PET/MRI分子影像設(shè)備

【作 者】郭晉綱1，張曉麗2，鄭永明1，莊坤1，任媛1

1 山西省腫瘤醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科, 太原市, 030013 2 山西煤炭中心醫(yī)院婦產(chǎn)科, 太原市, 030010

該文對(duì)PET和MRI的成像原理及設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較。著重介紹一體化PET/MRI分子影像設(shè)備的功能特點(diǎn)和目前采用的幾種結(jié)構(gòu)模式。比較了采用MRI圖像信息對(duì)PET圖像進(jìn)行衰減校正的現(xiàn)行方法, 闡述了它們各自存在的問(wèn)題。詳細(xì)闡述了PET/MRI臨床應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)和其發(fā)展前景。

PET；MRI；PET-MRI； PET 衰減校正技術(shù)

0 引言

磁共振成像(MRI) 技術(shù)是在磁共振現(xiàn)象的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，它能夠提供多參數(shù)、高分辨率的軟組織圖像。為此，分子影像的臨床應(yīng)用和臨床前期研究者對(duì)PET和MRI設(shè)備結(jié)合起來(lái)的PET/ MRI多模式分子影像設(shè)備寄予厚望。本文詳細(xì)介紹PET/MRI分子影像設(shè)備成像原理、結(jié)構(gòu)和臨床應(yīng)用。

1 PET/MRI成像原理和設(shè)備結(jié)構(gòu)

1.1 PET成像原理

PET是以正電子放射性核素或正電子放射性核素標(biāo)記的化合物、配體、抗體、酶等示蹤劑為探測(cè)對(duì)象，獲取它們?cè)诨铙w內(nèi)的分布、代謝或靶目標(biāo)結(jié)合的信息。正電子放射性核素在體內(nèi)與組織、細(xì)胞中的負(fù)電子結(jié)合發(fā)生湮沒(méi)輻射。湮沒(méi)輻射遵從能量守恒及動(dòng)量守恒定律，會(huì)產(chǎn)生能量相等(511 keV)、方向相反(180o)的一對(duì)γ射線。PET設(shè)備配以環(huán)狀排列或?qū)ΨQ排列的、成對(duì)的探測(cè)器，對(duì)這些γ射線在體外進(jìn)行探測(cè)。

1.2 PET影像設(shè)備的結(jié)構(gòu)

PET設(shè)備由PET探測(cè)器、患者檢查床和對(duì)γ射線在人體組織的衰減進(jìn)行校正的放射性核素穿透源系統(tǒng)，以及圖像采集、處理工作站組成。PET探測(cè)器是PET設(shè)備的核心。PET探測(cè)器按照技術(shù)的發(fā)展分成：基于晶體和PMT結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)探測(cè)器，采用晶體和光電二極管的探測(cè)器，以及采用半導(dǎo)體器件的探測(cè)器[1]。我們可以發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體探測(cè)器(Semiconductor Detector)是PET和SPECT設(shè)備探測(cè)器發(fā)展的方向，它具有極高的能量分辨率和系統(tǒng)靈敏度。它能夠在提高探測(cè)器靈敏度的同時(shí)保持很高的空間分辨率，這是目前其他類型探測(cè)器無(wú)法做到的。傳統(tǒng)的PET是采用裝有放射性核素穿透源(68Ge)，由γ射線穿透人體，獲得人體組織密度信息，然后對(duì)γ射線在組織內(nèi)的衰減進(jìn)行校正。由于放射性核素線源信息量較低，穿透掃描所需時(shí)間與PET系統(tǒng)臨床圖像采集時(shí)間幾乎相等，使得PET每床位掃描時(shí)間長(zhǎng)達(dá)十幾分鐘，長(zhǎng)時(shí)間掃描嚴(yán)重影響了PET的臨床應(yīng)用。

2 MRI成像原理和設(shè)備結(jié)構(gòu)

2.1 MRI 成像原理

MRI臨床圖像主要反映的是人體組織細(xì)胞在磁場(chǎng)中某種受激發(fā)原子核（比如質(zhì)子）的分布和生物學(xué)狀態(tài)，以達(dá)到對(duì)人體疾病診斷與治療效果監(jiān)測(cè)的目的。MRI使用電磁波成像與PET使用伽瑪射線成像，二者的區(qū)別[2]可以看出MRI接收的電磁波能量比較低，受到的干擾比較多，檢測(cè)體內(nèi)組織細(xì)胞的成分靈敏度會(huì)低于PET成像使用的γ射線。正是由于PET成像使用的γ射線與MRI成像使用的電磁波之間具有非常大的差異，使它們之間形成極佳的互補(bǔ)性，這種互補(bǔ)帶來(lái)的效果成為多模分子影像PET/MRI設(shè)備的優(yōu)勢(shì)。

2.2 MRI設(shè)備的結(jié)構(gòu)

MRI影像設(shè)備包括MRI主磁場(chǎng)部分、梯度線圈系統(tǒng)、射頻磁場(chǎng)系統(tǒng)、圖像采集處理工作站、患者掃描床，以及輔助設(shè)備(磁屏蔽、射頻屏蔽，以及呼吸、心電門控裝置等)[3]。MRI磁場(chǎng)強(qiáng)度、線圈性能、圖像處理速度等因素影響著MRI設(shè)備的整體性能。

2.2.1 MRI主磁場(chǎng)部分

MRI主磁場(chǎng)由磁體和勻場(chǎng)補(bǔ)償線圈組成。磁體的功能是提供衡定、均勻的磁場(chǎng)，以便磁化進(jìn)入磁場(chǎng)內(nèi)的組織(比如：氫核)。主磁場(chǎng)的強(qiáng)度一般在(0.3～3)T。產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度的方式有永磁型、常導(dǎo)型和超導(dǎo)型。不同磁場(chǎng)強(qiáng)度產(chǎn)生的方式有其各自的特點(diǎn)。

2.2.2 MRI梯度系統(tǒng)

梯度磁場(chǎng)線圈繞在主磁場(chǎng)和勻場(chǎng)補(bǔ)償線圈內(nèi)，由X、Y、Z三組組成。梯度線圈要求有良好的容積和線性。梯度系統(tǒng)是MRI設(shè)備性能的關(guān)鍵，它關(guān)系到成像的定位、視野、矩陣、層厚、成像序列( 尤其是快速成像序列)、梯度場(chǎng)強(qiáng)、切換率以及靈活性等。另外，梯度場(chǎng)強(qiáng)決定切換率和最短TR與TE的獲得，以及MRI圖像的質(zhì)量。

2.2.3 MRI的射頻系統(tǒng)

射頻系統(tǒng)由發(fā)射器、電壓放大器、發(fā)射線圈、接收線圈和高性能信號(hào)放大器組成。發(fā)射線圈置于主磁場(chǎng)內(nèi)。對(duì)于射頻系統(tǒng)要求具有寬頻響應(yīng)、高信噪比、良好線性和高穩(wěn)定性、大的功率和高效率發(fā)射與接收等特點(diǎn)。

2.2.4 圖像采集處理工作站及患者掃描床

MRI所使用的圖像采集處理工作站要求容量大、圖像重建速度快、具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能等。臨床對(duì)圖像融合功能的需求在不斷加強(qiáng)，圖像處理工作站要求具備圖像融合功能。隨著MRI全身掃描應(yīng)用的普及，對(duì)MRI掃描床的要求是具有大的掃描范圍，如完成全身掃描。

2.3 MRI影像提供的信息

MRI是一種多參數(shù)的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，不同參數(shù)反映體內(nèi)組織細(xì)胞分布、生物學(xué)狀態(tài)。每克組織內(nèi)具有超過(guò)1 023個(gè)分子，并且人體組織細(xì)胞主要是含有質(zhì)子，這也是MRI主要采用質(zhì)子成像的原因[4]。對(duì)于MRI圖像，一般在無(wú)特殊說(shuō)明的情況下均指質(zhì)子成像圖像。正是由于人體組織細(xì)胞中存在大量質(zhì)子，為MRI成像提供了其他影像在軟組織成像中無(wú)法比擬的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。T1 弛豫時(shí)間、T2弛豫時(shí)間、質(zhì)子密度、質(zhì)子化學(xué)位移、質(zhì)子彌散系數(shù)和磁共振波譜成像均從不同角度反映組織細(xì)胞質(zhì)子分布或生物學(xué)狀態(tài)。

3 PET/MRI設(shè)備結(jié)構(gòu)

PET/MRI設(shè)備是將PET高靈敏度、高特異性影像技術(shù)和能夠提供組織多參數(shù)成像的MRI技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)的分子影像設(shè)備。

由于傳統(tǒng)PET影像設(shè)備探測(cè)器中PMT容易受MRI磁場(chǎng)影響，工作狀態(tài)的PMT會(huì)明顯影響MRI設(shè)備磁場(chǎng)的均勻性，因此MRI設(shè)備磁場(chǎng)的存在增加了PET/MRI設(shè)備一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度。如，采用PET和MRI前后位結(jié)構(gòu)的PET/MRI設(shè)備的患者掃描孔長(zhǎng)度可能超過(guò)2 m，這樣降低了PET/MRI臨床應(yīng)用的實(shí)用性。另外，MRI成像參數(shù)對(duì)PET影像的衰減校正，還存在有待改進(jìn)的技術(shù)問(wèn)題。在20世紀(jì)90年代初期就開(kāi)始了PET/MRI實(shí)驗(yàn)機(jī)型的設(shè)計(jì)和臨床應(yīng)用價(jià)值的研究，帶來(lái)的效果成為多模分子影像PET/MRI設(shè)備的優(yōu)勢(shì)。

雖然PET/MRI分子影像設(shè)備在技術(shù)上還有一些問(wèn)題需要解決，但是PET/MRI分子影像設(shè)備潛在的臨床優(yōu)勢(shì)仍然受到臨床醫(yī)師和分子影像研究者的關(guān)注。PET/MRI與PET/CT設(shè)備比較具有以下幾方面的優(yōu)勢(shì)：MRI能夠以多種參數(shù)提供組織信息，特別是軟組織信息，明顯提高對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)和縱隔、腹腔淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移灶檢出率；PET/MRI可以真正實(shí)現(xiàn)PET和MRI圖像同步采集處理，克服PET/CT設(shè)備中PET與CT圖像采集中時(shí)相和空間位置差異的問(wèn)題，提高了PET 與MRI 圖像融合的精確性；MRI不但可以提供組織灌注信息，采用MRS可以提供簡(jiǎn)單的組織細(xì)胞中特殊的分子信息。這些可以彌補(bǔ)PET在簡(jiǎn)單組織代謝成像中存在的高成本問(wèn)題。PET/MRI分子影像設(shè)備中的MRI掃描對(duì)受檢者的組織、細(xì)胞并無(wú)輻射電離損傷效應(yīng)，臨床應(yīng)用范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于PET/CT設(shè)備。

PET/MRI影像設(shè)備按照PET與MRI兩個(gè)設(shè)備的探測(cè)器之間關(guān)系可以分成：分體式PET/MRI和一體化PET/MRI設(shè)備。一體化PET/MRI設(shè)備又分成組合式PET/MRI和嵌入式PET/MRI。

3.1 分體式PET/MRI設(shè)備

分體式PET/MRI影像設(shè)備中的PET探測(cè)器通常采用傳統(tǒng)PET結(jié)構(gòu)，也就是探測(cè)器由晶體、PMT和后續(xù)電路組成。分體式PET/MRI設(shè)備是指：PET探測(cè)器與MRI設(shè)備之間保持必要距離，甚至PET和MRI兩者可以放在相鄰的不同房間內(nèi)。如果PET設(shè)備與MRI在同一掃描機(jī)房，需要對(duì)PET設(shè)備中的PMT進(jìn)行磁場(chǎng)屏蔽，以降低MRI磁場(chǎng)影響PET的PMT。分體式PET/MRI設(shè)備其優(yōu)點(diǎn)是：可以各自獨(dú)立使用，靈活方便。可以使用同一患者掃描床，采用軟件對(duì)PET與MRI圖像進(jìn)行配準(zhǔn)修正，保證融合精度。但是，分體式PET/MRI最大的問(wèn)題是：采用MRI信息對(duì)PET圖像進(jìn)行校正時(shí)存在較大誤差，而且分體式PET/MRI還存在固有缺陷，就是無(wú)法實(shí)現(xiàn)同步PET和MRI掃描[5]。

目前，分體式PET/MRI設(shè)備已在臨床使用。對(duì)于PET和MRI各自設(shè)備并無(wú)實(shí)質(zhì)性技術(shù)改進(jìn)，主要通過(guò)軟件方法對(duì)PET和MRI圖像進(jìn)行融合。

3.2 一體化組合式PET/MRI設(shè)備

PET/MRI設(shè)備的PET探測(cè)器和MRI前后放置的稱為一體化組合式；PET探測(cè)器鑲嵌在MRI設(shè)備內(nèi)的稱為一體化鑲嵌式[6]。組合式和鑲嵌式PET/MRI之間最大的區(qū)別是：后者可以完成同步PET/MRI采集。組合式PET/MRI由于PET和MRI成像部分是前后放置，使得機(jī)架長(zhǎng)度太長(zhǎng)，不利于臨床使用。對(duì)于一體化鑲嵌式PET/MRI設(shè)備，又按照PET探測(cè)器在MRI中鑲嵌類型不同，分成光纖介導(dǎo)模式和非光纖介導(dǎo)模式。如果使用晶體、光電二極管或半導(dǎo)體探測(cè)器，磁場(chǎng)對(duì)探測(cè)器影響比較小，可以直接將整個(gè)探測(cè)器鑲嵌在MRI中。對(duì)于晶體、PMT結(jié)構(gòu)的PET探測(cè)器，PMT設(shè)置在磁場(chǎng)之外，需要利用較長(zhǎng)的光導(dǎo)纖維將晶體的微弱熒光信號(hào)引至PMT完成光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。采用光纖進(jìn)行光信號(hào)傳遞會(huì)導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度降低60%～80%以上，造成PET系統(tǒng)的能量分辨率、空間分辨率和靈敏度的下降[7]。因此，使用半導(dǎo)體探測(cè)器或晶體、光電二極管探測(cè)器的一體化鑲嵌式PET/MRI是發(fā)展的方向。

PET/MRI一體化帶有飛行時(shí)間(Time of Flight，TOF)技術(shù)、能夠真正實(shí)現(xiàn)PET與MRI同步掃描的TOFPET/MRI設(shè)備不但具有最先進(jìn)的PET的飛行時(shí)間成像技術(shù)（TOF-PET），而且具有全部MRI成像功能。PET與MRI成像原理、技術(shù)和方法具有本質(zhì)的不同，一體化TOF-PET/MRI設(shè)備正是充分發(fā)揮PET與MRI成像技術(shù)各自獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，最大程度展示其協(xié)同作用以實(shí)現(xiàn)提高對(duì)疾病診斷和療效評(píng)估目標(biāo)。盡管在PET和MRI血管成像（MRI Angiography，MRA）技術(shù)中都采用TOF技術(shù)，即TOF-PET和TOF-MRA，但是兩者成像原理、方法和臨床應(yīng)用卻完全不同。

3.2.1 TOF-MRA技術(shù)介紹

PET是基于正電子核素與組織細(xì)胞負(fù)電子發(fā)生湮滅作用后，探測(cè)其產(chǎn)生的γ射線進(jìn)行成像。MRI是采用發(fā)射和接收共振產(chǎn)生的電磁波進(jìn)行成像。

TOF-MRA：磁共振時(shí)間飛躍法(Time of Flight，TOF)血管成像采用“流入增強(qiáng)效應(yīng)”機(jī)制，是臨床最廣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復(fù)時(shí)間（Repetition Time，TR）的梯度回波序列。一般選擇SPGR（Spoiled Gradient Recalled Echo）序列。由于TR短，靜態(tài)組織沒(méi)有充分弛豫就接受下一個(gè)脈沖激勵(lì)，在脈沖的反復(fù)作用下，其縱向磁化矢量越來(lái)越小而達(dá)到飽和，信號(hào)被衰減；對(duì)于成像容積以外的血流，因?yàn)殚_(kāi)始沒(méi)有接受脈沖激勵(lì)而處于完全弛豫狀態(tài)，當(dāng)該血流進(jìn)入成像容積內(nèi)時(shí)才被激勵(lì)而產(chǎn)生較強(qiáng)的信號(hào)。該技術(shù)是依據(jù)血液流動(dòng)速度、射頻激勵(lì)時(shí)間來(lái)對(duì)血管進(jìn)行成像，TOF-MRA的對(duì)比極大地依賴于血管進(jìn)入的角度，所以在用TOF法進(jìn)行血管成像時(shí)掃描層面一般要垂直于血管走向。TOF-MRA成像方法盡管存在上述的一些局限性，但是該方法無(wú)需注射任何對(duì)比劑、能夠快速獲得高分辨率腦血管的圖像。TOF-MRA已經(jīng)成為臨床常規(guī)的腦血管成像方法。

由此可見(jiàn)，TOF-PET與TOF-MRA成像原理存在本質(zhì)的區(qū)別。前者是利用飛行光子到達(dá)探測(cè)器時(shí)間差進(jìn)行成像，后者是利用流入增強(qiáng)效應(yīng)進(jìn)行成像。TOF-PET的飛行時(shí)間技術(shù)和TOF-MRA的時(shí)間飛躍血管成像技術(shù)在中文字面含義也存在明顯的差異。

3.2.2 TOF-PET和TOF-MRI技術(shù)臨床應(yīng)用區(qū)別

2016年，也可以講是PET分子成像技術(shù)歷史性的一年。在2016年，PET生產(chǎn)企業(yè)一致認(rèn)為基于SiPM的PET探測(cè)器的TOF技術(shù)是PET未來(lái)技術(shù)發(fā)展的方向。TOF-PET代表PET最先進(jìn)的分子成像技術(shù)，不但能夠顯著提高PET的空間分辨率、病灶的對(duì)比度，而且能夠明顯降低患者正電子藥物注射劑量或提高掃描速度。PET的TOF技術(shù)是從整體上、全面地提高PET成像性能。相比較之下，MRI的TOF主要用于血管的成像。所以，我們必須掌握兩者之間的本質(zhì)區(qū)別。MRA解剖成像對(duì)于腦血管病診斷、治療效果評(píng)估很有幫助。 TOF-PET與TOF-MRA技術(shù)之間存在本質(zhì)的區(qū)別。TOF-PET從整體上提高了PET的性能，TOFMRA是用于MRI血管成像的技術(shù)。

所以，在一體化TOF-PET/MRI腦血管疾病成像中不但需要獲得MRI、腦局部血流量信息外，同時(shí)還需要得到腦組織細(xì)胞代謝的信息。將腦組織解剖結(jié)構(gòu)、血流灌注和代謝信息綜合起來(lái)能夠幫助臨床醫(yī)師更好制定診療計(jì)劃，提高臨床診療水平。

4 一體化PET/MRI分子成像設(shè)備發(fā)展展望

4.1 一體化TOF-PET/MRI設(shè)備呼吸門控作為全身掃描必備技術(shù)

一體化帶有TOF技術(shù)的PET/MRI分子成像設(shè)備PET與MRI使用的是同一呼吸、心電和指脈門控信號(hào)，能夠確保PET與MRI同步掃描。特別是具有TOF技術(shù)為呼吸門控快速掃描奠定基礎(chǔ)。比如，要在10 s～30 s完成一個(gè)時(shí)相（BIN）掃描，沒(méi)有TOF技術(shù)根本無(wú)法完成和實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在使用的臨床經(jīng)驗(yàn)告訴我們，沒(méi)有TOF技術(shù)和呼吸門控技術(shù)無(wú)法獲得精準(zhǔn)的胸腹部臨床PET和MRI圖像。一體化PET/MRI在胸腹部掃描過(guò)程僅僅采用屏氣方法無(wú)法獲得臨床滿意的PET和MR圖像質(zhì)量，而且明顯地限制了一體化PET/MR在胸部和腹部疾病診斷和療效評(píng)估，尤其是對(duì)小病灶檢出，使其失去在健康保健和早期診斷的價(jià)值。對(duì)于采用單門控技術(shù)的PET/MR設(shè)備來(lái)講必然增加掃描時(shí)間。Q.FreeZe技術(shù)通過(guò)對(duì)不同呼吸時(shí)相圖像再配準(zhǔn)后的重組，實(shí)現(xiàn)與任何MRI掃描圖像精準(zhǔn)的配準(zhǔn)和圖像融合。

4.2 一體化TOF-PET/MRI分子成像設(shè)備的研究

最新成果已經(jīng)展示出PET的TOF技術(shù)可以替代PET的呼吸門控技術(shù)。該研究成果告訴我們“TOF技術(shù)在一體化PET/MRI設(shè)備中具有雪中送炭”的作用。沒(méi)有TOF技術(shù)，對(duì)于一體化PET/MRI設(shè)備來(lái)講就無(wú)法充分發(fā)揮其臨床價(jià)值，限制其在胸腹部掃描中的臨床應(yīng)用，尤其是無(wú)法獲得精準(zhǔn)定量化的結(jié)果。

綜上所述，國(guó)內(nèi)一體化PET/MRI分子成像設(shè)備在技術(shù)上取得很多進(jìn)步，在臨床使用中積累大量臨床病例，極大地豐富臨床使用經(jīng)驗(yàn)。這些經(jīng)驗(yàn)為一體化PET/MRI分子成像設(shè)備在國(guó)內(nèi)穩(wěn)定發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。展望未來(lái)[8]，相信隨著一體化PET/MRI裝機(jī)量的不斷增加，臨床使用經(jīng)驗(yàn)的不斷豐富，一體化PET/ MRI分子成像技術(shù)將在臨床、健康管理和科研中發(fā)揮更大的作用。

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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

山西省衛(wèi)計(jì)委科研項(xiàng)目(2015054)

郭晉綱， 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.