PET/MRI研制及应用进展

江苏省原子医学研究所，江苏 无锡214063

PET/MRI研制及应用进展

赵富宽，张波

江苏省原子医学研究所，江苏 无锡214063

本文综述了PET/MRI的工作原理、发展和研究现状，探讨了PET/MRI在肿瘤早期诊断、神经系统和心血管系统疾病中的临床应用现状，指出PET/MRI技术将在很大程度上深化影像医学在疾病临床诊断上的重要性。

分子影像；PET/MRI；光电倍增管；多模式成像；放射性核素

0 前言

分子影像是现代分子生物学与医学影像技术相结合的一门交叉学科，可从分子水平上反映生物体的生理病理变化， 以帮助疾病 的早期诊断、早期治 疗 以及新药研 发[1]。与传统成像手段相比，它可以使细胞功能可视化，并且具有活体、无创、实时、特异、精细显像等优点。目前最前沿的分子影像学设备是 PET/MRI（正电子发射断层扫描 /磁共振成像），本文就 PET/MRI作简要综述。

1 PET/MRI的发展概述

PET 是根据某些放射性核素（如11C、18F、68Ga 等）在衰变过程中产生的正电子湮灭辐射和符合探测原理构成的计算机断层装置[2]，由扫描仪、显像床及计算机系统等组成，其中扫描仪中的探测器是最重要的部分，包括闪烁晶体和光电倍增管（PMT）。PMT 可进行光电转换，其作用是探测放射性核素不断向外发射的 γ 光子[3]，然后通过计算机系统进行图像重建、数据校正。该技术操作简单、灵敏度高、辐射低，能非侵袭性、定量及实时动态地监测活体内的生物学过程，主要在分子水平上提供有关脏器及其病变的功能信息[4]，是目前最先进的大型医疗诊断成像设备之一，其医疗价值在临床上已得到公认。

MRI属生物磁自旋成像技术，主要利用原子核的自旋运动，在外加磁场的作用下，经射频的脉冲击后产生信号，探测器随后将数据传输到计算机，生成图像。MRI不仅可通过多参数序列显示出结构细节，还可以进行多种功能成像，与 CT 相比具有安全、无辐射、精确等优点[5]。然而和PET 相比，MRI功能成像还是有一定的局限性。

利用 PET 和 MRI各自的优势，将两者结合有助于提高图像质量和空间分辨率，鉴别软组织中扩散的疾病细胞或癌细胞，克服CT在脑检查中的盲区，提高骨髓病变的检出率。也正是由于 PET 和 MRI的这种互补特性，一体化的PET/MR 扫描仪已经进入研究阶段[6]。

世界上第一幅人脑 PET/MRI 图像诞生于 2006 年10 月[7-8]， 虽 解 剖 显 像 效 果 不 佳，功能显像的灵敏度 低，无法满足临床全身显像的要求，但 PET 和 MRI这两种技术融合所隐藏的巨大经济效益和医疗利益为继续开发完美的PET/MRI提供了不竭动力，在随后的发展过程中，不断有PET/MRI产品问世。

一种新的多模式成像仪的诞生及发展必然会遇到许多困难和挑战。PET 和 MRI的同机融合，需要解决很多技术问题，比如图像的同时采集、双模态成像探针、扫描时间的优化、运动伪影的处理、风险和安全性的评估等[9]。如前所述，PET 装置中最重要的部分是 PMT，但 PMT 对 MR磁场缺乏兼容性，需要设计新的机械机构和具有新探测器的 PET 系 统[2]。 随 着 半 导 体 技 术 的 发 展， 研 究 人 员 研 制出了雪崩光电倍增管（APD）和硅光电倍增管（SIMPS）。APD 对 MR 磁场敏感度低，可通过极短的光纤直接与PET 闪烁晶体连接，目前已运用到 7T 场强的小动物实验PET/MRI 与 3T 场强的临床 PET/MRI 中[10]。但 APD 需要很强的冷却系统以便在整个操作过程中维持温度的相对稳定，同 时 居 高的 工 作 电 压 也 会影 响 检查[11]。Moehrs S 等[12]提出将传统的 PMT 替换为由雪崩二极管阵列组成的 SIMPS。SIMPS 除了对磁场低敏感外，其温度稳定性、能量分辨率及时间分辨率均优于APD，但其测量性、稳定性及探测效率仍需进一步改善[13]。

PET 显像受到光子衰减和散射的严重影响，要获得 精 确 定 量 的 图 像， 需 对 图 像 进 行 衰 减 校 正[14]。 目 前，PET/MRI采集的图像重建对 PET 数据进行衰减校正的方法有 2 种[15]：① 在 PET 采集数据的同时对 MR 数据按成分进行分段，如软组织、空气、脑脊液和骨，该方法首次被Martínez-Möller A 等[16]用于全身扫描型 PET/MRI显像 ；② 衰减校正因子法，提前建立一套基于 MR-CT 图像衰减的数据库，检查者的常规MR图像与数据库进行比对、图像配准，找到校正因子后对单独的 PET 扫描数据进行衰减校正。但国际上至今尚无统一 PET 数据的衰减校正方法。

随着 PET 本身硬件设备的进步、数据重建的优化、MRI采集视野的扩大、采集序列的提升、全身扫描技术的改进、低磁场敏感度探测器的研发及 PET 和 MRI各种兼容方法的出现，PET/MRI得到了更进一步的发展。目前 GE、Philips、Siemens 均 可 提 供 PET/MRI。GE 和 Philips 的 设计理念是按先 MRI后 PET 的顺序进行扫描。GE 主要是将PET 和 MRI分别放置在两个房间，显像床可从一个房间的扫描仪移动到另一个房间的扫描仪上，这样可以充分利用两个系统的检查优势。PET 数据校正基于 CT 图像，这种多模式组合方法对于扫描器的要求最简单，但操作过程中由于被检查者的脏器运动如肺的呼吸运动等产生的伪影会降低图像质量[17]。Philips 设计的 TF-PET 扫描器与 3T MRI 在同一个房间，由一个可旋转 180°的显像床串联[18-19]，该系统使用的是基于 MR 图像的 PET 数据校正，但患者自主或不自主的移动易造成图像失真而不能实现数据的并行采集[9]。总之，这两种设备使得肿瘤软组织的成像诊断能力及其他一些方面的临床应用有了显著改善，且放射剂量的减少使之更有利于在儿科疾病诊断领域的应用。

Siemens 生产设计的分子 MR 是全球唯一一款具备同步数据采集技术的系统。该系统可以实现“共同编码的准确性，没有功能相关性，没有运动校正，双倍的采集时间”，是一台具备 PET 内核的全身 MR 成像系统[20-22]。它的一体化体现在4个“同”：同机融合、同中心布置、同步扫描、同一生理条件下进行扫描[23]，实现了在解剖学、功能学、生理和生化学等各个层面上信息的同时采集，数据在空间和时间上吻合，能够准确反映新陈代谢和功能进程，有助于更好地了解生理过程的真实状态，为全身疾病的深入认识提供细节展示，进而提出对疾病观测的新视角，开发治疗随访的新方法，开拓科学研究的新领域。

2 PET/MRI的临床应用

2.1 PET/MRI与PET/CT的比较

PET/CT 检查在临床已非常普及，其临床价值也得到了认可，特别是 PET/CT 引导下对肿瘤放疗靶区的确定、靶区改变对放疗计划的影响、疗效及预后的评价等已取得了初步的成绩。但近年来出现的 PET/MRI不仅可提供功能信息和解剖信息，而且 MRI准确定位的同时也保证了 PET 示踪剂可减低到最小剂量，无创地提供尽可能多的人体信息，提高了疾病诊断的准确性，比目前的 PET/CT 在疾病筛查方面有更卓越的性能。

2.2 PET/MRI的初步临床应用

PET/MRI的出现指导着科研、临床及转化医学等多个领域往更高、更远的方向发展，未来可能是对付肿瘤、脑部疾病和冠心病这3大威胁人类生命的疾病的最优手段。

2.2.1 PET/MRI在肿瘤治疗中的应用

肿瘤的早期诊断、早期治疗对改善患者的生活质量及提高生存率至关重要。肿瘤组织中的细胞增殖快、细胞膜葡萄糖载体多、细胞内磷酸化酶的活性高等特点可使肿瘤内糖酵解代谢明显增强，借助相应的靶向探针可使肿瘤组织可视化。对于诊断评估而言，PET/MRI可能是最适合、最准确的成像方式。孟庆良等[24]报道用 MRI 与18F-FDG PET 先后扫描同一名肺癌患者，随后进行图像融合、数据重建，发现其在肺癌的鉴别诊断、分期、疗效评估和复发检测方面准确性大大提高，同时由于融合图像能够确定病灶的精确位置及与周围组织的解剖关系，在确定肺癌放射治疗生物靶区和制定外科手术切除范围等方面有着明显的 优 势。N.F. Schwenzera 等[25]对 包 括 患 颅 内 病 变、 头 颈部肿瘤及神经退行性病变等 50 名患者，借助18F-FDG、11C-MET、68Ga-DOTATOC 3 种示踪剂，在 PET/CT 扫描后再行脑 PET/MRI，MR 技术除了解剖型 MRI扫描、功能序列外，还结合有弥散张量成像（DTI）、动脉自旋标记（ASL）及质子光谱等功能，结果发现脑 PET/MRI对疾病诊断的准确率达 90%，表明该融合型脑 PET/MRI可进行高质量的分子、解剖及功能成像。另外，孙娜等[26]报道临床已推荐 PET/MRI用于脑胶质瘤的诊断、放射性坏死和肿瘤复发的鉴别诊断、疗效监测和预后评估等。

Christian Buchbender 等[27]比 较 了 PET/MRI 和 PET/CT在脑、头颈部、胸腹及骨盆肿瘤TNM分期的准确性，发现PET/MRI在这些肿瘤实体（比如头颈部鳞癌）T 分期中有较高的准确性，但在 N 分期中 MRI全身分期方法检测的准确性与 PET/CT 无明显差异，PET/MRI本身并没有展现其优势，而脑、肝肿瘤的 M分期准确率仍然是受益于MRI居高的软组织对比度。同年，Christian 等[28]采用同样的方法对原位骨肿瘤、软组织瘤及黑色素瘤进行TNM分期，对比发现 PET/MRI有望在原位骨肿瘤和软组织瘤的 T 分期中发挥优势，而这两种多模式成像对肿瘤的N分期无明显差异，对M分期的确定与肿瘤转移部位相关。

2.2.2 PET/MRI在神经系统疾病中的应用

近年来已有关于脑专用型 PET/MRI在脑显像中的潜在临床应用价值的初步报道[29-30]，而随着全身型 PET/MRI的出现，其在神经系统中的应用受到越来越多的关注。Garibotto V 等[31]对 1 例急性缺血性中风后小脑皮质失联络（CDD）的患者行 PET/MRI扫描，检测出多种神经联络故障，比如纤维变性、代谢障碍等。另外，由于 PET 可对老年痴呆症的病理生理进行评估，而 MRI弥散张量成像、功能磁共振成像和默认模式网络可获取脑结构的独特信息，所以一体化的 PET/MRI能够破译神经退行性疾病中各种 痴 呆 类 型 的 一 系 列 病 理 生 理 变 化[9]。Vargas MI 等[32]采用 PET/MRI检查了右臂丛肉瘤术后周围神经损伤情况。Valentina Garibotto 等[33]分析了 PET/MRI 在神经影像方面的性能和临床适用情况，受试者包括疑有神经退行性病变者、药物难治性癫痫行术前评估者及脑肿瘤患者共 15名，结果报告显示4例神经退行性病变、6例癫痫、5例高分化肿瘤。在随后的临床随访中，有 14例得到证实，其准确率为 93.3%。

2.2.3 PET/MRI在心血管系统疾病中的应用

随着 PET 显像技术在临床上的应用和发展，其在阻塞性冠状动脉疾病（CAD）诊断中的敏感性和特异性达 90%以上[34-35]。特别是 PET 心肌灌注显像对局部缺血程度的检测有助于最佳治疗方案的制定[36]。MRI 在阻塞性 CAD 的诊断方面同样具有优势，MRI可在造影剂二乙基三胺五乙酸（DTPA）快速注入冠状动脉后对其狭窄程度进行显像，敏感性和特异性分别为 91%、81%[37-38]。结合 PET 和 MRI 的显像优势，利用一体化的 PET/MRI扫描，将 MRI获得的形态信息（如 MR 血管造影），连同 PET 成像获得的功能信息（如灌注），进行数据重建、整合，可帮助区分心外膜狭窄和微血管功能障碍或区分存活心肌间的瘢痕形成和功能失调[39]。诊断动脉粥样硬化（AS）的金标准为血管造影术，但该方法有创、投射野小、空间分辨率低、易出现伪影，Jarrett 等[40]采 用64Cu-M-BSA（ 马 来酰牛血清白蛋白）PET/MRI对实验鼠（小鼠、大鼠）进行血管显像，并将其与免疫组化检验结果对比，证实 PET/MRI在 AS 诊断方面有较大的潜力。

当然，并不是所有的心脏病患者都适用 PET/MRI，安装心脏起搏器或体内有金属异物者不能进行 MRI检查。但PET/MRI融合显像对心肌代谢功能的检测和结构变化病灶的定位仍有重要意义[41]。

2.2.4 PET/MRI在其他疾病中的应用

PET/MRI对其他疾病的诊治与预后也有潜在的应用价值。MRI采集骨图像无骨伪影干扰，常被用于关节、韧带、肌腱、软骨结构和骨髓的评估。有研究报道，18F-FDG PET在差分定位诊断骨髓炎和糖尿病患者夏柯氏关节病变中可对感染进行成像评估[42-44]，PET/MRI 很有可能有助于评估一些特异性的临床表现比如糖尿病足和关节炎[45]。另外，PET/MRI在克罗恩病、溃疡性结肠炎、干燥综合征、血管炎、系统性红斑狼疮和代谢综合征等的诊断中也有着不可忽视的作用[9]。同时，PET/MRI 低辐射的安全性，也有利于儿科疾病的诊断和随访检查。

3 展望

虽然 PET/MRI技术尚有不足且临床研究有限，未来需更进一步地探索和挖掘其更多潜在的利用价值。但PET/MRI无疑是分子影像舞台上最耀眼的一颗明珠，它在科研、临床中所展现出来的优势，将在很大程度上影响整个影像学、医学的发展方向。

[1] 秦承虎,陈雪利,田捷．光学分子影像的进展与挑战[J]．中华核医学与分子影像杂志,2012,32(1):7-9．

[2] 张敏燕,王殊轶,严荣国,等．正电子发射计算机断层显像/核磁共振:分子影像学技术新进展[J]．中国组织工程研究,2013,17(9):1687-1694．

[3] 徐跃,梁碧玲．医学影像设备学[M]．3版．北京:人民卫生出版社,2010:191．

[4] 王亚丽．PET核医学成像原理分析[J]．科技情报开发与经济,2007,17(18):162-164．

[5] 王辉．PET/MRI的进展[J]．中国医疗器械信息,2009,15(9):9,70．

[6] 李辉,陈自谦,倪萍．MR-PET的现状、挑战和前景[J]．中国医疗设备,2013,28(1):9-14．

[7] Pichler BJ,Wehrl HF,Judenhofer MS．Latest advances in molecular imaging instrumentation[J]．J Nucl Med,2008,49(Suppl 2):S5-S23．

[8] Schlemmer HP,Pichler BJ,Schmand M,et al．Simultaneous MR/ PET imaging of the human brain:feasibility study[J]．Radiology, 2008,248(3):1028-1035．

[9] Jadvar H,Colletti PM．Competitive advantage of PET/MRI[J]．Eur J Radiol,2014,83(1):84-94．

[10] Judenhofer MS,Wehrl HF,Newport DF,et al．SimultaneousPET-MRI:a new approach for functional and morphological imaging[J]．Nat Med,2008,14(4):459-465．

[11] 胡峻．PET/CT图像融合技术及其临床应用[J]．医疗装备, 2005,18(3):26-27．

[12] Moehrs S,Del Guerra A,Herbert DJ,et al．A detector head design for small-animal PET with silicon photomultipliers (SiPM)[J]．Phys Med Biol,2006,51(5):1113-1127．

[13] Boss A,Bisdas S,Kolb A,et al．Hybrid PET/MRI of intracranial masses:initial experiences and comparison to PET/CT[J]．J Nucl Med,2010,51(8):1198-1205．

[14] Martinez-Möller A,Nekolla SG．Attenuation correction for PET/MR:problems, novel approaches and practical solutions[J]．Z Med Phys,2012,22(4):299-310．

[15] 李天然,杜湘珂．MR-PET研究进展与前景[J]．中华放射学杂志,2011,45(4):412-414．

[16] Martinez-Möller A,Souvatzoglou M,Delso G,et al．Tissue classification as a potential approach for attenuation correction in Whole-BodyPET/MRI: evaluation with PET/CT data[J]．J Nucl Med,2009,50(4):520-526．

[17] Veit-Haibarch P,Kohn FP,Weisinger F,et al．PET/MR imaging using a tri-modality PET/CT/MR system with a dedicated shuttle in clinical routine[J]．MAGMA,2013,26(1):25-35．

[18] Kalemis A,Delattre BM,Heinzer S．Sequential whole-body PET/MR scanner:concept,clinical use, and optimization after two years in the clinic．The manu-facturer's perspective[J]．MAGMA,2013,26(1):5-23．

[19] Zaidi H,Ojha N,Morich M,et al．Design and performance evaluation of awhole-body Ingenuity TF PET/MRI system[J]．Phys Med Bio,2011,56(10):3091-3106．

[20] Drzezga A,Souvatzoglou M,Eiber M,et al．First clinical experience of integrated whole-body PET/MR:comparison to PET/CT in patients with oncologicaldiagnoses[J]．J Nucl Med,2012,53(6):845-855．

[21] Zaidi H,DelGuerra A．An outlook on future design of hybrid PET/MRI systems[J]．Med Phys,2011,38(10):5667-5689．

[22] Delso G,Fürst S,Jakoby B,et al．Performance measurement of the SiemensmMR integrated whole-body PET/MR scanner[J]．J Nucl Med,2011,52(12):1914-1922．

[23] 赵明．PET/MRI技术的现状与未来[J]．医学影像,2011,(5):54．

[24] 孟庆良,李伟,李洪桥．PET/MRI融合诊断肺癌转移1例[J]．现代中西医结合杂志,2009,19(12):1519-1520．

[25] Schwenzer NF,Stegger L,Bisdas S,et al．Simultaneous PET/MR imaging in a human brain PET/MR system in 50 patients-current state of image quality[J]．Eur J Radiol,2012,81(11):3472-3478．

[26] 孙娜,赵晋华,乔丈礼．PET、MRI和PET/MRI多模式分子显像在脑胶质瘤中的应用[J]．世界临床药物,2012,33(10):634-639．

[27] Buchbender C,Heusner TA,Lauenstein TC,et al．Oncologic PET/ MRI,part 1:tumors of the brain,head and neck,chest,abdomen,and pelvis[J]．J Nucl Med,2012,53(6):928-938．

[28] Buchbender C,Heusner TA,Lauenstein TC,et al．Oncologic PET/MRI,part 2:bone tumors,soft-tissue tumors,melanoma,and lymphoma[J]．J Nucl Med,2012,53(8):1244-1252．

[29] Herzog H,Langen KJ,Weirich C,et al．High resolution BrainPET combined with simultaneous MRI[J]．Nuklearmedizin, 2011,50(2):74-82．

[30] Herzog H,Pietrzyk U,Shah NJ,et al．The current state,challenges and perspectives of MR-PET[J]．Neuroimage,2010,49(3):2072-2082．

[31] Garibotto V,Vargas MI,LovbladKO,et al．A PET-MRI case of corticocerebellar diaschisis after stroke[J]．Clin Nucl Med,2011, 36(9):821-825．

[32] Vargas MI,Garibotto V,Viallon M,et al．Peripheral nerves,tumors and hybrid PET-MRI[J]．Clin Nucl Med,2013,38(1):40-42．

[33] Garibotto V,Heinzer S,Vulliemoz S,et al．Clinical applications of hybrid PET/MRI in neuroimaging[J]．Clin Nucl Med,2013,38(1):13-18．

[34] Parker MW,Iskandar A,Limone B,et al．Diagnostic accuracy of cardiac positron emission tomography versus single photon emission computed tomography for coronary artery disease:a bivariate metaanalysis[J]．Circ Cardiovasc Imaging,2012,5(6):700-707．

[35] Mc Ardle BA,Dowsley TF,deKemp RA,et al．Does rubidium-82 PET have superior accuracy to SPECT perfusion imaging for the diagnosis of obstructive coronary disease? A systematic review and meta-analysis[J]．J Am Coll Cardiol,2012,60(18):1828-1837．

[36] Hachamovitch R,Hayes SW,Friedman JD,et al．Comparison of the short-term survival benefit associated with revascularization compared with medical therapy in patients with no prior coronary artery disease undergoing stress myocardial perfusion single photon emission computed tomograph[J]．Circulation, 2003,107(23):2900-2907．

[37] Nandalur KR,Dwamena BA,Choudhri AF,et al．Diagnostic performance of stress cardiac magnetic resonance imaging in the detection of coronary artery disease:a meta-analysis[J]．J Am Coll Cardiol,2007,50(14):1343-1353．

[38] de Jong MC,Genders TS,van Geuns RJ,et al．Diagnostic performance of stress myocardial perfusion imaging for coronary artery disease:a systematic review and meta-analysis[J]．Eur Radiol,2012,22(9):1881-1895．

[39] Rischpler C,Nekolla SG,Dregely I,et al．Hybrid PET/MR Imaging of the heart:potential,initial experiences,and future prospects[J]．J Nucl Med,2013,54(3):402-415．

[40] Jarrett BR,Correa C,Ma KL,et al．In vivo mapping of vascularinflammation using multimodal imaging[J]．PLoS One, 2010,5(10):13254．[41] 王龙彪,王惜诵,李伟．PET/MRI融合显像对存活心肌评价的研究进展[J]．解放军医药杂志,2011,23(6):50-52．

[42] Chen K,Blebera J,Laredo JD,et al．Evaluation of musculoskeletal disorders with PET,PET/CT,and PET/MRI[J]．PET Clinics,2008,3(3):451-463．

[43] Basu S,Chryssikos T,Houseini M,et al．Potential role of FDG PET in the setting of diabetic neuro-osteoarthropathy:can it differentiate uncomplicated Char-cot's neuroarthropathy from osteomyelitis and soft tissue infection?[J]．Nucl Med Commun,2007,28(6):465-472．

[44] Nawaz A,Torigian DA,Siegelemann ES,et al．Diagnostic performance of FDG-PET,MRI,and plain film radiography (PFR) for the diagnosis of osteomeylitis inthe diabetic foot[J]．Mol Imaging and Biol,2010,12(3):335-342．

[45] Miese F,Scherer A,Ostendorf B,et al．Hybrid18F-FDG PET-MRI of thehand in rheumatoid arthritis: initial results[J]．Clin Rheumatol, 2011,30(9):1247-1250．

Development and Application Progress of PET/MRI

ZHAO Fu-kuan, ZHANG Bo
Jiangsu Institute of Nuclear Medicine, Wuxi Jiangsu 214063, China

This paper summarizes the working principle, development and research status of PET/MRI, and discusses its application in early diagnosis of cancer, nervous system and cardiovascular system diseases, and points out that PET/MRI technology will greatly deepen the value of medical imaging in clinical diagnosis of diseases.

molecular imaging; PET/MRI; photomultiplier; multimodal imaging; radionuclide

R814.42

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.08.020

1674-1633(2014)08-0066-04

2014-02-14

2014-04-15

作者邮箱：zhangbo@jsinm．org