PET-MR在脑神经系统疾病中的应用现状及展望*

郝科技 王荣福②*

PET-MR在脑神经系统疾病中的应用现状及展望*

郝科技①王荣福①②*

单一核医学功能影像包括SPECT和PET，由于其自身的缺陷而不能充分满足临床的诊断需求，继而整合解剖与功能影像为一体的多模态成像设备成为核医学乃至整个影像学发展的趋势，继最早的SPECT-CT、PET-CT之后，目前最新研发的PET-MR已开始应用于临床，其中前两者已在临床上得到广泛的应用，而具有高组织分辨率的MR影像结合PET功能影像的PETMR，势必会对脑神经系统、心血管系统及肿瘤等疾病的诊断起到重要作用。

多模态影像；PET-MR；神经系统；分子影像；PET-CT

郝科技,男,(1986- ),硕士，医师。北京大学国际医院核医学科，从事分子和临床核医学应用研究。

PET-MR是正电子发射断层显像(positron emission tomography，PET)与磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)两者融合一体的新型大型影像诊断设备，是功能影像与分子影像学发展的最前沿技术之一，其具备MR和PET的检查功能，可实现解剖与功能影像最大程度的优势互补[1]。由于MRI可提供清晰的解剖定位、优良的软组织对比及MR波谱等功能信息，因此目前PET-MR的临床应用热点主要集中在肿瘤、心脏疾病及脑神经科学等领域中[2-10]。PET-MR在脑神经系统疾病中具有潜在的临床应用价值。

1 PET-MR发展历程

鉴于单一影像设备检查的局限性，临床工作中为了实现一次影像检查获得更多的信息，将解剖及功能影像的检查设备整合一起的成像仪应运而生。20世纪80年代末第一代多模态影像设备SPECT-CT开始应用于临床诊断工作，直至目前的SPECT-CT仍在核医学影像检查中占有不可或缺的地位[11-12]。SPECTCT是单光子发射断层显像仪与CT两者融合一体的影像设备，在一定程度上解决了SPECT解剖定位不准的难题[13]。PET是利用正电子核素标记脱氧葡萄糖等人体代谢物作为显像剂，通过机体对示踪剂的摄取来反映病变代谢变化，从而为临床提供疾病的生物代谢信息。PET成像反映的是病变的分子、代谢及功能状态，因此被称之为“活体生化显像”，其诞生被誉为20世纪医学科技进步的重大事件，对于生命科学、医学影像技术发展具有划时代的意义。但由于PET存在同SPECT一样的解剖结构分辨率差、对病灶的定位不够精确的问题，在一定程度上限制了其推广应用。PET广泛应用于临床得益于本世纪PET-CT的成功研发。PET-CT可以同时获得功能及解剖的融合影像[14-15]。临床实践表明，PET-CT对肿瘤、心血管疾病和神经系统疾病具有综合诊断的能力，甚至会影响一半肿瘤患者的治疗决策，是迄今为止最为成功的多模态影像设备[16-17]。

随着PET-CT的广泛应用，CT与PET相结合的缺点逐渐暴露，如软组织分辨率差、高剂量X射线辐射等，其缺点很大程度上是由CT造成。鉴于上述因素，影像设备研发人员将目光转向MR与PET一体机的研发。事实上对于PET与MR一体机的构想最先于20世纪90年代中期提出，甚至早于PET-CT融合技术。虽然PET-MR具有应用前景，但PET-MR一体机的研发过程却相对缓慢，其原因在于PET与MR图像完全融合存在PET探头与MR磁场兼容、PET图像衰减校正以及PET-MR系统结构设计等问题[18]。随着科学技术的发展及科研人员不懈探索，PET与MR融合的关键技术难题得以部分解决。2006年，西门子公司首先展示了PET-MR(脑PET)一体机采集的人脑图像，自此PET-MR正式开始进入临床。不同的影像诊断设备厂商对PET与MR的融合有不完全相同的设计模式，主要表现在PET与MR两者的关系上，如串联式、插入式及完全集成的一体化设计等。虽然不同的设计模式有各自不同的优点，但完全集成的一体化设计仍是最理想的模式，也是PETMR设备未来发展的趋势。

近年来，Siemens公司、GE公司、Toshiba公司、联影公司及大基医疗等大型医疗器械公司均推出了各自的一体化PET-MR设备，并逐步应用于临床。如Siemens公司于2011年推出PET-MR Hybrid一体化成像系统，GE公司于2014年推出一体化、带有飞行时间(time of flight, TOF)技术同步扫描的PET-MR(又称TOF-PET-MR)等，系统均为3.0T MR与PET所组成的一体化架构，在图像采集上实现了全身MR和PET数据的同步采集，并能获得高清晰的融合图像。PET-MR逐步由设备验证、临床验证进入到多参数成像研究及临床各领域的应用。

2 PET-CT与PET-MR比较

MR相对于CT，有其自身的优势：①不存在X射线辐射问题，适合于儿童及需要多次检查的患者；②具有良好的软组织分辨率；③能进行弥散加权成像(diffusion weighted imaging, DWI)、磁共振波谱(magnetic resonance spectroscopy，MRS)成像、血氧水平依赖功能磁共振成像(bloo d oxygenation level dependent functional MRI, BOLD-fMRI)等多种MR功能与分子成像技术；④MR对比剂更加安全等。此外，获得同等质量的PET图像，PET-MR所需的药物剂量较PET-CT明显降低。由于MR是多序列多参数成像，因而PET-MR扫描时间要长于PET-CT，PET扫描结束时MR仍在继续成像，这时PET可以相对延长扫描时间来进一步提高信噪比，从而降低PET前期药物注射剂量。

德国爱尔兰根大学学者基于美国电器制造商协会(National Electric Manufacturers Association， NEMA)图像标准，通过实验研究发现，PET-MR与PET-CT(常规每床位2 min)相比仅需要一半的药量(每床位4 min)即可获得同等的图像质量。瑞士苏黎世大学学者通过进行最佳峰值噪声等效计数率(noise equivalent count rate，NECR)、相似靶NECR条件下最佳采集活度比较，相比PET-CT，带TOF技术的PET-MR降低了56﹪的注射剂量，药物剂量的减少使辐射剂量大幅度降低[19]。但PET-MR也尚存在一些不足，如扫描时间长、金属禁忌、技术欠缺(设备结构设计、PET探头与磁场兼容性和图像衰减校正)及伪影繁杂等。

3 PET-MR在脑神经系统疾病中的应用

神经核医学在观察和研究脑血流分布、代谢方面有着重要作用，在探索人类行为、情感等生理行为变化的脑部疾患上，神经递质和受体显像也越来越重要。PET-MR使核医学更能精确地定位和定量，从分子水平上展示人脑生理、病理变化，因此PET-MR自出现以来就被应用于脑神经系统疾病的研究，如神经精神病、脑肿瘤等方面[20-22]。

3.1 代谢显像

PET-MR可用于对认知损害疾病的早期诊断，并可对其病因进行鉴别诊断。对于临床怀疑阿尔茨海默病(Alzheimer disease，AD)的患者行PET-MR显像，不仅可有发现有无海马萎缩的MR图像，还可同时有测量脑葡萄糖消耗量的PET图像，有助于对AD患者的早期诊断及同其他可导致成年人认知障碍疾病(路易体痴呆，帕金森等)的鉴别诊断，并且对患者治疗方案的制定亦有一定的指导作用[23-27]。在癫痫的解剖影像定位诊断中，MR是症状性癫痫重要的检查方法，其高分辨性能易于显示脑组织结构性异常，尤其是对颞叶内侧硬化引起的癫痫更为敏感，有报道其定位准确率可高达91﹪[28]。但也有研究发现，有57﹪的难治性癫痫患者其MR检查并未显示病灶[29]。况且MR所检出的病灶也并非都是致痫灶，致痫灶可位于病灶之中，也可位于其边缘，或与之分离，因此MR在致痫灶定位方面的作用是有限的。对于药物难治性癫痫患者，手术治疗是首选治疗方法，而致痫灶的确定需要多种检查方法结果一致，如VEEG、MR及PET-SPECT，才能确保定位准确及良好的预后。有研究表明，PET-MR同时获得解剖及功能影像的信息，可为定位致痫灶提供一定的帮助，而且由于MR可以提供精确的PET所示异常区域的解剖位置，对于发作间期定位不明的患者，可以于可疑区域安放颅内电极，进而提高对致痫灶的检出[30]。

PET-MR可对脑占位进行良恶性的鉴别诊断，如星形胶质细胞具有高氨基酸代谢率，有研究表明11C-甲硫氨酸11C-MET(methionine)PET-MR显像不仅有助于鉴别MR上分类不清的低级别或高级别的神经胶质瘤，还可为临床组织病理活检提示部位[31-33]。有研究表明，PET-MR可更为精确地识别脑胶质瘤的浸润范围，用其确定的范围作为照射靶区，在一定程度上避免了单纯依据CT-MR等解剖影像确定照射靶区所造成的误照及漏照[34]。此外，PET-MR还可为脑胶质瘤术后或放射治疗后复发与瘢痕水肿等的鉴别诊断提供帮助。

3.2 受体显像

神经受体显像是神经核医学的研究前沿，能够观察常规解剖影像无法观察的脑内微量受体的存在及其变化。目前，研究和应用比较多的神经受体主要有多巴胺受体(dopamine receptor)、乙酰胆碱受体(acetylcholine receptor)、5-羟色胺受体(5-serotonin receptor，5-HT receptor)、苯二氮卓受体(benzodiazepine receptor，BZ receptor)和阿片类受体(opioid receptor)。

3-氧-甲基-6-18氟-L-多巴(18F-FDOPA)是临床上最常用的多巴胺能神经受体显像剂，可通过血脑屏障进入脑内，被多巴脱羧酶脱羧变成L-6-18-F多巴胺分布于纹状体，是研究大脑突触前多巴胺能神经功能的正电子显像剂，用于早期帕金森病的鉴别诊断、病程评价及疗效评价等[35]。11C-甲基-N-2β-甲基酯-3β-(4-氟-苯基)托烷(11C-β-CFT)是多巴胺转运蛋白显像剂，可以评价脑内多巴胺转运蛋白(DAT)的功能状态, 主要用于研究和监测DA能神经系统变性、衰退紊乱相关的神经精神疾病, 如运动障碍性疾病和药物滥用成瘾等。

11C-氟马西尼(11C-FMZ)是苯二氮卓受体拮抗剂，可用于癫痫灶的定位及评价癫痫术后的效果。癫痫发作间期BZ受体显像可见病灶部位受体密度减低，在显示病变上较脑血流灌注断层显像为优，联合MRI可进一步提高病灶的检出率。11C-FMZ还可用于脑卒中后缺血半暗带，即经及时治疗后有可能被挽救的缺血脑组织区域的精确鉴别。大脑皮质中富含γ-氨基丁酸受体，其对缺血性损伤极为敏感，当缺血发生后，表面形态受损的神经元11C-FMZ与苯并二氮卓受体(BZR)结合显著下降，而功能虽受损但形态完整的神经元(缺血半暗带)则结合正常[21]。研究表明，在急性缺血性卒中时，11C-FMZ受体显像能更特异、更可靠地对缺血半暗带与不可逆性损伤组织进行早期精确鉴别，同时还能早期预测脑梗死恶性病程地发生，因而有助于选择适于急性介入治疗的患者和制订正确的治疗策略[22]。

18F-FNNDP是乙酰胆碱受体显像剂，可以通过血脑屏障与AD患者脑内的老年斑β-淀粉样蛋白(β-amyloid，Aβ)斑结合，其在脑内的滞留时间明显高于正常对照者，不仅可用于AD的诊断，还可对AD药物治疗后进行评价。5-羟色胺受体(5-HT)与精神焦虑、抑郁有关，研究发现单纯或轻度抑郁患者顶叶皮质放射性摄取增高，重度抑郁或躁狂-抑郁型精神病患者脑5-HT受体密度和亲和力降低，同时经抗抑郁药物治疗后，可观察到脑5-HT摄取增加。国外已使用11C-DPN、11C-CFN行脑阿片受体显像，用于吗啡类药物成瘾与依赖性以及药物戒断治疗的临床研究[36]。

此外，PET-MR显像还可了解血管再生抑制剂、免疫系统调节剂等药物治疗发挥作用时个体细胞代谢及生化信息的变化，因此其很可能成为研究新药的理想设备。在干细胞治疗研究方面，PETMR也具有较大的潜力，其可根据相关标记物追踪干细胞移动轨迹、是否存活及整合到受体组织[37-38]。

显像剂是核医学显像的“灵魂”。目前，能够用于神经系统疾病诊断的PET显像剂有很多种，并且还有很多新药在研发中，但如何获得具有特异性和靶向性的前体或分子探针，已成为PET-MR显像的研究难点及热点，同时也是影响PET-MR临床应用价值的主要因素。随着核素快速标记技术、分子生物学、核化学和分子药理学的迅猛发展，PETMR显象剂的研发取得长足的进展，并逐渐转向细胞代谢、细胞受体、细胞衰老和凋亡以及核酸和基因等方面，可以预见PET-MR具有广阔的临床应用前景，同样也面临巨大的科学挑战。

4 展望

PET-MR是随着科学技术的进步和临床与科研的需要应运而生，在神经系统、肿瘤诊断与分期、疗效评价以及儿童疾病诊断等领域有广泛的应用前景。尽管PET-MR显像目前研究报道较少，且仍然存在许多技术性的难题，特别是临床上尚有许多未知需要进一步分析和解答，但可以预期，PET-MR必将成为一种非常有价值的临床诊断方法，并对现代和未来医学模式产生革命性的影响。同时，PETMR图像集结构、功能和分子信息于一体，对核医学科医生阅片能力提出了更高的要求。

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PET-MR imaging in cranial nerve system disease: present applications and prospects for the future/

HAO Ke-ji, WANG Rong-fu//
China Medical Equipment,2017,14(4):13-17.

Single nuclear medicine functional imaging (including SPECT and PET) couldn’t fully meet the demand of clinical diagnosis because of its own limits, thus the multimodality imaging equipment integrated anatomical and functional images has became the development trend of the nuclear medicine and even the entire medical imaging. Following the earliest SPECT-CT and PET-CT which having been widely used in clinic, the newest PET-MR has also been applied to clinical practice. PET-MR combined MR images with PET function image is substantial to the clinical diagnosis of cerebral nervous system diseases, cardiovascular system diseases and tumor, etc. In this paper, we reviewed the current application situation and prospects of PET-MR in cerebral nervous system diseases.

Multimodality imaging; PET-MR; Nervous system; Molecular imaging; PET-CT

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.04.002

1672-8270(2017)04-0013-05

R816.4

A

2016-12-19

国家重大科学仪器设备开发专项(2011YQ03011409)“基于多模态分子影像技术的新型肿瘤新生血管靶向显像剂及治疗药物研究；国家“十二五”支撑项目(2014BAA03B03)“99Tcm-RRL新型靶向肿瘤新生血管放射性药物的实验研究”

①北京大学国际医院核医学科 北京 102206

②北京大学第一医院核医学科 北京 100034

*通讯作者：rongfu_wang@163.com

[First-author’s address] Department of Nuclear Medicine, Peking University International Hospital, Beijing 102206, China.