Progresses of hybrid PET/MR in quantificative evaluation of cerebral blood flow

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(Department of Radiology, Xuanwu Hospital of Capital Medical University, Beijing Key Laboratory ofMagnetic Resonance Imaging and Brain Informatics, Beijing 100053, China)

Progresses of hybrid PET/MR in quantificative evaluation of cerebral blood flow

SHANYi，LUJie*，LIKuncheng

(DepartmentofRadiology,XuanwuHospitalofCapitalMedicalUniversity,BeijingKeyLaboratoryofMagneticResonanceImagingandBrainInformatics,Beijing100053,China)

The hybrid PET/MR has a unique advantage of simultaneous scanning of both PET and MRI images, which has been gradually applied in clinical practice. In the clinical studies of severe brain diseases (such as cerebrovascular disease, brain tumor and epilepsy), accurate quantification of cerebral blood flow (CBF) can help to understand the etiology, pathogenesis, and to make early diagnosis as well as therapeutic solutions. The hybrid PET/MR can implement a noninvasive, convenient and accurate method of arterial input function for quantification of CBF. The application of the hybrid PET/MR in quantification of cerebral blood flow were reviewed in this article.

Magnetic resonance imaging; Positron-emission tomography; Cerebral blood flow

脑血流量(cerebral blood flow, CBF)对维持脑组织功能和代谢水平起决定性作用，精准定量CBF对脑部重大疾病的早期诊断、评估病情、制定诊疗方案及评价疗效具有重要价值。一体化PET/MR具有同步扫描的独特优势，一次扫描可同时获得PET和MRI图像，并可实现图像的精确配准、融合，为定量评估CBF提供了新方法。本文对一体化PET/MR评估CBF的研究进展进行综述。

1 CBF的概念及其临床意义

1.1CBF的概念 CBF指每100 g脑组织单位时间内通过的血流量，是脑灌注成像最常用的参数之一。脑灌注成像可评价血流通过毛细血管网、将携带的氧气及营养物质输送至脑组织并加以利用的过程，反映特定脑区的血流动力学状态及功能。CBF的升高或降低直接反映脑组织功能代谢水平。

1.2定量CBF的临床意义 脑部重大疾病如缺血性脑卒中、阿尔茨海默病(Alzheimer disease, AD)、癫痫、脑肿瘤等，均可因局部血脑屏障被破坏等病理生理学改变导致CBF异常。对于急性缺血性脑卒中患者，准确定量CBF能区分脑内不可逆的中心梗死区及可挽救的缺血半暗带，有利于临床及时进行溶栓治疗；对于慢性脑动脉硬化性狭窄或闭塞患者，CBF异常提示血管自我调节能力失代偿，发生脑梗死的概率增高；评估无症状高危人群的CBF，可有助于进行恰当的临床干预[1]。CBF是AD早期诊断、判断预后的重要生物学标志，研究[2]发现，AD患者额叶、颞叶及海马等部位的脑灌注下降，并与其病理改变密切相关。对于癫痫患者于发作期和发作间期联合评估CBF有助于定位致痫灶，对显示致痫灶向功能脑区的播散具有高敏感度[3]。定量CBF还可用于脑肿瘤良恶性的鉴别诊断及病理分期预测，对制定手术方案及预后判断有重要作用[4]。

2 常用评估CBF的影像学方法

2.1 CT检查 检查方法有CT灌注成像(CT perfusion, CTP)及氙CT(Xe-CT)。CTP通过对比剂在脑组织通过的时间—密度曲线间接计算CBF，优势为空间分辨率高，简单易行，成像时间短，费用较低，适于急诊检查；不足为有射线辐射、对比剂过敏等风险，且不同机器的算法不同导致难以标准化定量分析[5]。Xe-CT以稳定的、可通过血脑屏障弥散入脑的氙气作为扩散性示踪剂定量分析CBF，优势为准确率高，不足为设备普及率极低，且患者对氙气耐受性差，可出现呼吸暂停、头痛、恶心及呕吐等不良反应[1]。

2.2 MR检查 MR灌注加权成像(perfusion weighted imaging, PWI)根据是否应用外源性对比剂分为2类：①外源性示踪剂灌注成像：常用方法为动态磁敏感对比增强，采用静脉快速团注顺磁性对比剂首次通过脑组织引起T2弛豫率变化的原理获得时间—信号强度曲线，并将其进一步换算为时间—对比剂浓度曲线，计算获得相对CBF。优势为图像信噪比高，组织结构显示清晰，不足为有对比剂过敏风险，且受不同机器场强、后处理算法等因素影响，难以实现CBF的绝对定量，一般采用半定量的分析方法[6]。②内源性示踪剂灌注成像：常用方法为动脉自旋标记(arterial spin labeling, ASL)技术，是以水质子作为内源性示踪剂获得CBF的检查技术。优势为完全无创，不需注入对比剂，参数计算简单；不足为信噪比和空间分辨率低、检查时间长，尚未进入临床应用[7]。MR灌注检查简单安全，可行性高，并因其不存在放射性的独特优势具有临床应用前景[8]。

2.3 放射性示踪剂检查 检查方法有单光子发射计算机断层扫描(single-photon emission computed tomography, SPECT)和正电子发射型计算机断层扫描(positron emission computer tomography, PET)[9-10]，均为通过向人体内注入放射性核素获得浓度随时间变化的时间—放射性浓度曲线，可精准定量CBF。SPECT优势为示踪剂价格较低，常用的示踪剂有133Xe，99mTc-HMPAO和99mTc-ECD等，使用方便；不足为空间分辨率过低，扫描时间长。PET是定量CBF的“金标准”[9]，常用示踪剂为15O-H2O和13N-NH3，优势为可精准定量CBF，不足为：①其所依赖的算法模型需连续采集被试的动脉血，并离心处理后测定血浆放射性比活度，从而获得示踪剂浓度随时间变化的动脉输入函数(arterial input function, AIF)，过程复杂、耗时、有创，需在桡动脉置入导管行连续采血，不适用于危重患者，且可导致局部血栓形成或其他缺血性相关并发症，不易被患者接受；②示踪剂成本高且半衰期短(122 s)。研究[11]发现注射示踪剂18F-FDG 2 min后迅速行PET扫描可获得肿瘤的血流量，35～50 min后再行PET扫描还可获得病变的代谢信息，其结果与“金标准”15O-H2O显著相关，有望弥补15O-H2O示踪剂的不足。PET的新算法模型如图像衍生动脉输入函数(imaged-derived arterial input function, IDAIF)法不需动脉采血，但需于图像上准确定位颈内动脉或其他颅内动脉以设定感兴趣区获得动脉血的时间—活性曲线(time activity curve, TAC)定量CBF。但PET图像空间分辨率低，无法精准定位血管，导致IDAIF的应用受限[12-15]。

3 一体化PET/MR在定量CBF中的应用

3.1 优势 一体化PET/MR将PET和MRI融合，于相同机架、扫描床和控制系统下实现同步获取PET和MRI图像。MR检查空间分辨率高、无辐射、软组织对比度佳、检查序列丰富，而PET检查能提供脑血流量、脑细胞代谢、受体状态、转运蛋白活性等多种分子生物信息。一体化PET/MR可实现结构、功能及分子影像信息于时间、空间上的最佳配准，适用于需要多模态成像的神经系统疾病[16-17]。

PET是定量CBF的“金标准”[9]，但由于传统采血法患者难以接受，无法临床普及应用；IDAIF法安全无创，但需PET和MRI图像配准，定位颈内动脉以获得AIF，若患者分别进行PET和MR 2种检查，图像后处理复杂，并可因床位移动而出现配准误差。一体化PET/MR具有同步扫描的独特优势，一次扫描可同时获得PET和MRI图像。MRI高分辨率解剖图像能较好地显示颈内动脉，可用于勾画感兴趣区。PET和MRI 2种图像于空间、时间上的精确配准融合，无需后处理就可获得准确的AIF，通过应用IDAIF新算法模型即可无创、安全、简便地获得绝对定量CBF，不仅可验证PWI、ASL等方法与金标准PET的一致性，更可应用于脑疾病的临床研究，对揭示疾病的发病机制、早期诊断、指导治疗、判断预后等方面具有重大意义[18]。

3.2 研究进展 应用一体化PET/MR定量CBF的研究热点集中于验证IDAIF法的准确率及其临床应用的可行性。Fung等[19]采用示踪剂为15O-H2O的PET成像检查9名正常人发现，通过与MRI T1WI图像配准，应用IDAIF法测量的CBF与传统采血法结果一致，证实IDAIF可获得CBF绝对值。Su等[20]采用示踪剂为15O-H2O的PET成像及MR成像分别检查正常人发现，并对PET和MRI血管图像行后处理配准，结果显示采用PET IDAIF法测量的CBF与传统采血法的结果一致，但非同步的PET和MR定量CBF的结果可因设备分辨率、受试者身体移动等因素产生较大误差。Su等[21]分别应用IDAIF法和AIF法于示踪剂为15O-O2、15O-CO的一体化PET/MR与PET中定量CBF，发现一体化PET/MR极大地提高了IDAIF法测量CBF的可重复性，且图像信噪比高，同步扫描流程简单，提示15O示踪剂是无创定量CBF的理想影像手段。Khalighi等[22]应用示踪剂为15O-H2O的一体化PET/MR发现，示踪剂的最优注射剂量为850 MBq，同时发现IDAIF法能准确显示老年人CBF的降低及药物负荷后CBF的增高，提示IDAIF法定量CBF的准确率和可重复性高。

Stegger等[23]针对一体化PET/MR的PET探测器线圈是否会对ASL射频脉冲造成影响、降低ASL序列的信噪比、干扰MR图像的视场等问题进行研究，发现一体化PET/MR的ASL序列获得的定量CBF图无图像伪影，且信噪比和准确率高。Zhang等[24]应用一体化PET/MR比较15O-H2O PET与ASL定量正常人CBF的一致性，发现PET的全脑CBF均值为(43.3±6.1)ml/(100 g·min)，与ASL的结果(51.9±7.1)ml/(100g·min)相关，2种方法分别得到的灰质与白质的CBF比值接近(3.0和3.4)，但ASL的大脑皮层局部CBF值高于PET。一体化PET/MR同步PET、ASL扫描，避免了时间、生理或功能等方面的误差，能实现同一状态下2个CBF值的比较，对优化定量CBF的影像学方法有重要意义。Andersen等[25]应用一体化PET/MR探讨低剂量、无创的15O-H2O PET及无辐射的ASL对临床新生儿CBF定量的可行性，发现低剂量的IDAIF法可应用于定量新生儿CBF，但结果与传统采血法比较有较大差异(22%)；ASL在静息状态下定量全脑CBF的结果与传统抽血PET方法一致，但在药物负荷状态下两者结果差异较大(24%)。Werner等[26]应用一体化PET/MR扫描急性脑卒中患者与动物脑缺血模型，比较PWI与PET定量CBF的一致性，发现两者的结果具有较大的个体差异，且急性脑卒中患者的个体差异比动物模型显著，提示一体化PET/MR对临床早期脑缺血的诊断及预后评估有重要意义。

综上所述，虽然目前评估CBF的影像学方法较多，但仍缺乏无创、简单、精准定量CBF的最佳方法。一体化PET/MR具有同步扫描PET及MRI图像的独特优势，有望在绝对定量CBF方面取得突破性进展，对探究脑部重大疾病的发病机制、临床诊断及预后判断有重要意义[27-28]。

[1] Hage ZA, Alaraj A, Arnone GD, et al. Novel imaging approaches to cerebrovascular disease. Transl Res, 2016,175:54-75.

[2] Zhao Q, Chen X, Zhou Y. Quantitative multimodal multiparametric imaging in Alzheimer's disease. Brain Inform, 2016,3(1):29-37.

[4] Griffith B, Jain R. Perfusion imaging in neuro-oncology: Basic techniques and clinical applications. Magn Reson Imaging Clin N Am, 2016,24(4):765-779.

[5] Heit JJ, Wintermark M. Perfusion computed tomography for the evaluation of acute ischemic stroke: Strengths and pitfalls. Stroke, 2016,47(4):1153-1158.

[6] Ferré JC, Shiroishi MS, Law M. Advanced techniques using contrast media in neuroimaging. Magn Reson Imaging Clin N Am, 2012,20(4):699-713.

[7] Telischak NA, Detre JA, Zaharchuk G. Arterial spin labeling MRI: Clinical applications in the brain. J Magn Reson Imaging, 2015,41(5):1165-1180.

[8] Jahng GH, Li KL, Ostergaard L, et al. Perfusion magnetic resonance imaging: A comprehensive update on principles and techniques. Korean J Radiol, 2014,15(5):554-577.

[9] Wintermark M, Sesay M, Barbier E, et al. Comparative overview of brain perfusion imaging techniques. Stroke, 2005,36(9):e83-e99.

[10] Coles JP. Imaging of cerebral blood flow and metabolism. Curr Opin Anaesthesiol, 2006,19(5):473-480.

[11] Mullani NA, Herbst RS, O'Neil RG, et al. Tumor blood flow measured by PET dynamic imaging of first-pass 18F-FDG uptake: A comparison with15O-labeled water-measured blood flow.J Nucl Med, 2008,49(4): 517-523.

[12] Zanotti-Fregonara P, Chen K, Liow JS, et al. Image-derived input function for brain PET studies: Many challenges and few opportunities. J Cereb Blood Flow Metab, 2011,31(10):1986-1998.

[14] 张乐,孙洪赞.PET/MRI多模态成像预测肿瘤放化疗疗效研究进展.中国医学影像技术,2017,33(1):137-140.

[15] Zanderigo F, Ogden RT, Parsey RV. Noninvasive blood-free full quantification of positron emission tomography radioligand binding. J Cereb Blood Flow Metab, 2015,35(1):148-156.

[16] Carrio I, Ros P. PET/MRI方法和临床应用//赵国光，卢洁，译.北京：人民军医出版社，2015:112-124.

[17] Bisdas S, Lá Fougere C, Ernemann U. Hybrid MR-PET in neuroimaging. Clin Neuroradiol, 2015,Suppl 2:275-281.

[18] Richard MA, Fouquet JP, Lebel R, et al. MRI-guided derivation of the input function for PET kinetic modeling. PET Clin, 2016,11(2):193-202.

[19] Fung EK, Carson RE. Cerebral blood flow with [15O] water PET studies using an image-derived input function and MR-defined carotid centerlines. Phys Med Biol, 2013,58(6):1903-1923.

[20] Su Y, Arbelaez AM, Benzinger TL, et al. Noninvasive estimation of the atrial input function in positron emission tomography imaging of cerebral blood flow. J Cereb Blood Flow Metab, 2013,33(1):115-121.

[21] Su Y, Vlassenko AG, Couture LE, et al. Quantitative hemodynamic PET imaging using image-derived arterial input function and a PET/MR hybrid scanner. J Cereb Blood Flow Metab, 2017,37(4):1435-1446.

[22] Khalighi MM, Deller TW, Fan AP, et al. Image-derived input function estimation on a TOF-enabled PET/MR for cerebral blood flow mapping. J Cereb Blood Flow Metab, 2017 Jan 1. [Epub ahead of print].

[23] Stegger L, Martirosian P, Schwenzer N, et al. Simultaneous PET/MR imaging of the brain: Feasibility of cerebral blood flow measurements with FAIR-TrueFISP arterial spin labeling MRI. Acta Radiol， 2012,53(9):1066-1072.

[24] Zhang K, Herzog H, Mauler J, et al. Comparison of cerebral blood flow acquired by simultaneous [15O]water positron emission tomography and arterial spin labeling magnetic resonance imaging. J Cereb Blood Flow Metab， 2014,34(8):1373-1380.

[25] Andersen JB, Henning WS, Lindberg U, et al. Positron emission tomography/magnetic resonance hybrid scanner imaging of cerebral blood flow using (15)O-water positron emission tomography and arterial spin labeling magnetic resonance imaging in newborn piglets. J Cereb Blood Flow Metab, 2015,35(11):1703-1710.

[26] Werner P, Saur D, Zeisig V, et al. Simultaneous PET/MRI in stroke: A case series. J Cereb Blood Flow Metab, 2015, 35(9):1421-1425.

[27] 卢洁，张苗，方继良，等.一体化PET/MR颅脑成像检查规范(2017版).中国医学影像技术，2017，33(5):791-794.

[28] 韩斌如,帅冬梅,方继良,等.一体化PET/MR检查临床护理操作规范(2017版).中国医学影像技术,2017,33(5):795-798.

关键词

关键词又称主题词，是位于摘要之后，在论文中起关键作用的、最能说明问题的、代表论文特征的名词或词组。它通常来自于题目，也可以从论文中挑选。一般每篇论文要求2～5个关键词。每个关键词都可以作为检索论文的信息，若选择不当，会影响他人的检索效果。医学上现在主要使用美国《医学索引》(Index Medicus)的医学主题词表(Medical Subject Headings, MeSH)最新版作为规范，亦可参考中国医学科学院情报研究所翻译地英汉对照《医学主题词注释字顺表》。非主题词表的关键词为自由词，只有必要时，才可排列于最后。有些新词也可选用几个直接相关的主题词进行搭配。

国家自然科学基金面上项目(81671662)、国家重点研发计划项目(2016YFC0103001)、北京市医院管理局重点医学专业发展计划(ZYLX201609)。

单艺(1990—)，女，北京人，硕士，医师。研究方向：脑血管病的磁共振诊断。E-mail： shanyiedu@hotmail.com

卢洁，首都医科大学宣武医院放射科 北京磁共振成像脑信息学北京市重点实验室，100053。E-mail： imaginglu@hotmail.com

2016-02-22

2017-06-10

一体化PET/MR评估脑血流量的研究进展

单 艺，卢 洁*，李坤成

(首都医科大学宣武医院放射科 北京磁共振成像脑信息学北京市重点实验室，北京 100053)

一体化PET/MR技术具有一次扫描可同时获得PET和MRI图像的独特优势，目前已逐步应用于临床。准确定量分析脑血流量(CBF)对研究脑血管病、脑肿瘤、癫痫等脑部重大疾病的发病机制及临床转归具有重要价值。一体化PET/MR可实现无创、简便、准确获得动脉输入函数，从而精准定量CBF。本文对一体化PET/MR评估CBF的研究进展进行综述。

磁共振成像；正电子发射体层摄影术；脑血流

R445.2；R817.4

A

1003-3289(2017)08-1269-04

10.13929/j.1003-3289.201702090