PET/MRI分子影像設(shè)備

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PET和MRI的成像原理及設(shè)備結(jié)構(gòu)進行了比較。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PET圖像進行衰減校正的現(xiàn)行方法, 闡述了它們各自存在的問題。詳細(xì)闡述了PET/MRI臨床應(yīng)用的優(yōu)勢和其發(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)展起來的先進醫(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PET和MRI設(shè)備結(jié)合起來的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、酶等示蹤劑為探測對象，獲取它們在活體內(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)生湮沒輻射。湮沒輻射遵從能量守恒及動量守恒定律，會產(chǎn)生能量相等(511 keV)、方向相反(180o)的一對γ射線。PET設(shè)備配以環(huán)狀排列或?qū)ΨQ排列的、成對的探測器，對這些γ射線在體外進行探測。

1.2 PET影像設(shè)備的結(jié)構(gòu)

PET設(shè)備由PET探測器、患者檢查床和對γ射線在人體組織的衰減進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探測器是PET設(shè)備的核心。PET探測器按照技術(shù)的發(fā)展分成：基于晶體和PMT結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)探測器，采用晶體和光電二極管的探測器，以及采用半導(dǎo)體器件的探測器[1]。我們可以發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體探測器(Semiconductor Detector)是PET和SPECT設(shè)備探測器發(fā)展的方向，它具有極高的能量分辨率和系統(tǒng)靈敏度。它能夠在提高探測器靈敏度的同時保持很高的空間分辨率，這是目前其他類型探測器無法做到的。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γ射線在組織內(nèi)的衰減進行校正。由于放射性核素線源信息量較低，穿透掃描所需時間與PET系統(tǒng)臨床圖像采集時間幾乎相等，使得PET每床位掃描時間長達十幾分鐘，長時間掃描嚴(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)，以達到對人體疾病診斷與治療效果監(jiān)測的目的。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，檢測體內(nèi)組織細(xì)胞的成分靈敏度會低于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性，這種互補帶來的效果成為多模分子影像PET/MRI設(shè)備的優(yōu)勢。

2.2 MRI設(shè)備的結(jié)構(gòu)

MRI影像設(shè)備包括MRI主磁場部分、梯度線圈系統(tǒng)、射頻磁場系統(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磁場強度、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主磁場部分

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

2.2.2 MRI梯度系統(tǒng)

梯度磁場線圈繞在主磁場和勻場補償線圈內(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)、梯度場強、切換率以及靈活性等。另外，梯度場強決定切換率和最短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放大器組成。發(fā)射線圈置于主磁場內(nèi)。對于射頻系統(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。

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、具有強大的網(wǎng)絡(luò)功能等。臨床對圖像融合功能的需求在不斷加強，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1 023個分子，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]。對于MRI圖像，一般在無特殊說明的情況下均指質(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法比擬的獨特優(yōu)勢。T1 弛豫時間、T2弛豫時間、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)有機結(jié)合起來的分子影像設(shè)備。

由于傳統(tǒng)PET影像設(shè)備探測器中PMT容易受MRI磁場影響，工作狀態(tài)的PMT會明顯影響MRI設(shè)備磁場的均勻性，因此MRI設(shè)備磁場的存在增加了PET/MRI設(shè)備一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度。如，采用PET和MRI前后位結(jié)構(gòu)的PET/MRI設(shè)備的患者掃描孔長度可能超過2 m，這樣降低了PET/MRI臨床應(yīng)用的實用性。另外，MRI成像參數(shù)對PET影像的衰減校正，還存在有待改進的技術(shù)問題。在20世紀(jì)90年代初期就開始了PET/MRI實驗機型的設(shè)計和臨床應(yīng)用價值的研究，帶來的效果成為多模分子影像PET/MRI設(shè)備的優(yōu)勢。

雖然PET/MRI分子影像設(shè)備在技術(shù)上還有一些問題需要解決，但是PET/MRI分子影像設(shè)備潛在的臨床優(yōu)勢仍然受到臨床醫(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：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圖像采集中時相和空間位置差異的問題，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可以提供簡單的組織細(xì)胞中特殊的分子信息。這些可以彌補PET在簡單組織代謝成像中存在的高成本問題。PET/MRI分子影像設(shè)備中的MRI掃描對受檢者的組織、細(xì)胞并無輻射電離損傷效應(yīng)，臨床應(yīng)用范圍遠遠大于PET/CT設(shè)備。

PET/MRI影像設(shè)備按照PET與MRI兩個設(shè)備的探測器之間關(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探測器通常采用傳統(tǒng)PET結(jié)構(gòu)，也就是探測器由晶體、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在同一掃描機房，需要對PET設(shè)備中的PMT進行磁場屏蔽，以降低MRI磁場影響PET的PMT。分體式PET/MRI設(shè)備其優(yōu)點是：可以各自獨立使用，靈活方便?？梢允褂猛换颊邟呙璐玻捎密浖ET與MRI圖像進行配準(zhǔn)修正，保證融合精度。但是，分體式PET/MRI最大的問題是：采用MRI信息對PET圖像進行校正時存在較大誤差，而且分體式PET/MRI還存在固有缺陷，就是無法實現(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。對于PET和MRI各自設(shè)備并無實質(zhì)性技術(shù)改進，主要通過軟件方法對PET和MRI圖像進行融合。

3.2 一體化組合式PET/MRI設(shè)備

PET/MRI設(shè)備的PET探測器和MRI前后放置的稱為一體化組合式；PET探測器鑲嵌在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，使得機架長度太長，不利于臨床使用。對于一體化鑲嵌式PET/MRI設(shè)備，又按照PET探測器在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)體探測器，磁場對探測器影響比較小，可以直接將整個探測器鑲嵌在MRI中。對于晶體、PMT結(jié)構(gòu)的PET探測器，PMT設(shè)置在磁場之外，需要利用較長的光導(dǎo)纖維將晶體的微弱熒光信號引至PMT完成光電信號的轉(zhuǎn)換。采用光纖進行光信號傳遞會導(dǎo)致信號強度降低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)體探測器或晶體、光電二極管探測器的一體化鑲嵌式PET/MRI是發(fā)展的方向。

PET/MRI一體化帶有飛行時間(Time of Flight，TOF)技術(shù)、能夠真正實現(xiàn)PET與MRI同步掃描的TOFPET/MRI設(shè)備不但具有最先進的PET的飛行時間成像技術(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)各自獨特的優(yōu)勢，最大程度展示其協(xié)同作用以實現(xiàn)提高對疾病診斷和療效評估目標(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，探測其產(chǎn)生的γ射線進行成像。MRI是采用發(fā)射和接收共振產(chǎn)生的電磁波進行成像。

TOF-MRA：磁共振時間飛躍法(Time of Flight，TOF)血管成像采用“流入增強效應(yīng)”機制，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)組織沒有充分弛豫就接受下一個脈沖激勵，在脈沖的反復(fù)作用下，其縱向磁化矢量越來越小而達到飽和，信號被衰減；對于成像容積以外的血流，因為開始沒有接受脈沖激勵而處于完全弛豫狀態(tài)，當(dāng)該血流進入成像容積內(nèi)時才被激勵而產(chǎn)生較強的信號。該技術(shù)是依據(jù)血液流動速度、射頻激勵時間來對血管進行成像，TOF-MRA的對比極大地依賴于血管進入的角度，所以在用TOF法進行血管成像時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，但是該方法無需注射任何對比劑、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，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探測器時間差進行成像，后者是利用流入增強效應(yīng)進行成像。TOF-PET的飛行時間技術(shù)和TOF-MRA的時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探測器的TOF技術(shù)是PET未來技術(shù)發(fā)展的方向。TOF-PET代表PET最先進的分子成像技術(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解剖成像對于腦血管病診斷、治療效果評估很有幫助。 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能夠幫助臨床醫(yī)師更好制定診療計劃，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，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完成一個時相（BIN）掃描，沒有TOF技術(shù)根本無法完成和實現(xiàn)。現(xiàn)在使用的臨床經(jīng)驗告訴我們，沒有TOF技術(shù)和呼吸門控技術(shù)無法獲得精準(zhǔn)的胸腹部臨床PET和MRI圖像。一體化PET/MRI在胸腹部掃描過程僅僅采用屏氣方法無法獲得臨床滿意的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估，尤其是對小病灶檢出，使其失去在健康保健和早期診斷的價值。對于采用單門控技術(shù)的PET/MR設(shè)備來講必然增加掃描時間。Q.FreeZe技術(shù)通過對不同呼吸時相圖像再配準(zhǔn)后的重組，實現(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。沒有TOF技術(shù)，對于一體化PET/MRI設(shè)備來講就無法充分發(fā)揮其臨床價值，限制其在胸腹部掃描中的臨床應(yīng)用，尤其是無法獲得精準(zhǔn)定量化的結(jié)果。

綜上所述，國內(nèi)一體化PET/MRI分子成像設(shè)備在技術(shù)上取得很多進步，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。這些經(jīng)驗為一體化PET/MRI分子成像設(shè)備在國內(nèi)穩(wěn)定發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。展望未來[8]，相信隨著一體化PET/MRI裝機量的不斷增加，臨床使用經(jīng)驗的不斷豐富，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。

[1] 趙周社, 徐家驊. 基于碲鋅鎘半導(dǎo)體探測器技術(shù)的單光子發(fā)射型計算機成像儀設(shè)備和臨床應(yīng)用進展[J]. 世界醫(yī)療器械, 2014, 15(4): 72-74.

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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)計委科研項目(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.