最新PET/MRI成像的研制进展

沈国华，周绿漪，贾志云，张文杰，王乔，邓候富

四川大学华西医院 核医学科，四川 成都 610041

新技术的不断发展促使人们从分子水平去研究生化过程，进而进行药理学、遗传学和病理学的检查评估[1]，从而形成了新型学科—分子影像学。在各类分子影像技术中，PET/MRI是最前沿、最具潜力的新技术。随着PET/MRI的出现、发展直至成功应用于临床实践，核医学又迎来了新的挑战和机遇。本文就PET/MRI的研制进展作一报道。

1 PET/MRI的总体优势

近年来PET/CT技术蓬勃发展，并已经成熟应用于临床。PET/CT既可以提供解剖信息又可以提供功能信息，其诊断准确性与单纯的PET或者CT相比有了很大提高，有力地说明了多模式成像技术的巨大临床价值。与CT相比，MRI在反映解剖形态和生理功能信息方面具有无可比拟的优越性，特别是在软组织对比方面，其优势更强且无辐射。PET与MRI的结合即PET/MRI有PET/CT无法超越的优势[2]。但作为一种新技术，PET/MRI也会有一些不足之处，见表1。

表1 PET/MRI相对优势和不足

2 PET/MRI闪烁晶体和探测器的进展

PET/MRI设备有多种装配方式，最简单的就是类似于PET/CT的装配方式，即所谓的“串联式”，是将两种检查设备在时间和空间上按顺序进行排列，分别获得图像后再通过软件技术对图像进行融合。基于这种原理，飞利浦公司开发了一种类似的系统：该系统占用一个单间，两个扫描器（TOF PET和3-T MRI）分别置于地板上转台的两端；患者先进行MRI检查，检查完后扫描床旋转180°，患者进入PET扫描孔依顺序进行图像采集，然后再进行图像融合。GE公司则选择了“三合一”装配方式：将PET/CT和MRI分别置于两个相邻的房间，通过一个开关控制的可停靠的扫描床来移动病人进行图像采集。显然，这种先顺序采集再后期融合的技术大大降低了PET/MRI的应用潜力[3]。还有一种装配方式就是所谓的“插入式”，即将一个小的PET放入标准的MRI扫描器中，实现设备一体化，从而可以在时间和空间上同时进行图像采集[4-5]。而一体机对PET/MRI的闪烁晶体和探测器提出了更新、更高的要求。

研究发现，PET/MRI中使用的闪烁晶体必须具有与人体相近的磁兼容性，而传统的闪烁晶体中如硅酸镥钆、硅酸钆的磁兼容性与人体相差很远，影响了MRI磁场的均匀性，从而产生伪影，所以不能用于PET/MRI中[6]。新型的闪烁晶体一直在不断开发中，如只掺有铈的硅酸镥（LSO：Ce）的衰减时间为40 ns，而掺有铈、钙的硅酸镥（LSO：Ce Ga）的衰减时间为30 ns，这使光产量大大提高[7]。此外，掺有铈的溴化镧（LaBr3：Ce）的衰减时间只有15 ns，也是当前闪烁晶体研究的热点之一[8]。

一体化的PET/MRI如果使用传统的光电倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）就会遇到一个技术上的难题：PMT对磁场环境高度敏感，而MRI磁场可改变电子运行轨迹导致探测电子的损失，几乎每种类型的PMT PET信号都会在磁场中发生扭曲，比如PET探测器的能谱会因为PMT输出信号的损失而大幅减少，使探测器中闪烁晶体的峰值位置不能区分[9]。相反，雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode，APD）对磁场不敏感，可直接或通过极端的光纤与PET晶体连接，基于APD-PET的PET/MRI在小动物和人脑中的研究已有报道[10-11]。商业性的可用于全身扫描的APD PET/MRI也已经研发出来，西门子公司的Biograph mMR就是联合LSO（Lutetium Oxyorthosilicate）晶体和APD研制出来的，可在强磁场下检测γ粒子并且将信号由闪烁光子形式转换成电信号的形式[12]。

尽管APD技术已经比较成熟，但它仍有信号放大增益低（102～103）、输出信号慢和时间分辨率低的缺点。因此，基于硅光电倍增器（Silicon Photoelectric Multiplier，SiPM）的盖革模式APD成为了未来PET/MRI的关注点，它具有与PMT相同的放大增益和时间分辨率[13-14]，并且还有一致性良好、尺寸小、工作电压低、结构紧凑等优点。基于SiPM的PET结构由一系列APD微单元组成，每一个单元是一个独立的盖革式探测器，通过一个猝灭电阻引入偏置电压，当光子作用于探测器单元时，进行放电；同时，SiPM对温度比较敏感，所以SiPM信号输出的稳定性取决于偏置电压和温度变化的稳定性[8]。Hyun Suk Yoon等研究发现，应用基于SiPM的具有12个探测器模块的PET/MRI设备，PET信号或图像没有射频干扰，MRI扫描信号仅有轻微降低[15]。Seiichi Yamamoto等应用SiPM-PET与MRI研究小鼠大脑，发现通过噪声减少技术，PET/MRI的信噪比仅稍低于MRI。随着温度控制技术的发展，SiPM的温度敏感性问题也将会得到解决[16]。

3 PET/MRI图像的校正融合

3.1 系统的衰减校正

MRI系统成熟的全景成像矩阵（Total Imaging Matrix，TIM）技术的射频线圈也应用在PET/MRI中，而研究证实接受射频脉冲信号的表面线圈在PET探测器的视场（Field of View，FOV）中会潜在地衰减PET信号，所以为了得到最好的MRI和PET信号，就需要对局部接受射频脉冲的表面线圈进行优化，使其具有不衰减PET信号的性质，即使其对γ射线的影响降到最低[17-18]。其他相关硬件如检查床、连接器等也需要进行相应优化。目前衰减校正的途径和方向共有两种：① 直接的衰减校正法（Attenuation Correction，AC），这种方法主要针对检查床、头部线圈等相对固定的器件。通过CT扫描得到70～120 keV的三维衰减系数图，然后再将基于CT扫描的衰减图转化为511 keV的三维衰减系数图，即u-maps，进而可以进行PET的图像重建。② 覆盖全身的体阵列线圈在射频场中所处的位置因病人而异，很难通过MRI手段来进行预测，那么就需要实现无PET信号衰减。Psulus DH等应用鱼肝油和超短回波序列，以5种不同的方式重建PET图像，进而量化了射频表面线圈的影响，对于体阵列线圈衰减校正方法的推进起到了重要作用[17]。

3.2 组织的衰减校正

在PET/CT中，CT数据可提供组织密度信息并被用于PET数据的衰减校正。基于CT的衰减校正方法是一种分段线性缩放算法，就是在511 keV的情形下将CT衰减值转化为线性衰减系数。同样的，在PET/MRI中也需要一种合适的衰减校正方法，但是由于MRI图像像素值只与组织中的氢核密度和组织的松弛程度有关，而与电子密度相关的质量衰减系数无关，例如骨骼和空气分别有着最高和最低的正电子衰减系数，在MRI上却同为低信号，所以基于MRI的衰减校正比较困难。

目前基于MRI的衰减校正方法有两种，第一种是区域分割法，即把衰减特性不同的组织和器官分成不同的区域（如空气、肺部、脂肪、肌肉、骨等），然后再获得分割好的不同区域的511 keV下相应组织的衰减系数，再进行衰减校正[19]。但该技术不适用于本身密度分布不均的器官和组织，如骨、肺和其他不可预测的良性或恶性的解剖异常组织等[20]。第二种是图谱配准法，即将解剖图谱与预先知道的含有病人MRI-CT信息的衰减图谱（如CT图谱）进行融合配准，进而产生每个病人特有的衰减图。但病人的标准解剖图谱是无法获得的，那么通过解剖图谱融合而成的衰减图真的是每个病人所特有的符合自身的解剖图吗？该方法的临床应用可行性还需更多的实验研究来证实。有学者比较了这两种方法的优劣，在正常的组织中通过分割法得到的标准摄取值（Standard Uptake Value，SUV）的平均误差是14.1%，而图谱法是7.7%；病灶组织的SUV值平均误差分别是7.5%和5.7%，可见由于骨、肺组织衰减系数不稳定的原因，图谱法稍稍优于分割法。但事实上两种方法在肺组织的准确度都很低，其应用受到了很大限制[21-22]。Defrise et al等研究表明，可以通过PET获得的时间飞跃的信息来提高基于MRI图像得到的衰减图的精确性[23]。

早先飞利浦TF PET/MRI设备测试提出的3级组织分割法（背景空气、软组织和肺）似乎适用于全身显像，它使用的是所谓的“atMR”采集序列，是以飞利浦特有的解剖和衰减的图谱而设计的序列[24]。后来，又有人提出了4级分割法（背景、肺、脂肪和软组织），它需要通过两个方向的Dixon序列采集来实现。最近Yannick Berker等人提出了4级组织分割技术，即通过超短回波时间序列（Ultrashort Time of Echo，UTE）和Dixon MRI序列的结合实现基于MRI的PET/MRI校正。应用UTE辨别皮质骨和空气，Dixon技术辨别软组织和脂肪组织，然后采用UTE三回波序列（分辨骨组织的UTE序列和径向分离水和脂肪组织的梯度回波序列）就可得到基于MRI的4级分级的衰减图[25]，但是该技术的检查时间较长。

此外，Matthias Hofmann等研究发现，基于MR的衰减校正方法（MR-AC）远远优于基于CT的校正方法（CTAC），MR-AC还能辅助PET/MRI系统进行运动校正和部分容积校正。在图像采集过程中，病人的头部运动、呼吸运动、心脏搏动等都会影响病灶的定位和定量分析。而基于MR的运动校正有作为定量方法改善PET质量的潜力：首先，目前先进扫描仪具备标准的空间分辨率；其次，衰减和发射之间的数据差距可以通过相应方法进行消除；第三，可以用图像处理方法和校正数据来评估放射示踪剂的动脉输入函数（Arterial Input Function，AIF）,从而提高PET数据的可靠性和可重复性[26-27]。用于PET/MRI的运动校正方法主要有两种：一种是重建后再融合（Post-reconstruction Registration，PRR），即每个门控采集的图像都进行单独重建，再将重建后的所有图像融合在一个标准门控中，进而形成校正效果平均化的图像；另外一种是运动补偿图像重建（Motion-compensated Image Reconstruction，MCIR）， 即通过迭代重建法直接重建出运动补偿图像。运动校正后的PET图像质量在肺肝边界和肝脾边界得到了明显改善，但由于心脏MRI对比度不够，图像质量改善不明显。与无运动图像相比，校正后的图像单位体素的SUV单元均方根误差有所下降。利用MRI进行运动校正能提高PET影像质量，但受限于快速MR的成像质量[28]。众所周知，PET成像中的部分容积效应会导致功能成像中放射性药物摄取值的测量不准确，部分容积校正在贝叶斯反褶积框架中进行，通过采用共轭梯度法衰减模糊的部分容积，从而产生基于体素的校正后的PET图像。它大大提高了PET图像的质量，效果可媲美几何转移矩阵法（Geometric Transfer Matrix，GTM），但不需要MR图像的分割信息或者示踪剂的分布信息，具有很强的实用性[29]。

总之，基于MR图像的组织衰减校正方法的效果是稳定可靠的，可以媲美于PET/CT，但对于PET标准摄取值的定量尚需进一步研究。

4 PET/MRI中可能存在的伪影问题

基于MRI的衰减校正方法的使用，使PET/MRI中可能会产生不同于PET/CT的伪影。

（1）金属伪影。金属植入物会造成MRI图像信号丢失，进而误导图像处理程序将组织当做空气，会导致金属周围区域的摄取值被低估，而PET/CT该摄取值会被高估。

（2）截断伪影。由于MRI的视野小于PET的视野，而有些患者在检查时手是放在身体两边的，这样就可能在MRI图像上和基于MRI的衰减图上产生截断伪影，进而从衰减校正和散射校正两方面来影响PET图像的质量，降低PET/MRI的图像对比度[30]。恢复截断部分的方法已经初步研究出来，可以用PET的发射数据来粗略估计被截断的部分，进而保持衰减图的完整性，同时最小化伪影。更先进的技术尚需进一步研究。

（3）衰减系数造成的伪影。基于MR的衰减校正是通过把组织分成3级或4级的方法来实现的。在不同层级组织边界处，尤其是软组织和骨性组织之间的区域往往会形成气腔伪影，例如在颅底，使用空气衰减系数来代替骨或软组织的衰减系数，就会产生巨大的气腔伪影。

（4）PET/MRI的数据重合失调。PET数据和基于MRI的衰减图的重合失调会导致伪影的产生，该类伪影最易出现在PET/MRI的呼吸相。

5 结语

目前全身同步PET/MRI的研制已取得了重大进展，临床应用阶段也取得了可喜成绩。随着技术的不断发展，PET/MRI必将给医学及生命科学等领域注入新鲜血液，促进医学成像里程碑式的变革。

[1]Valliant JF.A bridge not too far:linking disciplines through molecular imaging probes[J].J Nucl Med,2010,51(8):1258-1268.

[2]Glaudemans AW,Quintero AM,Signore A.PET/MRI in infectious and inflammatory diseases:will it be a useful improvement?[J].Eur J Nucl Med Mol Imaging,2012,39(5):745-749.

[3]Mansi L,Ciarmiello A,Cuccurullo V.PET/MRI and the revolution of the third eye[J].Eur J Nucl Med Mol Imaging,2012,39(10):1519- 1524.

[4]王强,王荣福.PET/MRI 研究进展[J].中国医学影像技术,2011,27(11):2361-2364.

[5]Catana C,Benner T,van der Kouwe A,et al.MRI-assisted PET motion correction for neurologic studies in an integrated MRPET scanner[J].J Nucl Med,2011,52(1):154-161.

[6]戚仕涛,汤黎明,刘铁兵,钟添萍.一体式PET/MRI 技术分析与研究回顾[J].中国医疗设备,2011,26(8):54-57,62.

[7]Yang K,Melcher CL,RACK PD,et al.Effects of calcium codoping on charge traps in LSO:Ce crystals [J].IEEE Transactions on Nuclear Science,2009,56(5):2960-2965.

[8]张斌,赵书俊.PET探测器技术的新进展[J].原子核物理评论,2012,29(3):259-65.

[9]Pichler BJ,Judenhofer MS,Wehrl HF.PET/MRI hybrid imaging:devices and initial results[J].European Radiology,2008,18(6):1077-1086.

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

[11]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.

[12]Pichler BJ,Wehrl HF,Kolb A,Judenhofer MS.Positron emission tomography/magnetic resonance imaging:the next generation of multimodality imaging?[J].Semin Nucl Med,2008,38(3):199-208.

[13]Kong HJ,Kim TH,Jo SE,Oh MS.Smart three-dimensional imaging LADAR using two Geiger-mode avalanche photodiodes[J].Opt Express,2011,19(20):19323-19329.

[14]Roncali E,Cherry SR.Application of silicon photomultipliers to positron emission tomography[J].Ann Biomed Eng,2011,39(4):1358-1377.

[15]Yoon HS,Ko GB,Kwon SI,et al Initial results of simultaneous PET/MRI experiments with an MRI-compatible silicon photomultiplier PET scanner [J].J Nucl Med,2012,53(4):608-614.

[16]Yamamoto S,Watabe T,Watabe H,et al.Simultaneous imaging using Si-PM-based PET and MRI for development of an integrated PET/MRI system [J].Phys Med Biol,2012,57(2):N1-N13.

[17]Paulus DH,Braun H,Aklan B,et al.Simultaneous PET/MR imaging: MR-based attenuation correction of local radiofrequency surface coils [J].Med Phys,2012,39(7):4306-4315.

[18]黄玉清(译).全身MR/PET联合成像:技术构想,临床工作流程及初步结果[J].磁共振成像,2011,2(6):446-455.

[19]郑堃,朱朝晖,李方.PET/MRI多模式分子成像技术新进展[J].现代仪器,2011,17(4):1-4.

[20]Marshall HR,Prato FS,Deans L,et al.Variable lung density consideration in attenuation correction of whole-body PET/MRI[J].J Nucl Med,2012,53(6):977-984.

[21]Yankeelov TE,Peterson TE,Abramson RG,et al.Simultaneous PET-MRI in oncology: a solution looking for a problem?[J].Magn Reson Imaging,2012,30(9):1342-1356.

[22]Hofmann M,Bezrukov I,Mantlik F,et al.MRI-based attenuation correction for whole-body PET/MRI: quantitative evaluation of segmentation-and atlas-based methods[J].Journal of Nuclear Medicine,2011,52(9):1392-1399.

[23]Bailey DL,Barthel H,Beyer T,et al.Summary report of the first international workshop on PET/MR imaging,March 19-23, 012,Tübingen, Germany [J].Molecular Imaging and Biology,2013,15(4):361-371.

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

[25]Berker Y,Franke J,Salomon A,et al.MRI-based attenuation correction for hybrid PET/MRI systems:a 4-class tissue segmentation technique using a combined ultrashortecho-time/Dixon MRI sequence[J].Journal of Nuclear Medicine,2012,53(5):796-804.

[26]Olesen OV,Paulsen RR,Højgaard L,et al.Motion Tracking for Medical Imaging:a nonvisible structured light tracking approach [J].IEEE Transactions on Medical Imaging,2012,31(1):79-87.

[27]Catana C,Drzezga A,Heiss WD,et al.PET/MRI for neurologic applications[J].J Nucl Med,2012,53(12):1916-1925.

[28]Dikaios N,Izquierdo-Garcia D,Graves MJ,et al.MRI-based motion correction of thoracic PET:initial comparison of acquisition protocols and correction strategies suitable for simultaneous PET/MRI systems[J].Eur Radiol,2012,22(2):439-446.

[29]Wang H,Fei B.An MR image-guided,voxel-based partial volume correction method for PET images[J].Med Phys,2012,39(1):179-195.

[30]Delso G,Martinez-Möller A,Bundschuh RA,et al.The effect of limited MR field of view in MR/PET attenuation correction [J].Med Phys,2010,37(6):2804-2812.