PET／MR联合成像的应用

吴泳仪，孙夕林，申宝忠

PET／MR与PET／CT的比较

PET／CT目前已经普遍应用于临床诊疗中，其临床疗效也得到了广泛的认可。PET与CT的结合很大程度上解决了单纯PET在解剖及病灶定位上的不足，尤其是在肿瘤放疗靶区的确定、放疗计划的疗效及预后的评价等具有优势，但是，PET／CT有以下4方面局限性：①CT虽然能够提供一定的解剖学信息，但是软组织分辨率不高；②PET／CT成像时，由于PET与CT扫描时间的不匹配，患者呼吸运动及患者不经意移动会导致扫描期间形成图像伪影，从而降低图像质量；③CT所产生的高剂量的辐射，限制了其不能应用于一些特殊人群，例如儿童、青少年及孕妇；④CT无法进行功能成像。这些问题在一定程度上限制了PET／CT的应用。虽然将PET与CT完全整合能使PET与CT同时采集数据成为可能，但这在本质上却很难实现，因为必要的探测器技术[同时获得低能量高通量的X线（CT）及511Kev湮灭的伽马线（PET）]很难实现[1-8]。

1997年，Marsden等[9]最早开始研究PET／MR的模拟成像。PET与MRI融合，集合了二者的优势，能提供丰富的分子、功能与形态信息。但PET／MR融合的主要问题是PET与MR之间存在的相互干扰。研制新的能够检测511keVγ粒子的检测器和光电二极管，成为解决一体化的PET／MR的关键技术问题。传统的PET和PET／CT联合系统，通过闪烁晶体（scintillation crystal）来检测γ粒子，并由光 电倍增管（photomultipliers，PMT）来探测。因PMT容易受到磁场的干扰，因此，研发者们通过结合硅酸镥（lutetium oxyorthosilicate，LSO）晶体和雪崩光电二极管（avalanche photo diode，APD）来实现强磁场下对γ粒子的检测，并将闪烁光子信号转换成电信号[10]。LSO-APD检测模块具有体积小的优势，能够很容易整合到MRI的腔体中。另外，衰减校正（attenuation correction，AC）技术也是决定能否真正实现PET／MR一体的另一关键问题。获取物体对511keVγ光子的线性衰减系数是衰减校正的主要环节。现今，基于组织分割的衰减校正方法因其具有速度快、鲁棒性好、个体之间解剖结构差异影响小等优势而应用较广。

随着PET／MR成像技术的发展，不仅可提供较高的分子、功能成像和解剖成像，提高了疾病早期诊断率及诊断准确性，而且极大程度地减低了成像者的受线剂量，相比于目前的PET／CT，PET／MR在健康人体检、疾病筛查方面有更卓越的性能。

PET／MR成像技术发展现状

现阶段，西门子、飞利浦和GE公司均推出了相关的PET／MR产品，并且已经推广到临床应用。目前一体化PET／MR的融合主要有3类：

1.PET与MRI扫描仪串联，将两套独立的系统串联起来，共用一张扫描床，即异机采集图像，只需对现有的两套系统做很小的修改，然后通过软件融合，这种设计与PET／CT较相似。同时两套独立系统也可单独使用。但此种形式的PET／MR也存在一定的问题，例如空间占用较大、不能同时采集数据、完成两次全身扫描需要较长时间以及患者在扫描过程中运动和生理活动所造成的图像不匹配等[11]。

2.将可移动的PET断层扫描插入MRI孔径内，即“插入式”，主要技术难题是在磁场中引进电路。其优点是使得PET与MRI的FOV一致，能同时采集PET与MRI数据，实现PET与MRI的完美融合，缩短了总采集时间。缺点是将PET插入MRI孔径后，会减小扫描孔径的大小，限制其应用。到目前为止，这种系统在人类显像中的唯一例子是以APD为基础的PET插入3TMRI[12]，并且已成功地用于人脑、头部及上颈部的显像。

3.将PET探测器环完全整合到MRI扫描架上，能够对全身影像进行数据采集，即“完全集成式”，这种方式的PET／MR在技术上是最难的，花费较贵并且对操作人员的技术要求更高[5-7]。英国剑桥大学研究组[13]将PET探测器置于MRI的两块超导磁铁中间；Ontario大学研究组设计了只能在低磁场下操作的PET／MR一体机，但在采集数据时会有死时间存在。基于技术等条件的限制，这种技术目前还没有完全成为现实。

虽然PET／MR由于客观存在的某些技术问题，包括PET／MR的结构设计、PET探头与MRI磁场兼容性、PET／MR图像的衰减校正等，而导致其一体化发展较为缓慢，但初步的研究已经发现其在疾病诊断中有重要医疗价值及巨大经济潜力[14-15]。最近，研究者们将具有TOF（time of flight）技术的PET探测器嵌合在MR设备中，使PET和MR能够同步地分别独立完成各自扫描，从而实现同一个机架、同一个扫描床和同一个扫描控制系统的真正同步扫描，在功能和临床应用上实现了1＋1＞2。随着新型的放射性药物（比如PET／MR双标记对比剂）的产生，PET／MR在分子成像及临床应用中将会更为广泛[16-18]。

图1 食道癌。a）18F-FDG的CT成像；b）18F-FDG的PET／CT成像；c）MR成像；d）18F-FDG的PET／MR成像。在PET／MRI中，可将肿瘤划分为T3期。病理诊断为鳞状细胞癌，病理分期是pT3N1M0和IIIA。可见相比于PET／CT，PET／MR在TNM分期中更具优势[23]。

PET／MR的临床应用

PET／MR虽然出现的时间较短，但却引导着科研、临床及转化医学等多个领域往更高、更远的方向发展，初步的研究结果显示PET／MR在肿瘤疾病、心血管系统、神经系统等方面有明显的优势。

1.肿瘤诊疗中的应用

肿瘤组织比正常组织代谢旺盛，肿瘤内的糖酵解代谢明显增加，尤以恶性肿瘤为甚。因此核医学成像成为肿瘤早期诊断最为灵敏的设备之一。对于诊断评估而言，PET／MR可能是最适合、最准确的成像方式。与PET／CT相比，同步PET／MR表现出更高的敏感性与特异性，对于恶性肿瘤、某些良性肿瘤具有良好的检出和鉴别能力，而且在准确、敏锐的检出局部淋巴结转移和肿瘤分期方面都发挥着越来越重要的作用[19-20]。Afaq等[21]研究显示PET／MR在病灶定位与局灶性分期的准确性与可靠度方面分别比PET／CT提高了5.1%与10%。此外，一体化的PET／MR能够为肿瘤的疗效评估及复发监测提供更为敏感、精确的分子、功能信息[22]。

在胸部肿瘤的应用：目前，在胸部肿瘤研究中PET／MR主要用于食管癌、肺癌及乳腺癌等的诊断、分期及疗效监测。Lee等[23]对食管癌患者展开研究，利用CT、PET／CT、EUS（超声内镜）及PET／MR 4种成像方法，进行了99期对比，结果发现在T分期的正确率上，PET／MR与EUS的效果相当，而在N分期方面，PET／MR的正确率（83.3%）明显高于CT（50%）、PET／CT（66.7%）、超声内镜（75%）3种检查方法，表明PET／MR在食管癌TNM分期、疗效评估和复发检测方面准确性方面有明显优势（图1）。Rauscher等[24]研究了47个平均直径10mm（range，2～60mm）的肺部病灶，研究发现18F-FDG标记的PET／MR肺部病灶成像效果与PET／CT相当，并且发现PET／MR及PET／CT两者的PET图像标准摄取值（standardized uptake value，SUV）具有较高的线性相关系数。MRI对软组织的高分辨率同样使其在乳腺癌诊断方面有巨大的优势，一体化的PET／MR同时具备MRI的高灵敏度和PET的高特异特性，使得其在乳腺癌的早期诊断方面更具潜力。Moy等[25]在一个前瞻性研究中发现在乳腺MR成像基础上增加PET成像使乳腺癌的检出率由原本的53%上升到97%。

在腹部与盆腔肿瘤的应用：目前，PET／MR在腹部与盆腔肿瘤方面主要研究的是肝癌与前列腺癌，而妇科盆腔肿瘤、胃癌、胰腺癌、结直肠癌等也都成为PET／MR的诊疗项目。MRI与PET融合，对于早期诊断原发性肝癌具有高的敏感性，同时一体化的PET／MR对于原发性肝癌的生物学活性、判断患者预后方面有明显优势[26]。Arce-Calisaya等[27]研究发现与PET／CT相比，PET／MR在检测前列腺癌复发方面具有更高的敏感性，更容易检测出PET／CT上未检出的前列腺癌复发灶。Lee等[28]通过对常见的3种妇科肿瘤子宫颈癌、子宫内膜癌、卵巢癌MRI成像、18F-FDG标记的PET／CT成像以及一体化PET／MR成像进行研究和对比，结果表明一体化的PET／MR不仅具有良好的成像效果和检出率，并且做为一种新型的技术，具有巨大的应用前景。Blanchet等[29]研究结果显示通过对全身53处的副神经瘤病灶进行PET／MR扫描成像，共检出了51处（96.23%），仅有位于脊柱旁的6mm与8mm病灶在18FFDA的PET／MR上被漏检，这可能是由于他们的FDA在PET／CT与PET／MR扫描间隙被洗掉了。

在软组织与骨肿瘤的应用：由于MRI具有良好的软组织对比，因此PET／MR在骨与软组织肿瘤的研究中可能发挥较大作用。学者研究发现与单独的MRI相比，PET／MR虽然没能提高原发性骨肿瘤与软组织肿瘤的T分期正确率，但全身PET／MR却具备较高的TNM分期准确率[30]。并且PET／MR在骨与软组织肿瘤的T分期与肝和颅内转移的M分期中比PET／CT更具优势[16]。目前，横纹肌肉瘤复发方面的诊断一直比较困难，而Sorin等[31]利用老鼠模型对弥漫性横纹肌肉瘤进行了研究，一体化的PET／MR能够准确检测和诊断横纹肌肉瘤，而且选择18F-FLT与18F-FDG分别作为长春新碱治疗前后的放射性药物有利于提高诊断率。

图2 脑膜瘤广泛性浸润鼻腔68 Ga-DOTATOC-PET／MRI成像（a～c）和68 Ga-DOTATOC-PET／CT成像（d～f）。可见相比与PET／CT，PET／MR可以更好的将脑膜瘤和其他组织如术后疤痕等相区分。a）对比增强MRI的T1WI；b）DOTATOC注射30min后PET成像；c）A、B的融合像；d）CT成像；e）DOTATOC注射2h后PET成像；f）D、E的融合像[39]。

2.心血管系统的应用

在心脏领域，由于采集图像时心肌一直在收缩与舒张交替进行，因而一体化的PET／MR在心脏图像采集方面优势较为明显，并且着重于冠心病、心肌病以及心脏炎症方面的研究。一体化的PET／MR能够获得心脏功能和心肌代谢活性、灌注等方面的信息，能够更好的评价心肌梗死和心肌缺血。同时，PET／MR还能够提供更多的动脉粥样硬化斑块组成方面的重要信息[21]。Kong等[32]通过对一名25岁的肥厚性心肌病患者应用18F-FDG标记一体化PET／MR扫描诊断其室间隔肥厚，并且显示室间隔心肌纤维化与FDG缺损及晚期钆强化程度有相关性。Nebiyu等[33]充分论证了PET／MR在分子心血管成像方面展现的巨大优势及可能带来的医疗利益和经济价值。Jarrett等[34]将标记有铜（64Cu）的马来酰牛血清白蛋白（MBSA）作为标记蛋白，通过尾静脉注入到大鼠和小鼠体内，进行PET／MR一体化血管成像，并且使用免疫组织化学法进行验证，结果证明PET／MR在诊断动脉粥样硬化方面有较大的应用潜力。心脏结节病可威胁患者一生，因其可以突发心脏骤停，并可能引起严重心衰，而不同于心脏的其他良性病变，一体化的PET／MR能够提供结节病患者心肌水肿程度、炎症状态的连续评估，有利于心脏结节病的疗效监测及初步预防措施的采取[35]。当然，要将PET／MRI在临床心脏病学推广，还面临着巨大的挑战。

3.神经系统的应用

PET／MR在神经系统中的应用较为广泛，其可行性与价值早已被一系列的临床研究所验证。PET／MR已成功用于人脑细小结 构 的 研 究，如 海 马[36]及 丘 脑[37，38]等。Afshar-Oromieh等[39]将68Ga-DOTATOC作为示踪剂，利用PET／MR对脑膜瘤病灶进行扫描，研究中PET／MRI检出了所有病灶，并且验证其优于PET／CT成像技术（图2）。Ceriani等[40]利用PET／MR检出了乳头状甲状腺癌的颈部肌肉转移，而患者颈部超声、胸部CT与全身131I检查均未见转移，最后经穿刺活检证实为甲状腺癌肌肉转移。有学者认为一体化PET／MR对于诊断癫痫的优势在于减少镇静次数，尤其是对于扫描时不能保持不动的年轻癫痫患者[22]。目前PET／MR在对良恶性脑瘤、脑缺血、癫痫、吸毒成瘾、老年痴呆等疾病都具有较好的诊疗效果。

4.在其他疾病中的应用

Niese等[41]报道PET／MR在糖尿病足和关节炎的诊断上可以为临床提供必要的信息支持。克罗恩病患者的趋化因子等炎症因子可以成为PET／MR成像的标记物，使得通过PET／MR对克罗恩病的炎症过程有更深层面的了解，能够更早的做出临床诊断[42]。另外，PET／MR对于早期诊断溃疡性结肠炎、血管炎、干燥综合征、系统性红斑狼疮和代谢综合征等疾病方面具有应用前景[43]。同时，PET／MR安全、低辐射，更适用于儿科疾病的诊断和随访检查。

展望

虽然目前PET／MR的研究仍处于起步阶段，技术尚有不足距离临床推广还存在一定距离，包括费用昂贵、PET与MRI系统干扰、成像速度慢、缺乏熟练的影像医学与核医学医师等。但是未来影像学的发展不再是一个单一的技术变革，而是各种技术的整合。作为多模态影像融合技术的成像系统，PET／MR集成了生物组织的解剖学信息、功能和分子水平信息，同时其安全、低辐射的优点使其蕴藏着巨大的医疗和经济价值。我们相信随着PET／MR技术的进一步发展和完善，其在科学研究、临床中展现出来的优势，将会很大程度上影响整个医学影像学以及医学科学的发展方向。

[1]Beyer T，Townsend DW，Brun T，et al.A combined PET／CT scanner for clinical oncology[J].J Nucl Med，2000，41（8）：1369-1379.

[2]Brandon D，Alazraki A，Halkar RK，et al.The role of single-photon emission computed tomography and SPECT／computed tomography in oncologic imaging[J].Semin Oncol，2011，8（1）：87-108.

[3]Pichler BJ，Wehrl HF，Judenhofer MS.Latest advances in molecular imaging instrumentation[J].J Nucl Med，2008，49（2）：5-23.

[4]Antoch G，Bockisch A.Combined PET／MRI：a new dimension in whole-body oncology imaging[J].Eur J Nucl Med Mol Imaging，2009，36（1）：113-120.

[5]Fatemi-Ardekani A，Samavati N，Tang J，et al.Advances in multimodality imaging through a hybrid PET／MRI system[J].Crit Rev Biomed Eng，2009，37（6）：495-515.

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

[7]Alexander W.Sauter，Hans F.Wehrl，Armin Kolb，et al.Combined PET／MRI：one step further in multimodality imaging[J].Trends in Molecular Medicine，2010，16（11）：508-515.

[8]Loeffelbein DJ，Souvatzoglou M，Wankerl V，et al.PET-MRI fusion in head-and-neck oncology：current status and implications for hybrid PET／MRI[J].J Oral Maxillofac，2012，70（2）：473-483.

[9]Shao Y，Cherry SR，Farahani K，et al.Simultaneous PET and MR imaging[J].Phys Med Biol，1997，42（10）：1965-1970.

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

[11]Delso G，Ziegler S.PET／MRI system design[J].Eur J Nucl Med Mol Imaging，2009，36（Suppl 1）：S86-S89.

[12]HP S，BJ P，MS，et al.Simultaneous MR／PET imaging of the human brain：feasi-bility study[J].International J Medical Radiology，2008，248（3）：1028-1035.

[13]AJ L，RC H，RE A，et al.Development of a combined microPETMR system[J].Technol Cancer Res Treat，2006，5（4）：2345-2348.

[14]戚仕涛，汤黎明，刘铁兵，等.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.

[15]沈国华，周绿漪，贾志云，等.最新PET／MRI成像的研制进展[J].中国医疗设备，2014，29（1）：59-62.

[16]Wolfgang A，Weber.PET／MR imaging：a critical appraisal[J].J Nucl Med，2014，55（6）：56-58.

[17]David Hoffman，Minghao Sun，Likun Yang，et al.Intrinsically radiolabelled[59Fe]-SPIONs for dual MRI／radionuclide detection[J].Am J Nucl Med Mol Imaging，2014，4（6）：548-560.

[18]Penelope Bouziotis，Dimitrios Psimadas，Theodoros Tsotakos，et al.Radiolabeled iron oxide nanoparticles as dual-modality SPECT／MRI and PET／MRI agents[J].Current Topics in Medicinal Chemistry，2012，12（23）：2694-2702.

[19]Czernin J，Ta L，Herrmann K.Does PET／MR imaging improve cancer assessments？literature evidence from more than 900patients[J].J Nucl Med，2014，55（6）：59S-62S.

[20]Soo JL，Hyo JS，Gi JC，et al.Usefulness of integrated PET／MRI in head and neck cancer：apreliminary study[J].Nucl Med Mol Imaging，2014，48（2）：98-105.

[21]Afaq A，Syed R，Bomanji J.PET／MRI：a new technology in the field of molecular imaging[J].Br Med Bull，2013，108（1）：159-171.

[22]Ciprian Catana，Alexander Drzezga，Wolf-Dieter Heiss，et al.PET／MRI for neurologic applications[J].J Nucl Med，2012，53（12）：1916-1925.

[23]Lee G，I H，Kim SJ，et al.Clinical implication of PET／MR imaging in preoperative esophageal cancer staging：comparison with PET／CT，endoscopic ultrasonography，and CT[J].J Nucl Med，2014，55（8）：1242-1247.

[24]Rauscher I，Eiber M，Fürst S，et al.PET／MR imaging in the detection and characterization of pulmonary lesions：technical and diagnostic evaluation in comparison to PET／CT[J].J Nuclear Medicine，2014，55（5）：724-729.

[25]Moy L，Noz ME，Maguire GQ Jr，et al.Role of fusion of prone FDG-PET and magnetic resonance imaging of the breasts in the evaluation of breast cancer[J].Breast J，2010，16（4）：369-376.

[26]Christian Buchbender，Till A.Heusner，Thomas C.Lauenstein，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.

[27]Arce-Calisaya P，Souvatzoglou M，Eiber M，et al.Sensitivity of PET／MRI to detect recurrence of prostate cancer[J].Eur J Nucl Med Mol Imaging，2013，40（5）：799.

[28]Lee SI，Catalano OA，Dehdashti F.Evaluation of gynecologic cancer with MR imaging，18F-FDG PET／CT and PET／MR imaging[J].J Nuclear Medicine，2015，56（3）：436-443.

[29]Blanchet EM，Millo C，Martucci V，et al.Integrated whole-body PET／MRI with18F-FDG，18F-FDOPA，and18F-FDA in paragangliomas in comparison with PET／CT：NIH first clinical experience with a single-injection，dual-modality imaging protocol[J].Clin Nucl Med，2014，39（3）：243-250.

[30]Christian Buchbender，Till A.Heusner，Thomas C.Lauenstein，et al.Oncologic PET／MRI，Part 2：bone tumors，soft-tissue tumors，melanoma，and lymphoma[J].J Nucl Med，2012，53（8）：1244-1252.

[31]Sorin Armeanu-Ebinger，Christoph M.Griessinger，Delia Herrmann，et al.PET／MR imaging and optical imaging of metastatic rhabdomyosarcoma in mice[J].J Nucl Med，2014，55（9）：1545-1551.

[32]Kong EJ，Lee SH，Cho IH.Myocardial fibrosis in hypertrophic cardiomyopathy demonstrated by integrated cardiac18F-FDG PET／MR[J].Nucl Med Mol Imaging，2013，47（3）：196-200.

[33]Adenaw Nebiyu，Salerno Michael.PET／MRI：current state of the art and future potential for cardiovascular applications[J].J Nucl Cardiol，2013，20（6）：976-989.

[34]Jarrett BR，Correa C，Ma KL，et al.In vivo mapping of vascularinflammation using multimodal imaging[J].PLoS One，2010，5（10）：13254.

[35]Schneider S，Batrice A，Rischpler C，et al.Utility of multimodal cardiac imaging with PET／MRI in cardiac sarcoidosis：implications for diagnosis，monitoring and treatment[J].Eur Heart J，2014，35（5）：312.

[36]Cho ZH，Son YD，Kim HK，et al.Substructural hippocampal glucose metabolism observed on PET／MRI[J].J Nuclear Medicine，2010，51（10）：1545-1548.

[37]Cho ZH，Son YD，Kim HK，et al.Reply：horizontal versus longitudinal axis of the hippocampus：metabolic differentiation as measured with high-resolution PET／MRI[J].J Nuclear Medi-cine，2011，52（2）：329-330.

[38]Cho ZH，Son YD，Kim HK，et al.Observation of glucose metabolism in the thalamic nuclei by fusion PET／MRI[J].J Nuclear Medicine，2011，52（3）：401-404.

[39]Afshar-Oromieh A，Wolf MB，Kratochwil C，et al.Comparison of68Ga-DOTATOC-PET／CT and PET／MRI hybrid systems in patients with cranial meningioma：initial results[J].Neuro Oncol，2015，17（2）：312-319.

[40]Ceriani L，Treglia G，Paone G，et al.Unusual muscular metastases from papillary thyroid carcinoma detected by fluorine-18-fluorodeoxyglucose pet／mri[J].J Clin Endocrinol Metab，2013，98（6）：2208-2209.

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

[42]Francesca Maccioni，Michael A.Patak，Alberto Signore，et al.New frontiers of MRI in Crohn＇s disease：motility imaging，diffusion-weighted imaging，perfusion MRI，MR spectroscopy，molecular imaging，and hybrid imaging（PET／MRI）[J].Abdominal Imaging，2012，37（6）：974-982.

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