一體化同步掃描TOF-PET/MR分子影像設備的進展

郭晉綱，徐樹明，鄭永明，張曉麗

1 山西省腫瘤醫院核醫學科，太原市，030013

2 山西煤炭中心醫院婦產科，太原市，030013

一體化同步掃描TOF-PET/MR分子影像設備的進展

【作者】郭晉綱1，徐樹明1，鄭永明1，張曉麗2

1 山西省腫瘤醫院核醫學科，太原市，030013

2 山西煤炭中心醫院婦產科，太原市，030013

該文介紹了一體化、同步掃描飛行時間正電子發射斷層/磁共振分子影像設備的原理、結構和技術進展。簡要介紹了一體化PET/MR設備的設計和組成的分類。探討了一體化PET/MR中TOF技術發揮的作用和臨床價值，實現TOF技術對PET探測器中光電轉化組件的要求和完成PET/MR同步掃描的必要條件。比較了固態陣列光電轉換器和雪崩光電二極管的性能差異。簡單介紹目前一體化TOF-PET/MR設備采用MR成像參數對PET圖像衰減校正面臨的問題和技術挑戰。

飛行時間；一體化TOF-PET/MR； PET衰減校正技術；磁共振

0 引言

正電子發射斷層/X 射線計算機斷層（PET/CT）雙模式分子影像設備，是在一體化單光子發射斷層/ X 射線計算機斷層（SPECT/CT） 的基礎上發展起來的分子影像技術。它是將PET 的探測器和CT掃描系統有機結合起來，使受檢者在同一旋轉軸完成PET和CT掃描，PET和CT的掃描圖像在同一采集處理工作站上完成。

SPECT/CT和PET/CT雙模式分子影像技術中采用的X射線CT 影像有3 個方面的重要作用：一是用X射線CT 影像參數對SPECT或PET圖像進行衰減校正；二是相比穿透源衰減校正技術，掃描時間縮短1倍以上；三是CT掃描提供的高分辨率解剖圖像能夠豐富疾病診斷的信息，SPECT或PET圖像與CT圖像同機融合能夠幫助臨床對病變進行精確定位。

自SPECT/CT和PET/CT分別在1999年和2001 年投入臨床和科研使用以來，已經成為分子影像成像最重要的技術[1]。但是從技術本身來看，SPECT/CT和 PET/CT的不足，是SPECT或PET和CT掃描是先后序列化進行，無法實現實時同步掃描。為獲得真正的實時同步影像，臨床和科研人員希望獲得具有一體化、同步掃描技術的分子影像設備。從分子影像成像原理和技術來看，PET/MR是有望實現同步掃描的分子影像設備[2-3]。

一體化、同步掃描飛行時間正電子發射斷層/ 磁共振（TOF-PET/MR） 是指將具有TOF技術的PET探測器嵌合在MR設備中，PET和MR能夠同步地分別獨立完成各自掃描。一體化同步掃描PET/MR最關鍵的特點是具有同一個機架、同一個掃描床和同一個掃描控制系統，并且在功能和臨床應用上實現了兩機歸一。TOF-PET/MR中的PET具有TOF技術，它與簡單的PET/MR、PET+MR相比，在結構、技術、成像原理和功能上均存在本質的區別。

可以看出，TOF-PET/MR分子影像設備是在一體化PET/MR、組合式PET/MR的技術基礎上發展起來，是最具有發展前途的分子影像設備。一體化PET/ MR結構為同步掃描奠定了基礎。TOF 技術縮短了PET/MR整體掃描時間，提高了PET圖像的信噪比，同時也為TOF-PET/MR中MR進行多序列掃描提供了可能性。PET 探測器在采用固態陣列光電轉換器（Solid State PhotoMultiplier，SSPM） 的基礎上明顯改善時間分辨率，有望將PET 空間分辨率提高到亞毫米水平，同時為PET和MR同步掃描時減少PET 和MR信號的相互干擾提供了進一步的技術保證。

1 一體化同步掃描TOF-PET/MR結構和功能

一體化同步掃描TOFPET/MR 是在SPECT/CT、PET/CT、PET/MR和PET+MR雙模式分子影像技術基礎上發展起來的全新分子影像設備。TOF-PET/ MR與常規的PET/MR相比，在PET 和MR設備結構上均有不同。一體化同步掃描TOF-PET/MR克服了一體化PET/MR設備在結構、功能和臨床應用上的眾多缺陷。

1.1 一體化同步掃描PET/MR整體結構

目前一體化PET/MR結構可以分成三類（表1，圖1）：簡單PET 和MR組合模式、PET 探測器嵌入體線圈的MR 模式和PET 探測器置入MR 梯度線圈模式。這三種模式的一體化PET/MR設備在結構、功能和應用上各有其特點[1-3]。

表1 三種不同類型PET/MR 設備結構和性能比較Tab.1 Device structure and performance comparison of three different types of PET / MR

圖1 三種不同模式結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of three different modes

簡單的組合模式是將PET 探測器插入MR設備中，PET 探測器采用晶體與雪崩光電二極管(APD) 組合的模式，PET 的信號通過光導、光纖引出并進行信號處理。由于對PET探測器沒有進行很好的散射和射頻屏蔽，簡單組合模式的PET/MR設備中PET和MR信號存在較嚴重的相互干擾，圖像質量遠不及傳統PET和MR各自獨立的圖像，并且很難實現PET 和MR真正意義上的同步掃描。從PET 探測器光電轉化器獲得的信號需要通過光導和光纖傳遞，降低PET 信號的輸出強度，以致信噪比下降。另外，由于磁場均勻性受到一定程度的影響，使PET 和MR兩者性能均明顯降低，并使磁共振波譜成像(MRS)功能受到較大影響。所以，其用于臨床和科研的前景不佳。但是，簡單PET和MR組合模式的最大優勢在于結構簡單、成本低。

PET探測器嵌入模式是將PET探測器嵌入專門設計的MR體線圈，使得PET探測器和MR體線圈之間具有充分的空間，以便進行放射性散射屏蔽和射頻（RF）系統屏蔽，減少PET 和MR信號之間的干擾。為了使PET 探測器在梯度線圈和MR體線圈之間具有更大的空間，還有將體線圈設計成分離（Split） 模式，這樣可以更好地實現PET探測器的屏蔽，保持PET探測器的固有性能。

PET探測器置入模式是將PET探測器置入MR梯度線圈之間（ 采用兩個獨立梯度線圈，PET探測器置入其間） ，這種模式可能會影響到MR梯度場的均勻性和物理性能，以及MRS功能。但是其優勢在于可以提供大孔徑的PET/MR。目前，有關此類模式的PET/MR結構的報道很少。

1.2 一體化同步掃描TOF-PET/MR設備中TOF-PET結構

傳統基于晶體加光電倍增管（PMT） 和后續線路的PET探測器結構，存在PET和MR設備信號之間的干擾問題。要從根本上提高PET探測器和PET整體性能，只有采用全新技術的光電轉化器。

表2 SSPM、APD 與傳統PMT的性能比較Tab.2 Performance comparison between SSPM, APD and the traditional PMT

表2 是SSPMAPD 傳統PMT的性能比較。傳統的PMT屬于真空電子管技術，所以受磁場的干擾最大。APD由于時間分辨率較差無法勝任TOF 功能，因此無法進一步提高PET 空間分辨率和圖像信噪比。從發展前景看，這將使提高PET探測器的潛力性能受制。SSPM盡管使用時間僅僅4年，但是由于其獨特的光電物理性能(快速的光電轉換脈沖上升和下降沿)與極佳的時間分辨率(可以達到250 ps) ，已受到業界高度重視，成為TOF-PET探測器的最佳選擇。

TOF技術在一體化同步掃描PET/MR設備中發揮著極其重要的作用。可以講，沒有TOF 技術的一體化PET/MR 是無法展示PET/MR真正的臨床和科研作用的。具有TOF技術的一體化PET/MR的TOF 的作用表現在：減少PET掃描時間，從而提高PET/MR整體掃描速度。無TOF技術的PET/MR全身掃描大約需要40～60 min，而具有TOF 技術的TOF-PET/MR可以將全身掃描時間縮短到15 min左右。在PET和MR同步掃描過程中，TOF可以提高PET和MR圖像質量。由于PET 和MR信號之間存在相互干擾，通過TOF 采集處理技術能夠顯著降低PET 和MR同步掃描時相互干擾的影響。采用SSPM后不但能夠實現TOF 功能，而且促成TOF 對提高PET空間分辨率和圖像信噪比的貢獻。SSPM探測器在采用PSF（Point Spread Function，PSF）重建技術后，PET空間分辨率可以達到亞毫米水平。這樣有利于消除PET/MR融合圖像中PET圖像的容積效應，對小病灶診斷（ 特別在神經系統研究中） 具有重要的價值。

更多的研究已經證明，使用SSPM的PET 探測器將很快取代使用APD的PET探測器。TOF-PET/MR與PET/MR 技術差異和臨床應用區別見表3。表3有力地說明了TOF-PET/MR技術是一體化PET/MR發展的方向。

表3 TOF-PET/MR與PET/MR技術差異和臨床應用區別Tab.3 Technical and clinical application differences between TOF-PET/MR and PET/MR

1.3 一體化同步掃描TOF-PET/MR設備中MR結構和功能

對于一體化同步掃描TOF-PET/MR設備中的MR部分而言，需要考慮盡量降低PET探測器和其信號對磁場均勻度、RF功能的影響。在一體化同步掃描TOF-PET/MR設備中嵌入或置入了PET探測器（ 包括PET探測器的放射性屏蔽部分） ，在不同程度上影響了原有MR磁場的均勻性。所以，一體化PET/MR設備中需要采用主動或被動方式對磁場均勻性進行進一步的校正，以滿足臨床對MR磁場均勻性的要求。

MR中的RF體線圈或表面線圈對PET 探測的?射線具有明顯的衰減影響，理想情況下需要使用專用于PET/MR的RF 線圈或體線圈（ 重新設計RF線圈和體線圈），以降低線圈對10 點射線的衰減影響。目前，有一種技術方案是僅僅采用RF 體線圈獲得MR圖像信息，以便保證PET 圖像的質量。

但是，RF 體線圈獲得MR的圖像質量要遠低于表面線圈獲得的MR圖像質量（ 信噪比）。為此，有研究報道采用多源發射射頻技術的RF 體線圈來提高MR圖像質量。多源發射射頻技術不但降低射頻吸收率（Specific Absorption Rate，SAR） ，而且明顯提高了圖像信噪比。多源發射射頻技術體線圈獲得的圖像質量明顯優于全身線圈獲得的MR圖像質量（ 在PET探測器存在的情況下） ，所以多源發射射頻技術對于提高一體化PET/MR的MR圖像質量具有重要的價值。

理想的PET/MR設備應該是除了具有全部PET、MR 功能外，還能夠實現PET 和MR同步掃描（ 克服PET/CT 中序列掃描的缺陷） 和MRS功能。PET/MR同步掃描技術不但提高了MR信息對PET圖像衰減校正的準確性，而且對于研究神經系統腦功能具有不可替代的臨床價值。

為了在一體化PET/MR設備中提高PET 和MR圖像質量，實現PET 和MR同步掃描，就需要在一體化PET/MR設備中引入應用TOF技術的PET，也就是基于SSPM 探測器的PET系統。研究腦功能和代謝、受體同步變化是揭開腦功能奧秘的重要途徑之一，具有同步掃描功能的PET/MR才能保證這些研究的實現。

1.4 一體化同步掃描TOF-PET/MR設備中PET圖像衰減校正

MR圖像具有多參數成像的特性，能夠反映人體密度或組織變化的信息。遺憾的是，迄今仍然沒能實現僅用某個MR參數能夠真實反映人體全部密度變化的掃描序列。按照采用MR不同掃描序列獲得的信息進行衰減校正（AC）的各種方法[5～10]，可以將MR-AC分成：采用質子T1加權圖像、采用質子T1加權圖像結合質子T2加權圖像或超短回波時間掃描（UTE） 序列、采用質子T1加權圖像結合PET骨骼成像獲得骨骼密度然后對PET圖像進行衰減校正。目前研究結果表明，對腦和全身PET掃描分別采用不同MR序列，獲得的信息進行衰減校正，所獲結果較為理想。

在PET/CT設備中，是PET掃描速度落后于CT掃描速度； 而在PET/MR設備中，即使MR只進行單一序列掃描，其掃描速度也遠比PET 掃描速度慢。這是因為在TOF-PET/MR中，PET采用了SSPM探測器和TOF技術，從而最大限度提高了PET系統的性能。

2 一體化同步掃描TOF-PET/MR性能優勢和挑戰

一體化同步掃描TOF-PET/MR克服了簡單模式PET/MR在系統結構、性能和實際應用中的不足，顯示了它的優勢，但是也存在一些局限性。

2.1 一體化同步掃描TOF-PET/MR性能優勢

與簡單模式PET/MR設備相比，一體化同步掃描TOF-PET/MR設備具有超高的PET 空間分辨率和快速完成全身掃描（ 比簡單的PET/MR全身掃描速度快2倍以上） 的優勢。試驗證實，一體化同步掃描TOFPET/MR中PET 設備在采用點擴展函數PSF 重建技術基礎上，可以獲得亞毫米分辨率。TOF-PET/MR具有更快的掃描速度，同時可以獲得高質量PET 和MR 圖像。降低PET 顯像使用的正電子藥物劑量，進一步降低對患者的輻射劑量。另外，由于一體化同步掃描TOF-PET/MR設備可以同時完成PET和MR掃描，能夠獲得即時PET和MR圖像，為開拓新領域的研究提供了重要的工具

2.2 一體化同步掃描TOF-PET/MR存在挑戰

采用SSPM后，PET成本明顯增加；將PET中TOF功能作為常規的應用后，需要配備專用的TOF 圖像工作站； 在重新設計MR的體線圈或梯度線圈后，增加了MR設備成本，一體化同步掃描TOF-PET/MR設備比簡單模式PET/MR的成本提高了35%以上； 此外，MR橫斷面掃描的視野比較小，這樣對于大體重患者會影響對PET圖像進行衰減校正的包容體積，所以目前的TOF-PET/MR正設法擴大MR圖像的橫斷面視野，以保證對PET 圖像衰減校正的完整性和準確性，這是急需解決的問題，參見表3。

3 一體化同步掃描TOF-PET/MR臨床和科研應用前景

一體化同步掃描TOF-PET/MR設備開拓PET/MR全新的臨床應用。與PET/CT技術相比較，PET/MR具有對患者輻射劑量低、提供高分辨率軟組織醫學圖像的優點。一體化同步掃描TOF-PET/MR設備在臨床和科研應用前景包括：PET亞毫米空間分辨率能夠獲得更多的功能代謝分子影像信息； 同步掃描PET/MR可以獲得即時功能代謝和解剖結構信息，讓研究者獲得更多的生物學信息； 拓展新的臨床應用以彌補PET/ CT臨床應用的不足。

3.1 PET亞毫米空間分辨率幫助獲得更多的功能代謝分子影像信息

基于SSPM的PET具有亞毫米系統空間分辨率特性，降低了PET圖像部分容積效應的高質量PET/MR融合圖像，為使用PET圖像探索腦、腫瘤和心血管系統功能代謝、酶和受體功能、基因表達和解剖結構變化之間的關系提供了重要的定量分析工具。

3.2 同步掃描PET/MR可以獲得即時功能代謝和解剖結構信息

同步PET 和MR掃描技術是目前唯一提供同步、即時功能代謝，酶和受體、基因表達和解剖結構變化的分子影像技術，為獲得功能代謝、酶和受體、基因表達和解剖結構變化之間的深層次關系提供了重要的技術平臺。

3.3 彌補PET/CT臨床應用拓展新的臨床應用

PET/MR彌補了PET/CT在臨床和科研應用中的不足，將會開拓一些新的臨床和科研工作。PET/CT在胸部腫瘤研究中起著無法取代的作用； 而在腦、乳腺、肝臟、盆腔和前列腺等腫瘤診斷和研究中，PET/ MR將對PET/CT起著強有力的支撐和補缺作用； 在軟組織腫瘤，比如淋巴瘤、骨髓瘤等腫瘤的診斷、臨床分期和療效監測中，PET/MR必將充分發揮其特有的優勢[11]綜上所述，一體化PET/MR在臨床應用和科研工作中發揮的作用和PET/CT具有本質的不同。TOF在PET/MR和PET/CT 中發揮的功能和作用也具有顯著的差別。一體化同步掃描TOFPET/MR在科研和臨床應用中將發揮重要的作用，并具有很好的發展前景，可預見它將取代簡單的PET/MR技術。

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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

山西省衛生廳科研課題(2015054)

郭晉綱，E-mail: gjgtysx@163.com