一体式PET/MRI技术分析与研究回顾

戚仕涛，汤黎明，刘铁兵，钟添萍

1.南京军区南京总医院 医学工程科，江苏 南京 210002；2.南方医科大学 生物医学工程学院，广东 广州，510515

自20世纪80年代初，PET的出现使核医学显像诊断进入了新的时代，也使影像诊断真正地步入了分子水平[1]。在过去的20多年的临床疾病诊断中，尤其是在肿瘤的诊断、分期及疗效检测上PET发挥了重要作用，大量的临床应用研究充分地证实了PET的诊断价值。然而，在临床应用中也发现了单纯使用PET诊断疾病仍存在某些不足，因为PET只能提供疾病的代谢和功能改变，而在结构变化和病灶定位上尚有缺陷。2001年PET/CT应运而生，它利用CT弥补了PET在解剖结构显像上的不足，极大地提高了病灶的检出率和诊断的准确性[2]。

PET/CT大大促进了核医学的发展。然而，CT与PET的结合也暴露了许多局限性，这些局限性几乎都归咎于CT，因为CT不能与PET同时采集图像；不能对PET进行标准的衰减校正；CT软组织分辨率和图像质量较差；CT尚无法实现功能成像；CT会导致高剂量的X线辐射。正是由于PET/CT的这些局限性，引发人们开始了PET/MRI的研究。PET/MRI能实现完整的结构、功能与分子一体化影像，同时排除了CT辐射和改善软组织图像质量。

PET/CT是把2种成像设备背靠背结合在一起，而PET/MRI则致力于将PET置入到MRI系统中，使彼此的观测野都匹配。尽管PET/MRI可以采用类似PET/CT的方法，这比起将PET置入到MRI机架中更加容易，但由于PET和MRI扫描时间都较长，促使研究者努力将2种成像系统合并到一起，以实现同时的数据采集，减少扫描时间。

将PET和MRI相结合的研究开始于20世纪90年代早期。ShaoY，Cherry等人首次尝试将PET和MRI结合在一起，他们利用快速闪烁晶体耦合到长光纤技术，并将其植入到1个1.5T临床型MRI中[3-4]。大约同一时间，Pichler，Ziegler和Lorenz开始了首次使用基于一种新颖的雪崩光电二极管（Avalanche photo- diode，APD）PET探测器，在9.4T的动物MRI系统中进行了性能测试[5-6]。这些早期的PET/MRI技术和概念集中于小动物影像，用于一些基础生理研究。2006年11月底，美国田纳西州Krroxvivle 医学中心用Siemens 公司的PET/MRI进行了全球首例脑部PET/MRI同步采集的图像融合图像，结果令人鼓舞，揭开了一体式PET/MRI临床应用的新篇章。

1 一体式PET/MRI技术难点分析

将PET和MRI结合成具有临床实用性的一体化影像设备具有相当大的挑战性，因为MRI系统的多余空间十分有限，大孔径MRI将显著增加成本，且在大孔径MRI系统中保持高磁场均匀性是极其困难的事情。因此，将PET探测器集成到MRI系统中，就需要做得非常小巧和紧凑，并且不能受到静磁场和微小的开关电磁场的影响。

1.1 PET系统对磁场的敏感性

PET探测器是由非常小的快速闪烁晶体将随机的γ射线变成光信号。这些微弱的闪光信号随后被高灵敏度的光转换器——PMT（光电倍增管）转化为电信号。由于光电倍增管无法做到紧凑，而且其原理是用电场在真空管中加速电子，其对微弱的磁场也很敏感。这些缺陷自然排除了常规基于PMT的PET探测器同MRI的结合。

基于这个原因，第一种尝试PET、MRI合成的方法是采用光纤的方法将闪烁晶体产生的光导入到PMT中，而PMT置于磁场外的一段安全距离内。1个小的闪烁晶体环被置于MRI 的观测野中。每个单个晶体用一只光纤耦合到PMT[7]。

但不久又发现这个方法也有缺点。主要还是因为所有的光纤占据了MRI 内孔的空间。另外，由于光纤太长，约5m左右，在耦合和传输过程中，有不少光损耗，减弱了PMT 信号能量和时间分辨率，这是其临床应用的1个主要缺陷。但对于动物PET/MRI成像而言，基于光纤的PET探测器仍然具有一定的可行性，这是由于临床MRI十分普及，且基于PMT的PET技术十分成熟可靠。因此，目前国际上至少有3个小组还在研究基于光纤和PMT技术的动物PET/MRI 系统[8-10]。

随着性能可靠、经济的半导体光探测器的出现，如APD、G-APD （Geiger- mode APD）等，采用这种技术的PET探测器已研制成功。APD已被证明可以在高达9T的磁场中稳定的工作并保持精细的性能。第一台基于APD技术的MRI 兼容型小动物PET，以及PET/MRI脑成像原型机已研制出来[11-14]。

1.2 MRI系统对磁兼容性要求

当MRI和PET合成的时候，保持全部MRI成像性能至关重要，尤其是当把PET探测器包括电子部件集成到MRI扫描孔径中时更是如此。因此，设计时一些重要的问题必须考虑进来，保证磁兼容性，以确保主磁场均匀度不受到PET探测器的影响。

磁场中的物质可以分成2类。如果物质在磁场中受到磁力或磁力矩作用，则称其为磁不兼容物质，这些物质会导致MRI图像恶化失真，即使它们放得离MRI成像区比较远；相反，则称为磁兼容性物质。当然，即使 磁兼容性物质，如果离成像区太近，也会造成可见的图像失真或恶化。如果物质和水的性质差不多，则即使靠近成像区，也几乎不会对MRI图像造成失真[15]。因此，甄别所有组成内置PET的物质磁兼容性非常重要。

研究发现，NaI、CsI、BGO、LSO和人体的磁兼容性接近，因此这些物质都有可能适合于PET/MRI探测器件。GSO、LGSO表现出较高的偏离人体组织特性，因此会造成MRI图像的伪影[16]。

为减少FOV外围散射γ射线的探测，标准的PET都有一个轴向引导的屏蔽层以减少散射，提高图像质量。由于这个屏蔽装置带有金属部件，因而不能用于一体式PET/MRI系统里。有文献报道一种基于重金属复合物材料的闪烁晶体材料可以用于一体式PET/MRI的γ射线屏蔽材料[17]。

1.3 PET和MRI的互干扰问题

除了主磁场的均匀度外，保持射频场的均匀性也很重要。射频脉冲用于产生自旋和改变场强，尤其在定量MRI研究中，在成像区域内，均匀的翻转角度十分重要。不均匀的射频场，会使局部信号变异，导致图像质量下降甚至出现错误的结果。射频线圈内安放的所有电导性材料都会影响射频场。因此，射频场的不均匀度可能受组织的导电特性影响，尤其在高场强条件下更是如此[18]。

避免任何导体物质在成像区附近，或者确切的说，在产生激励线圈和患者之间，这点很重要。因此在一个一体式PET/MRI系统中，把射频线圈置于PET探测器和成像物体之间将非常有利。在上述这种系统中，由于PET的置入导致的射频场不均匀性就不会很严重。如果置入PET中存在导体结构使射频失调，会造成MRI图像的质量下降。适当的线圈调谐和匹配，或者特殊设计的射频线圈可以避免这些问题[19]。

使用外部屏蔽线圈可以减少PET探测器内导体材料的射频感应电流，这种电流在闭环情况下远远大于非闭环情况。因而，在设计用于PET/MRI器件时应尽量避免金属性闭环的存在[20]。

MRI系统周边物质的涡流源是MRI梯度开关。PET中，电路板、APD或放大电路引起的涡流可累积成足够的电压以致影响MRI图像或PET信号。尤其当涡流衰减得很慢的情况下，在MRI读取数据期间，这个电流就会继续存在。产生的电场就像另外一个MRI空间编码梯度磁场，从而导致图像畸变[21]。涡电流的存在不仅会影响图像质量，还会影响磁共振波谱。在感兴趣区域内，涡流会产生依赖于时间的共振频率偏移，这会使获取的MRI频谱在傅立叶变换后畸变[22]。

涡流可以通过对PET电路板进行特殊的设计及电磁屏蔽措施加以避免。PET电路屏蔽层应该很薄而且有着纤细的导电层同非导体物质交错，从而避免电流环的产生。

PET和MRI之间相互影响的另一个来源是温度的飘移。PET/MRI信号架中的温度漂移可能由于PET电子器件的非最佳稳定温度导致的，也或者是PET器件或屏蔽层引起的涡电流。PET系统中的温度漂移不仅能使PET数据采集出现问题，还会影响MRI系统，最终导致MRI信号变化。

1.4 其他因素

一体式PET/MRI的另一个问题是PET电子器件发出的射频噪声。射频发射可以被MRI系统中的射频接收线圈接收。如果射频噪声成分与MRI中的射频频率范围相同，就会导致MRI图像伪影。为了避免射频干扰在MRI图像引起的“钉”字伪影，对置入PET进行适当屏蔽至关重要。

另外，PET置入物必须能够承受MRI快速成像序列时产生的机械振动。这是因为置入PET的空间位置变化不仅会影响图像融合精度，还会改变磁共振射频线圈的调谐。

2 一体式PET/MRI技术方案回顾

2.1 基于光纤的一体式PET/MRI

第一种一体式PET/MRI技术方案是采用光纤耦合的方法，将一个小的闪烁晶体环置于MRI 的观测野中。每个晶体用1只光纤耦合到置于磁场外安全距离内的PMT中。这个方法的主要缺点是所有的光纤占据了MRI扫描内孔的空间，而且由于光纤太长，约5m左右，在耦合和传输过程中，有不少光损耗，减弱了PMT 信号能量和时间分辨率。但对于小动物PET/MRI成像而言，由于不需要太大的扫描孔径，基于光纤的PET探测器仍然具有一定的可行性。

2.2 基于APD的一体式PET/MRI

考虑到已知的电气和机械工程限制，以及已经证实APD可以在高磁场强度下仍能保持所有特性，研究人员开发出了可以集成到MRI中的基于APD的PET探测器。这就与最初的动物PET/MRI系统设计有所不同，最初只是将闪烁晶体置入磁体内，而相应的全部电子器件或屏蔽材料都在磁体外面。

德国图宾根大学的研究组开发了基于APD的MRI兼容的置入式PET系统，并将APD探测器和模拟电路都放置在MRI的FOV内部[23-24]。这种系统设计对屏蔽、电路板和电子走线要求非常严格，这样才能保持PET和MRI的整个成像特性。该研究对于下一代完全集成到MRI内部的PET探测器提供了一个很好的理念和验证。这种集成方案将可能允许使用一些重要的部件，如可以同时冷却MRI梯度系统与PET探测器的冷却系统，并可以获得更大磁体孔径。

日本滨松大学研究组开发了1台可置入MRI的动物PET原型机。该PET探测器由10个完全屏蔽的探测器盒组成，每个探测器盒内装设计成3×3的APD阵列，每个阵列由144个1.6×1.6×4.5mm3规格的闪光晶体和模拟前置放大器，缓冲器和连接器组成。用1根6m长屏蔽同轴电缆把探测器盒连接到置于高频模块盒外的数字输出电路。置入PET的轴向FOV受到选择的晶体块尺寸的大小限制，为19mm，径向FOV则受到MRI的鼠形射频线圈的限制，与当前流行的商用动物PET相比，可用的FOV很小，并且不能进行全身信息采集。鼠形射频线圈环适合放置在PET内部，而PET置于MRI梯度系统内部。MRI和PET的FOV在空间上是一致的。2个成像系统分别受2个控制台的控制运行。但它们能够通过一个共同的时间标记或外部心电信号或呼吸触发得到时间上的同步。这种原型系统使得几种新的PET/MRI成像方法得以评估。

基于APD的一体式PET/MRI持续性能测试表明，2个系统之间的的相互作用已经很小，一些苛刻的测试表明，观测到的性能恶化水平不足以影响PET及MRI成像。即使要求满足用于fMRI或MRS成像的EPI成像协议，这种基于APD的一体式PET/MRI也是可行的。

2.3 APD与短光纤结合的方案

美国加利福尼亚大学的1个研究小组致力于把APD技术和短光纤技术混合起来的方法。16个探测器舱，每一块都有8×8的闪烁晶体排成1个环。这些晶体和12cm长的光纤一起确保MRI中没有金属部件，与第一台基于光纤的PET/MRI系统相比，12cm的光纤长度几乎缩小了10~50倍。这使得闪光损耗降到最小，还保证了PET信号全部特性。PET电子器件等仍存在于磁体内部，感兴趣区外围，这样可以使两个成像系统相互干扰达到最小。这种方法实现的缺点是工程更加复杂，PET轴向FOV受到限制，光纤仍占据了磁体孔径内有价值的空间。当然，使用这个系统进行活体动物成像扫描成功地同时进行了PET和MRI 的数据采集。

2.4 其他新颖的设计方案

到目前为止，上述各种一体式PET/MRI的方法都试图使PET探测器能适合MRI环境运行。然而，也有2个研究组试图通过改变MRI的结构，使用更多或更少的常规PET探测器来构成一体式PET/MRI系统进行小动物成像。

英国剑桥大学的一个研究组，使用一个分裂的磁体，这个磁体在其轴长中点被分开[25]，将PET探测器放置在MRI分裂磁体的两半之间。这种方法的基本想法是在裂缝间保持一个不变磁场，并使用经过修改的分离的梯度线圈以覆盖磁体缝隙来完成MRI成像要求。PET探测器使用的技术与动物PET扫描器使用的技术相似，都是采用LSO闪光晶体通过光纤送到位置传感光电倍增管[26]。与早期光纤PET系统相比，这种组合的优点是光纤更短，只有1.2m，且光纤以发射方向穿过磁体裂缝，而不占据磁孔有价值的空间。然而，当前其最大缺点就是最大场强是只能到1T，这就限制了其成像应用，特别是小动物成像。

加拿大西安大略大学一个研究组则致力于设计一种环形磁场MRI，这样可以把基于PMT的PET探测器置入MRI系统中[27]。只有当磁场关闭，PET信号才会被读出。尽管这种想法非常独特，技术实现也非常具有挑战性，但其缺点是系统只能在低场强中运行，这就限制了其成像应用的灵活性。而且当磁场恢复并获取数据时，PET数据读出有一个很大的死区时间。当然，与普通MRI相比，环形磁场MRI能获得一些非常有意义图像。不过，到目前为止，这个系统尚未完全实现，并且首次测试评估表明了它既有潜在价值，也有局限性。

3 讨论

尽管致力于一体式PET/MRI的研究已有近20年左右，动物PET/MRI实验也已成熟，但全身型临床一体式PET/MRI仍处于初期的发展阶段，目前仅有适合脑部扫描的一体式PET/MRI。全身临床型一体式PET/MRI 的实验原型机仍存在许多不足和问题需要解决，离商用阶段估计仍还需要一段时间。可喜的是，人们已经认识到一体式PET/MRI的技术难点所在及解决方向，随着研究的深入和新技术与材料的出现，全身临床型一体式PET/MRI会有满意的解决方案。

PET/MRI将为生物医学研究提供多样化的功能和解剖信息成像，初步的研究已经证实PET/MRI在疾病诊断中有重要作用[28]，其未来的发展会有广阔的空间。PET/MRI的时代注定会到来。

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