PET-MRI新技術應用進展*

申 強 李建紅 王榮福②*

PET-MRI新技術應用進展*

申 強①李建紅①王榮福①②*

多模態成像系統雖已應用于臨床，但PET-MRI的出現是醫學影像學的革命性進步，是繼PET-CT之后具有里程碑意義的影像設備。MRI不但解決了CT檢查中的部分局限性，還可提供豐富的形態學和功能信息，而PET在分子功能和代謝水平對人體生理及疾病狀態方面進行研究的同時，還可在腫瘤、心血管疾病和神經系統疾病的診斷、治療決策、療效評價及預后評估中起到重要的作用。

正電子發射體層成像；磁共振成像；腫瘤；心血管疾病；神經系統疾病

申強,男,(1988- ),碩士研究生，醫師。北京大學國際醫院核醫學科，從事放射治療與影像診斷工作。

專欄——核醫學技術臨床應用及新進展

編者按：核醫學是利用先進的顯像設備和具有靶向結合功能的放射性藥物進行臨床診斷、疾病治療以及生物醫學研究的一門學科，是核科學技術在醫學中應用的重要新興領域。核醫學顯像是以核素示蹤技術為基礎，以放射性濃度為重建變量，以組織吸收功能的差異作為診斷依據。將放射性藥物引入機體后，探測并記錄引入體內靶組織或器官的放射性示蹤劑發射的γ射線或γ光子，以時間-放射性活度曲線或影像的方式顯示出來，不僅可以顯示臟器或病變的位置、形態及大小等解剖學結構，更重要的是可以同時提供有關臟器和病變的血流、功能、代謝和受體密度的信息，甚至是分子水平的化學信息，因此有助于疾病的早期診斷。隨著近年來新型分子影像設備的引進、國產化和具有高度特異性分子探針的研發和轉化應用，核醫學技術在臨床應用中倍受關注和重視。

欄目主編：王榮福

王榮福，醫學和藥學博士，二級教授、主任醫師、博士生導師。全國“核技術及應用”重點學科學術帶頭人，現任北京大學醫學部核醫學系主任、北京大學第一醫院和北京大學國際醫院核醫學科主任。中國醫學裝備協會理事、核醫學裝備與技術專業委員會副主任委員，全國高建委名醫名院發展促進專業委員會核醫學專業主委，中國核學會核醫學分會副主任委員，中國抗癌協會腫瘤影像專業委員會副主任委員。美國《J Mol Biol Techniques》雜志主編，標記免疫與臨床雜志副主編；《中國醫學裝備》等國內外多種學術期刊編委和審稿專家。承擔多項國家和部委級課題，主編教材15部和專著3部，發表400多篇論文，獲3項中國發明專利和4項部委級成果獎。主要從事分子與臨床核醫學，腫瘤靶向核素診治以及甲狀腺疾病核素診治，放射免疫顯像與治療，受體、反義與基因及腫瘤新生血管顯像、放射性藥物研發及SPECT、SPECT-CT、PET-CT和PET-MR技術與臨床應用研究等。

正電子發射計算機斷層顯像技術(positron emission computed tomography，PET)能夠通過可視化特殊顯影劑在細胞組織內濃集程度來反映體內細胞的代謝水平[1]。PET的出現使核醫學顯像診斷真正地步入了分子水平的新時代，尤其是在腫瘤的診斷、分期及療效判斷方面，PET發揮了重要作用，大量的臨床應用及研究充分證實了PET的診斷價值；但因PET本身物理性能的限制，難以清楚顯示體內組織器官的精細解剖結構，其在定位診斷有一定局限性。而PET-CT通過將PET與CT融合在同一圖像上，解決了PET單獨使用時解剖結構顯示不清楚的難題[2]。目前，PET-CT的臨床使用價值在多種腫瘤的診斷與化療效果評估中已經得到廣泛認可，尤其在腫瘤復發與遠處轉移的患者中優先推薦進行PET-CT檢查以評估腫瘤的進展情況[3-4]。然而，與MRI相比CT無法清楚地顯示軟組織病變情況，仍有大量軟組織腫瘤患者在PET-CT檢查之后需要進行MRI檢查。此外，PETCT中CT部分使患者接觸大量放射線的問題引起患者與醫生的顧慮。因此，近年來PET-MRI開始投入臨床。PET-MRI解決的主要臨床問題是MRI檢查是無輻射的，同時對軟組織具有高分辨率，極大提高了分子影像圖像的質量，以及與組織分子結構、分子代謝和功能代謝相關的精細圖像，為臨床診斷提供了更加可靠和客觀的信息。

1 PET-MRI技術發展歷程

PET-MRI是在PET及PET與CT融合一體化的基礎上發展起來的新技術[5]。PET與MRI兩種技術能夠實現同步數據采集并圖像融合，則可獲得人體結構、功能和代謝等全方位的信息，并減少輻射危害，這將對于精準醫療的個性化診治具有重要臨床價值。但PET與MRI融合存在許多技術上的重大難題，其中包括：①如何避免磁共振高磁場與PET的相互影響；②如何改進磁共振掃描線圈，以實現一次掃描全身成像；③如何擴展磁共振的孔徑及相關材料的研發。隨著PET與MRI融合技術的不斷發展，其關鍵技術難題不斷突破，采用雪崩光電二極管(avalanche photodiode，APD)取代PET傳統的光電倍增管(photo multiplier tube，PMT)，這種新型光子探測器既能在強磁場中正常工作，又不會影響磁共振影像，還能承受射頻場的影響[6]。

近年來，開發采用了硅光電倍增管(Silicon photo multiplier，SiPM)，由稱為微元的G-APD陣列組成，單個微元的增益與PMT相當[7-8]。通常一個SiPM內部包含數千至上萬個微元，整個陣列共陰極，總輸出信號相當于并行同時輸出所有微元信號，SiPM的優點為探測效率高、工作電壓低、體積小以及對磁場不敏感等，基于SiPM的PET探測器在時間和空間分辨率上均有顯著提高，從而實現了飛行時間(time of flight，TOF)技術，對提高圖像分辨率和診斷準確率具有重要意義。磁共振掃描線圈也取得歷史性突破，從最初的正交線圈到表面線圈，再到相控陣表面線圈，進而發展到一體化相控陣表面線圈，實現了從頭頂到腳趾的全身MR掃描，數據一次采集完成并能獲得高分辨率的圖像，這為PET與MRI的融合奠定了堅實的基礎。

對于CT而言，MRI的一大優勢就是無電離輻射傷害。PET與MRI融合一體化的PET-MRI產生的輻射主要來自PET，如正電子核素標記的藥物18F-FDG等，由于融合需要對PET材料及技術的革新，目前PET-MRI的PET靈敏度較以前更高，獲得同等質量的PET圖像其所需要的藥物劑量極大降低。有學者基于美國國家電氣制造商協會(National Electrical Manufacturers Association，NEMA)圖像標準，通過實驗研究發現，相比PET-CT(常規每床位2 min)PET-MRI只需要一半的藥量(每床位4 min)即可獲得同等的圖像質量。此外，PET-MRI一個重要特點是當MRI和PET同時掃描時，由于磁共振是多序列多參數成像，掃描時間相對較長，PET掃描結束時MRI仍在繼續成像，這時PET可以相對延長掃描時間來進一步提高信噪比，從而降低PET前期藥物注射劑量。目前，相比PET-CT，帶TOF的PET-MRI降低了56﹪的注射劑量，而藥物劑量的減少使輻射劑量大幅度降低[9-10]。輻射劑量很低是PET-MRI的突出優勢。

2 PET-MRI成像技術發展現狀

早期MRI為局部顯像，耗時較多，近期采用平行采集技術和全身顯像，快速和超快速MRI，縮短采集時間，分辨率明顯提高；采用全身成像矩陣(total imaging matrix，TIM)技術：76個線圈和36個通道，采集速度和圖像質量明顯增加。3.0T的磁體有全身通用機及頭部專用機，全身通用機的磁體一般較長(如Siemens為2.0 m)，Philips開發了1.57 m的短磁體型，重量僅為5500 kg。Siemens的頭部專用機磁體長度為1.5 m。降噪問題已是磁體設計中普遍關注的問題，通過在磁體內置真空層、減少渦電流及應用緩沖材料，大多數設備的噪聲水平可降至以往的40﹪左右。

2.1 TOF技術

PET技術也有了較快的發展，如最近進入臨床應用的HD·PET將信噪比提高了2倍，擁有全視野(field of view，FOV)統一的2 mm空間分辯率。TOF技術的出現，使得一體化PET-MRI真正的應用于臨床和科研，TOF源于某個正電子的兩個光子到達晶體的時間差可被測量，理論上可由此精確計算出正電子的位置。然而，現實中測量到的光子TOF有一定誤差，該誤差為系統時間分辨率。系統時間分辨率與光速的乘積即是系統確定湮沒輻射位置的定位精度，目前TOF技術雖未知正電子的確切位置，但能夠肯定其分布在定位精度對應的圓形區域，確定正電子位置重建過程中參與的體素數量的多少；正電子位于定位精度內各個體素的概率符合正態分布，因此圖像信息計算更加精確。

TOF技術的優勢為：①利用光子的飛行時間信息將正電子的位置限定在小范圍內，減少了重建該事件涉及到的體素數量，使局部信息濃度升高；②對重建范圍內各體素的信息量有正確的預判使信息分布更合理。

TOF技術在一體化同步掃描PET-MRI設備中發揮著極其重要的作用。具有TOF技術的一體化PETMRI的TOF的作用表現在：①減少PET掃描時間，從而提高PET-MRI整體掃描速度。在PET-CT設備中，是PET掃描速度落后于CT掃描速度；而在PET-MRI設備中，即使MRI只進行單一序列掃描，其掃描速度也遠比PET掃描速度慢。無TOF技術的PET-MRI全身掃描大約需要40～60 min，而具有TOF技術的TOF-PET-MRI可以將全身掃描時間縮短到15 min左右。

2.2 PET-MR的融合

現階段，西門子、飛利浦和GE公司均推出了相關的PET-MRI產品，并且已經推廣到臨床應用[11]。目前一體化PET-MR的融合主要有PET與MRI掃描儀串聯3類。

(1)PET與MRI掃描儀串聯。將兩套獨立的系統串聯起來，共用一張掃描床，即異機采集圖像，只需對現有的兩套系統做很小的修改，然后通過軟件融合，這種設計與PET-CT較相似。同時兩套獨立系統也可單獨使用。

(2)插入式掃描。將可移動的PET斷層掃描插入MRI孔徑內，主要技術難題是在磁場中引進電路。其優點是使得PET與MRI的FOV一致，能同時采集PET與MRI數據，實現PET與MRI的完美融合，縮短影像數據總采集時間。缺點是將PET插入MRI孔徑后會減小掃描孔徑的大小，因而限制其應用。

(3)完全集成式掃描。將PET探測器環完全整合到MRI掃描架上，能夠對全身影像進行數據采集，該方式的PET-MRI在技術上難度最大，且費用較高，并對操作人員的技術要求更高，因此該技術到目前為止尚未完全實現。

3 PET-MRI成像技術應用

PET-MRI多模態成像技術將MRI的軟組織對比度、功能序列與PET的分子信息相結合可同步采集，并從功能、分子水平及形態等多方面提供腫瘤的生物學及微環境信息[12]。18F-FDG PET直接反應腫瘤細胞的葡萄糖代謝活性，可提供多個反應細胞活性的定量指標，如標準化攝取值(standardized uptake value，SUV)、病灶總糖酵解(total lesion glygolysis，TLG)值和紋理特征；MR功能成像序列，如彌散加權成像(diffusion weighted imaging，DWI)、動態對比增強磁共振成像(dynamic contrast enhanced-magnetic resonance imaging，DCE-MRI)以及血氧水平依賴功能磁共振成像(blood oxygenati on level dependentfunctional magnetic resonance imaging，BOLD-fMRI)等均可用于腫瘤治療療效的預測。

3.1 MRI

3.1.1 DWI

DWI是觀察活體水分子微觀運動的成像方法，利用MRI對運動檢測敏感的基本特性從分子水平反映人體各組織水分子的擴散功能變化，從而反映組織變化特征[13]。DWI圖像的對比主要取決于組織間的表觀彌散系數(apparent diffusion coefficient，ADC)值，ADC值可反映瘤體內細胞密度、細胞膜完整性及腫瘤對于新輔助治療的敏感性等[14]。

3.1.2 DCE-MRI

DCE-MRI是一種MRI功能成像技術，通過組織時間-信號強度曲線及數學模型進行半定量及定量計算，反映血流灌注特征，并間接反映組織缺血、乏氧情況，在評價腫瘤微血管的結構和功能中發揮著重要作用[15]。

3.1.3 BOLD-fMRI

BOLD-fMRI基于血紅蛋白氧飽和水平進行成像，其通過計算血液中氧合血紅蛋白(HbO2)和去氧血紅蛋白(dHb)的比例以判斷組織的氧分壓情況。BOLD-fMRI通常采用表觀橫向弛豫率(R2*)值作為量化指標。高R2*值代表dHb含量增加，即組織氧含量較低，而低R2*值則代表組織氧含量較高。目前，BOLD-fMRI在預測腫瘤的放化療療效中的應用較少，但Hallac等[16]研究表明，由于治療后腫瘤組織減少，相應區域氧分壓降低，使R2*值相應升高。因此，治療后R2*值的變化情況將可能用于預測治療效果。

3.218F-FDG PET

3.2.1 SUV與TLG

SUV是PET顯像中常用的半定量分析參數，SUV值可以比較顯像劑在腫瘤組織與正常組織中的攝取情況[17]。由于腫瘤組織內代謝異常活躍，其SUV值明顯增高，而治療后由于腫瘤組織減少，顯像劑攝取相應減少，使SUV值下降。將一定比值的SUVmax值(通常為40﹪～50﹪)作為閾值來劃定腫瘤分割邊界，以此估算腫瘤代謝體積(metabolic tumor volumes，MTV)。感興趣區域(region of interest，ROI)內平均SUV與MTV的乘積即為TLG值，反映整個腫瘤組織內葡萄糖的代謝情況，根據治療后TLG值的變化可以推斷腫瘤的退化程度[18]。

3.2.2 紋理特征

紋理是指圖像灰度的分布情況，而紋理特征是對圖像中紋理內部灰度級變化的特征進行量化得出的數值。近年來，紋理特征分析作為一種新的影像生物標志物被應用到腫瘤學成像領域，成為一種評估腫瘤內部異質性的非侵襲性方法。異質性高的腫瘤預后差，提示異質性可用于反映腫瘤本身的侵襲性或對治療的抵抗性[19]。

3.3 PET-MRI的臨床應用

MRI和PET相結合的成像模式已經得到廣泛的認同，兩者互相補充，所獲得圖像兼有MRI高空間分辨率，高對比度的優勢，又有PET成像高靈敏性，分子水平成像的特點[20-22]。PET-MRI的出現指導著科研、臨床及轉化醫學等多個領域往更高、更遠的方向發展。目前，PET-MRI仍處于臨床應用探索階段，主要應用于腫瘤、神經精神疾病及心血管疾病等領域[23]。

3.3.1 PET-MR在腫瘤治療中的應用

對于腫瘤的診斷評估而言，PET-MRI可能是最適合、最準確的成像方式。PET-MRI在腫瘤的鑒別診斷、分期、療效評估和復發檢測方面準確性極大提高，同時由于融合圖像能夠確定病灶的精確位置及與周圍組織的解剖關系，在確定腫瘤放射治療生物靶區和制定外科手術切除范圍等方面有著明顯的優勢。在PET-MRI中，MRI除了解剖型MRI掃描、功能序列外，還結合有彌散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)、動脈自旋標記(arterial spin labeling，ASL)及質子光譜等功能，對疾病診斷的準確率明顯提高。Buchbender等[24]比較了PET-MRI和PET-CT在腦、頭頸部、胸腹及骨盆腫瘤TNM分期的準確性，發現PET-MRI在這些腫瘤實體(比如頭頸部鱗癌)T分期中有較高的準確性，但在N分期中MRI全身分期方法檢測的準確性與PET-CT無明顯差異，PET-MRI本身并未展現其優勢，而腦腫瘤、肝腫瘤的M分期準確率仍然是受益于MRI居高的軟組織對比度。Buchbender等[25]采用同樣的方法對原位骨腫瘤、軟組織瘤及黑色素瘤進行TNM分期，對比發現PETMRI有望在原位骨腫瘤和軟組織瘤的T分期中發揮優勢，而這兩種多模式成像對腫瘤的N分期無明顯差異，對M分期的確定與腫瘤轉移部位相關。

3.3.2 PET-MR在神經系統疾病中的應用

MRI在神經系統應用最早，且最成熟。近年來，已有關于腦專用型PET-MRI在腦顯像中的潛在臨床應用價值的初步報道，而隨著全身型PETMRI的出現，其在神經系統中的應用受到越來越多的關注[26-27]。對急性缺血性中風后小腦皮質失聯絡(cortico cerebellar diaschisis，CCD)的患者行PET-MRI顯像，可檢測出多種神經聯絡故障，比如纖維變性、代謝障礙等，還可以幫助確定中風后可修復的腦組織范圍。此外，由于PET可對老年癡呆癥的病理生理進行評估，而MRI彌散張量成像、功能磁共振成像和默認模式網絡可獲取腦結構的獨特信息，因此一體化的PET-MRI能夠破譯神經退行性疾病中各種癡呆類型的一系列病理生理變化[28]。

3.3.3 PET-MR在心血管系統疾病中的應用

隨著PET顯像技術在臨床上的應用和發展，其在阻塞性冠狀動脈疾病(coronary artery disease，CAD)診斷中的靈敏度和特異性達90﹪以上[29-30]。MRI在阻塞性CAD的診斷方面同樣具有優勢，MRI可在造影劑二乙基三胺五乙酸(diethylene triamine pentaacetic acid，DTPA)快速注入冠狀動脈后對其狹窄程度進行顯像，其靈敏度和特異度分別為91﹪和81﹪[31-32]。結合PET和MRI的顯像優勢，利用一體化的PET-MRI掃描，將MRI獲得的MR血管造影等形態信息，連同PET成像獲得的功能信息(灌注)，進行數據重建、整合，可幫助區分心外膜狹窄和微血管功能障礙或區分存活心肌間的瘢痕形成和功能失調[33]。

3.3.4 PET-MRI在其他疾病中的應用

PET-MRI對其他疾病的診治與預后也有潛在的應用價值。MRI采集骨圖像無骨偽影干擾，常被用于關節、韌帶、肌腱、軟骨結構和骨髓的評估。此外，PET-MRI在克羅恩病、潰瘍性結腸炎、干燥綜合征、血管炎、系統性紅斑狼瘡和代謝綜合征等的診斷中也有著不可忽視的作用[28]。同時，PET-MRI低輻射的安全性，有利于兒科疾病的診斷和隨訪檢查。

4 展望

將各種醫學成像模式相結合已經成為一種趨勢，能夠更好地診斷疾病的發生，進而針對病癥進行治療和療效監控[34-36]。PET-MRI改變了傳統成像模式，可定點同時評估腫瘤形態、分子代謝及功能信息，如擴散和灌注、葡萄糖和氨基酸吸收程度及細胞增殖的速度以及定量定性病灶成分[37]；其對于不同類型腫瘤的診斷，評估腫瘤生物學行為包括分期、分級、浸潤深度及遠處轉移，評價治療療效及預后方面具有較高的準確率、靈敏度及特異度。除了解剖-功能成像，還可進行PET-MRI聯合功能成像，為腦部及全身的多模態研究帶來新的先進手段。PET-MRI不僅可用于科學研究，對臨床多種疾病，如神經系統疾病、腫瘤及心血管疾病等的診斷和治療計劃的制定將起到革命性的推動作用。將PET與MRI影像進行配準，各自的優勢互補，PET-MRI的分子顯像研究最具有活力[38]。

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The application progress of PET-MRI new technique/

SHEN Qiang, LI Jian-hong, WANG Rong-fu//
China Medical Equipment,2017,14(4):7-12.

Even though multimodal imaging system has already been applied in clinic, the PET-MRI still is a revolutionary progress of medical imaging, and it is a landmark after PETCT imaging equipment. MRI not only can solve the limitations of CT, but also can provide abundant morphology and function information; at the same time, PET also play important role in the diagnosis of tumor, nervous system diseases and cardiovascular disease; and in the treatment decision, treatment effect evaluation and prognosis evaluation when it is applied in research of physiological and disease state at the levels of molecular activity and metabolism of human body. With the rapid development of science and technology, this article has summarized the imaging technology and clinical application of PET-MRI in recent years.

Positron emission computed tomography; MRI; Tumor; Cardiovascular disease; Nervous system disorder

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.04.001

1672-8270(2017)04-0007-06

R812

A

2016-12-23

國家重大科學儀器設備開發專項(2011YQ03011409)“基于多模態分子影像技術的新型腫瘤新生血管靶向顯像劑及治療藥物研究”；國家“十二五”支撐項目(2014BAA03B03)“99Tcm-RRL新型靶向腫瘤新生血管放射性藥物的實驗研究”

①北京大學國際醫院核醫學科 北京 102206

②北京大學第一醫院核醫學科 北京 100034

*通訊作者：rongfu_wang@163.com

[First-author’s address] Department of Nuclear Medicine, Peking University International Hospital, Beijing 102206, China.