且在不同类型的心血管疾病中的研究和应用越来越广泛[1]。笔者就PET/MR 在心血管疾病中的应用现状进行回顾和展望，并探讨其优点和局限性。

1 PET/MR 心血管成像技术的挑战

PET 和MRI 是两种已经在临床上广泛应用的心血管成像技术，它们的一体化整合面临一些技术上的挑战，主要是两种设备的相互兼容、PET 的衰减校正（attenuation correction，AC）和运动校正（motion correction，MC）、扫描流程的规范化等。

1.1 硬件构成的挑战

PET 与MRI 设备的兼容性问题主要为电磁场环境下PET 硬件结构和PET 信号采集不受干扰，同时PET 结构不影响磁场性质和MRI 信号采集。因此，目前PET/MR 已用雪崩光电倍增管或硅光电倍增管替代易受磁场影响的传统PET 光电转换器，并使用新的电磁屏蔽技术和低衰减材料把PET探测部件嵌入MRI 射频系统与梯度系统之间[2]。

1.2 AC 的挑战

PET/MR 的AC 包括硬件结构和人体组织两部分。硬件结构用低衰减材料制作，将其对γ 光子的衰减降至最小；另外，PET/MR 的系统文件中存储其衰减系数图（μmap），当系统检测到硬件已用于PET/MR 采集时，系统会调取其衰减系数图对PET 图像行AC[3]。人体组织AC 主要是基于Dixon MRI 序列的分割法，将组织分类为肺、脂肪、软组织和空气，每类组织赋予相对应的μ 值，然后对PET 数据进行AC[4]。但实际上不同患者、不同位置的心血管组织衰减程度是不同的。此外，基于Dixon MRI 序列的分割法无法获取心血管周围骨骼的衰减系数图，因而会明显低估骨旁心血管组织的衰减程度[5]。此外，支架或血管夹等金属移植物也会导致MRI 信号缺失，进而无法进行AC 甚至产生AC 伪影。另外，MRI 对比剂增强显像会影响人体软组织及肺部的AC，但对于心血管的影响还需进一步研究[6]。尽管如此，Lau 等[7]通过与CT 的AC 比较发现，相控阵线圈会使模型心肌的放射性活度值减少3%，但心肌的平均SUV 并无差异，且两者具有很好的相关性（r=0.97）。

1.3 MC 的挑战

PET/MR 的MC 是基于MRI 方法对PET 数据进行MC，常使用实时三维MRI 或标记技术获取呼吸运动、心脏跳动及患者非自主运动信息，用来校正同时获取的PET 数据中的此类运动信息[8]。同样，三维MRI 记录的运动信息也可校正AC 图像，使AC 图像与PET 数据的空间位置一致，提高AC 精确度[9-10]。近年来，通过基于门控与MRI 方法的比较研究发现，在低剂量或高噪声的PET 数据中，基于MRI 方法的MC 增加了PET 结果的可靠性[11]，但此类方法仍处于进一步的研究中，尚未在临床中常规应用。

1.4 规范化扫描的挑战

PET/MR 心血管成像扫描流程涉及患者训练、体位摆放、扫描序列的选择及其时序上的排列等。患者训练是操作人员对患者扫描过程中的配合状态进行讲解训练，使其能按照规定要求完成配合，通常指呼吸和紧急求助训练。为尽可能减少操作人员接受的放射性核素的照射，最好在患者注射放射性核素药物前进行配合训练[12]。PET/MR 心脏成像过程中需要呼吸、心电门控触发MRI 采集信号，所以体位摆放时需去除金属物品，头先进、仰卧位、双手平放于身体两侧、身体居中等，还需按不同设备要求在患者胸前贴MRI 兼容的心电电极，在腹部呼吸最明显部位放置呼吸门控软垫。由于磁场对心电信号会有影响，因此在布置好心电门控及放置好线圈后，需确认心电信号优良后再定位。而扫描序列及其时序上排列的选择主要依据心脏疾病的种类、衰减系数图与PET 数据的配准情况和PET 与MRI 同步扫描时患者屏气与自由呼吸交替变换导致PET 数据的部分容积效应。所以，PET 与心脏MRI 序列同步扫描流程还需进一步研究。

2 PET/MR 心血管成像的显像剂与MRI 技术

2.1 PET 显像剂

心脏PET 显像是使用不同正电子核素标记与心脏生物学相关的分子形成显像剂，引入人体后经过心脏生物学变化摄取显像剂，通过PET 设备接收显像剂的正电子湮灭辐射产生的γ 光子对，经过数据处理，最终形成PET 图像。而PET 显像剂的研制及应用，是心血管疾病诊断、治疗和疗效评估的基础。依据不同心血管疾病表达的不同靶点或特点，研发出心脏的灌注、代谢及受体等PET 显像剂。表1 总结了不同PET 显像剂在心血管疾病中的应用与研究[13]。目前，也出现了以纳米材料为基础的PET/MR 多模态显像剂，如靶向巨噬细胞的MDIO-64Cu-DOTA[14]。虽然此类多模态显像剂仍未用于临床，但PET/MR 已显示出了在心脏核医学中的巨大临床应用潜力。

2.2 心 脏 磁 共 振（cardiac magnetic resonance，CMR）成像技术

与CT 扫描相比，CMR 成像技术除了可以降低受检者的辐射剂量外[13]，还可以提供很好的软组织结构特征。另外，CMR 电影成像也可以准确评估心室腔容积、心肌质量、心室壁运动和射血分数等变化；而CMR 晚期钆增强（late gadolinium enhanced，LGE）图像可以评价心肌损伤范围和程度；同时，CMR 还具有定量评估弥散性心肌纤维化、心肌水肿及心肌铁沉积的T1-mapping、T2-mapping 和T2*-mapping 成像序列[15]。近年来，还出现了对冠状动脉粥样硬化斑块性质评估的全心冠状动脉斑块定性技术（CATCH）序列成像[16]。

3 PET/MR 心血管成像的临床应用

3.1 缺血性心脏病

缺血性心脏病即冠状动脉粥样硬化性心脏病，是冠状动脉发生严重粥样硬化性狭窄或阻塞，或在此基础上合并痉挛以及血栓形成，造成管腔阻塞，引起冠状动脉供血不足、心肌缺血或梗死的一种最常见的心脏病。近几十年来，有创的冠状动脉造影和无创的冠状动脉CT 一直被用于冠状动脉解剖狭窄程度的常规诊断方法，但无法定量判断病变冠状动脉的血流灌注量及其支配的心肌血流量的改变，难以准确诊断和提供危险分层及预后信息[17]。目前，CMR 和PET 均被广泛应用于心肌灌注成像，但PET 被认为是无创心肌灌注定量评价的参考标准[18]，Rischpler 等[19]认为，心肌血流量及冠状动脉血流储备绝对定量的PET 心肌灌注显像结合CMR 血管成像或LGE 图像会有助于鉴别心外膜血管狭窄与微循环障碍或心肌瘢痕与无功能性存活心肌。此外，PET/MR 还被用于评估梗死面积，将其作为判断心肌梗死预后的主要指标。Bulluck 等[20]报道了21 例心肌梗死后患者的PET/MR 显像情况，结果证实了18F-FDG PET 与T2-mapping 成像所显示的梗死范围一致，两者均大于LGE 图像所显示的范围，且LGE 成像和18F-FDG PET 对心肌节段运动恢复都具有良好的预测能力。在另一项对28 例心肌梗死后患者的研究中[21]，LGE 和PET对存活心肌的评估也具有较好的一致性（Kappa 值=0.65），且都准确预测了6 个月后局部心室壁运动的恢复情况。

3.2 心脏炎性疾病

近年来，多种显像剂的PET 和MRI 对包括心脏在内的炎性疾病的诊断和监测的应用越来越广泛[22-23]。在有关心肌炎PET/MR 的病例报道中[24-25]，局灶性心外膜下LGE 与抑制正常心肌葡萄糖代谢的18F-FDG PET 高摄取密切匹配，并伴有心肌水肿和充血；虽然MRI 足以诊断心肌炎，但PET 还可用于评价心脏炎性活动状态，监测治疗效果。而在心脏结节病的临床指南中，PET 和MRI 都被推荐用于该病的诊断与评估[26]，LGE 成像可以显示结节病的心肌纤维化，18F-FDG PET 高摄取且灌注正常提示其炎性活动期，18F-FDG 高摄取且灌注减低提示其炎性进展期，18F-FDG 无摄取且无灌注或低灌注提示其炎性终末期；既往研究也显示PET/MR在心脏结节病的诊断和疗效监测中具有可行性[27]，所以PET/MR 不仅可以诊断结节病在心肌中的受累情况，还可以对其进行分期，从而指导治疗。

3.3 心脏淀粉样变性（cardiac amyloidosis，CA）

CA 是由于原发性或继发性因素致使前体蛋白以异常的β 折叠形式沉积在心肌细胞外的某种自体蛋白纤维，从而引起心脏舒缩功能和（或）传导系统障碍，是具有典型限制性心肌病临床表现的一组疾病，主要分为获得性单克隆免疫球蛋白轻链（AL）和转甲状腺素（TTR）两种类型，鉴于其不同的预后和治疗方法，临床分型显得尤为重要。CMR已成为诊断CA 的成熟工具，但无法分型[28-29]。而Trivieri 等[30]的研究结果表明，与获得性单克隆免疫球蛋白轻链型患者及正常体检者相比，转甲状腺素型患者的18F-NaF PET 显像表现为心肌放射性摄取增加，且与LGE 显像的病变范围一致。另外，一些研究结果也表明，11C-PIB PET 可用于CA 的诊断[30-32]。Lee 等[31]报道了22 例疑似CA 患者，在经活检证实的15 例患者中，有13 例11C-PIB PET 为阳性；而无CA 的患者，11C-PIB PET 扫描结果均无阳性；且非化疗组与化疗组心肌对11C-PIB 摄取的差异有统计学意义（P=0.014）。所以，PET/MR不仅可以对CA 进行诊断、分期，还可以进行疗效评估，特别是对于肾功能异常而无法进行MRI LGE 显像的患者。

表1 PET 显像剂在心血管疾病中的应用Table 1 PET tracers for cardiovascular applications

3.4 冠状动脉粥样硬化斑块

冠状动脉粥样硬化性心脏病是导致人类病死的主要原因之一，其中急性冠状动脉综合征是导致患者发生猝死和预后不良的主要原因。而急性冠状动脉综合征发病的主要原因是冠状动脉粥样硬化易损斑块破裂或内皮表面糜烂导致冠状动脉内形成血栓。因此，早期无创性诊断冠状动脉粥样硬化斑块的稳定性已成为国内外研究热点之一。目前，PET 和CMR 对冠状动脉硬化易损斑块的成像主要体现在斑块的炎症、微钙化及出血上[33]，PET 可通过不同靶点的放射性显像剂对易损斑块进行评估，包括作用于易损斑块炎性细胞的68Ga-pentixafor，针对斑块微钙化的18F-NaF 及用于新生血管的64Cu-DOTA-VEGFR121 等；CMR 可通过黑血T1 加权成像和冠状动脉增强成像或冠状动脉亮血成像评估冠状动脉解剖异常、管腔狭窄严重程度及斑块内出血等情况。Joshi 等[34]在对40 例心肌梗死和40 例稳定性心绞痛患者的研究中发现，在37 例心肌梗死患者中，“罪犯斑块”与“非罪犯斑块”对18F-NaF 摄取的差异有统计学意义（P＜0.0001），而对18F-FDG 的摄取差异无统计学意义（P=0.34）；在18 例稳定性心绞痛患者中，“罪犯斑块”对18F-NaF均呈高摄取，此结果与血管内超声结果一致。另外，Xie 等[16]研究结果证实，在CMR 的全心冠状动脉斑块定性技术（CATCH）序列黑血图上，冠状动脉高信号与正常心肌信号的比值大于1.4 的病灶，与冠状动脉光学成像所检测的易损斑块评分相关性良好，可识别斑块内成分及其稳定性。所以，针对不同靶点的放射性核素PET/MR 动脉粥样硬化斑块成像具有较大的临床应用潜力。

3.5 心脏肿瘤

MRI 可以很好地评估心脏肿瘤，因为其能够准确地描述肿瘤的位置、大小、血管分布及病变组织特征。不过，同时进行18F-FDG PET/MR 检查则可增加对心脏肿瘤代谢信息的了解，有助于对肿瘤的良恶性进行鉴别[35]。最近的一项研究结果表明，18F-FDG PET/MR 区分良恶性肿瘤的灵敏度为100%、特异度为92%，并且在评估原发性心脏恶性肿瘤与转移性心脏肿瘤时，全身18F-FDG PET/MR 较单纯MRI 有更高的灵敏度[36]。

4 结论

PET/MR 心血管成像作为新型的多模态成像技术，可以一次扫描同时获得心血管解剖、组织特征、功能和分子水平信息，给心脏疾病的诊断和疗效评估提供了进一步的帮助。另外，较低的辐射剂量对年轻患者的临床成像尤其重要。但在临床广泛应用之前，需要通过PET 与CMR 的交叉验证，探索出更合理的应用参数，规范操作流程（比如：可能不需要PET 与CMR 两种技术同时评估心肌灌注和左心室功能值）等。所以，目前仍需进一步的临床研究来探索PET/MR 在心脏疾病方面的潜在应用。

利益冲突本研究由署名作者按以下贡献声明独立开展，不涉及任何利益冲突。

作者贡献声明毕晓负责论文的撰写和最终版本的修订；徐白萱负责研究命题的提出和论文的审阅。