一体化PET/MR应用进展

祝安惠，张燕燕

(北京大学第三医院核医学科，北京 100191)

PET/MR是将PET和MR融为一体的影像学检查手段。PET/MR集PET功能成像和MR精准定位及多参数成像等优势于一体，随着图像重建、衰减矫正及伪影控制技术的提高，其扫描时间逐步缩短，辐射剂量进一步降低，在临床及科研中的应用领域逐年拓宽[1]。本文对一体化PET/MR的应用进展进行综述。

1 概述

随着影像融合技术的不断进步，PET/MR成像设备已由传统的分体式发展成为一体机，其构造及性能显著提升，克服了分体式PET/MR检查过程耗时长及无法实现同时扫描的不足。一体化PET/MR系统设计分为插入式、嵌入式及完全集成式3种方式[2]。①插入式：将PET探测器简单插入MR设备，但PET与MR信号相互干扰程度较大，导致PET性能下降；②嵌入式：将PET探测器置于MR发射线圈内，可实现同步扫描，但也导致MR孔径明显变小而仅可用于小动物或人体头部和四肢；③完全集成式：将PET探测器置入MR梯度线圈内，可节省磁体占据的空间，同时显著降低PET与MR互相干扰，使PET性能显著提高，可实现飞行时间(time of flight, TOF)技术，真正实现PET与MR等中心、相同容积和同步扫描，使PET/MR整体扫描时间明显缩短[3]。

1.1 硬件技术 影响一体化PET/MR性能的硬件技术主要为PET光电转换器、MR线圈性能及连续床位移动技术等。PET光电转换器有光电倍增管(photomultiplier tubes, PMT)、雪崩光电二极管(avalanche photo diode, APD)和硅光电倍增管(silicon photomultipliers, SiPM)。PMT对磁场敏感而不适用于PET/MR设备；APD对磁场不敏感，但噪声较大而导致能量和时间分辨率下降，在一体化PET/MR设备中已逐渐被SiPM取代。SiPM的光电转化率、时间和空间分辨率均较APD高，且工作电压低而增益高，可实现高度集成化，进一步提高PET的整体性能[4]。目前基于SiPM的TOF时间分辨率已提高至400 ps以内[5]。MR采用一体化相控阵表面线圈，配合连续床位移动技术，一次采集可同时获得全身高分辨率图像及T1W、T2W、质子加权和DWI等多序列图像，扫描速度明显提高[1]。

1.2 软件技术 为提高PET图像信噪比和对小病灶的检出率，一体化PET/MR软件技术的突破点主要在于图像重建和衰减校正方法。PET采用点扩展函数(point spread function, PSF)重建方法，可获得亚毫米分辨率。有学者[6]发现，对于最大径<10 mm的病灶，TOF联合PSF重建方法获得的标准摄取平均值和最大值均较单独使用TOF或PSF提高，提示基于TOF联合PSF重建方法的一体化PET/MR有利于检出最大径<10 mm的病灶。TOF技术可提高扫描速度及PET图像对比度，从而降低示踪剂用量[4]、提高图像质量[7]。

一体化PET/MR采用MR信息对PET图像进行衰减校正(MR attenuation correction, MRAC)[8]，包括提高组织分类、恢复人体轮廓和提高衰减校正图的准确性。准确地组织分类是精确计算衰减校正系数图的前提，目前MR通过水脂分离序列、图集技术及零回波技术可获得5种组织分类(气体、水、脂肪、软组织和骨骼)，联合应用上述技术可显著提高MRAC的可靠性、可重复性和准确性[9]。

1.3 伪影校正 一体化PET/MR伪影校正主要针对运动伪影及金属植入物相关伪影。PET和MR运动伪影校正技术可启动PET与MR同步扫描，包括外置门控(如呼吸、心电和指脉信号等)和MR自身导航技术。一体化TOF PET/MR不增加扫描时间即可提供与呼吸周期不同时相匹配的MRAC校正技术，可明显减少由呼吸运动导致的图像不匹配伪影，从而显著提高胸腹部图像质量[10]。TOF技术还可补偿金属植入物所致的PET信息丢失，提高MRAC的精确性[11]。

2 应用进展

2.1 肿瘤

2.1.1 肺癌 一体化TOF PET/MR的亚毫米级时间分辨力能有效消除运动伪影、显著提高图像分辨力。研究[12]表明，一体化TOF PET/MR能有效检出肺部病变，可应用于肺癌的临床分期。

2.1.2 乳腺癌 乳腺钼靶和超声难以判断致密腺体中可能存在的肿块。MR具有优越的软组织分辨力，可准确检出此类病变，且在显示乳腺癌胸壁侵犯方面具有明显优势。有研究[13-14]报道，俯卧位PET/MR乳腺成像中，双乳处于下垂状态，所提供的病变代谢、解剖细节及功能参数方面的信息均优于常规仰卧位PET/MR成像。

2.1.3 腹部及盆腔肿瘤 PET/MR有利于检出高分化肝癌、胃肠道神经内分泌肿瘤、女性生殖系统原发肿瘤、转移病变及腹腔小淋巴结[15]，还可准确评估胰腺癌的侵犯范围。有学者[1]采用11C或18F标记胆碱或68Ga-PSMA，发现PET/MR能清晰显示前列腺癌原发病灶的解剖细节，有助于指导穿刺活检。

2.1.4 神经系统肿瘤 PET/MR可获得病变的精细解剖细节及代谢信息，还可通过MR扩散张量成像、DWI、MRS等多参数成像获得肿瘤侵犯神经纤维束、肿瘤内部微环境变化及肿瘤化学成分变化的相关信息[16]，在手术或活检前精确定位肿瘤方面具有重要意义。

2.1.5 淋巴瘤 MR具有优越的软组织分辨率，不仅可发现局限在淋巴结的病变，还可有效检出骨髓、肌肉、腹部及盆腔脏器等的微小浸润灶。由于MR无辐射，适宜放化疗后再分期、疗效评估和远期随访，尤其是对射线敏感的儿童患者，更是理想的选择[17]。

2.1.6 骨转移瘤 MR快速自旋回波T1WI或Dixon同相位T1WI对骨髓浸润病变非常敏感，有助于检出早期骨转移瘤，同时可用于评估骨转移瘤放化疗疗效[18]。

2.2 非肿瘤病变

2.2.1 神经系统 一体化TOF PET/MR可提供脑组织精细化的解剖结构、脑血流量及脑功能等多方面的信息，实现PET绝对定量脑血流量，在早期诊断脑疾病(如脑血管病、痴呆、帕金森病及癫痫等)导致的脑血流量异常及预后判断中发挥重要作用[19]。Su等[20]发现，采用15O-PET图像衍生的动脉输入技术，PET/MR可绝对定量脑血流动力学参数(如脑血流量、血容量及脑氧代谢率)，且准确性与传统侵入性动脉血采样法相同，操作简单，可重复性强。一体化PET/MR能识别脑缺血时发生无氧糖酵解的组织，可用于观察缺血后神经炎症导致神经破坏和修复发生的机制。Lewis等[21]采用一体化52Mn PET/MR检查小鼠神经干细胞，为未来临床研究神经干细胞治疗技术及治疗策略提供影像学依据。

2.2.2 心血管系统 PET/MR辐射剂量低，具备良好的运动伪影矫正方法，同时心脏MR可提供精细的形态学信息，因此PET/MR在评价冠状动脉不稳定斑块、心功能、心肌灌注、心肌存活及心肌病等方面具有重要作用，有望成为心血管疾病的常规检查方法[22]。Robson等[23]采用自由呼吸衰减矫正成像方法和增加迭代次数的重建方法，应用18F-FDG和18F-NaF两种显像剂，获得冠状动脉炎症活动和微钙化的低剂量(7.2 mSv)PET/MR图像。新型示踪剂18F-galacto-RGD可用于评估冠状动脉斑块炎症及再生血管。

3 技术挑战与展望

有学者[24]提出，MR不同序列检测肺部病变的效能不同，故优化MR采集序列可提高PET/MR的检测效能。多项研究[25-26]显示，ADC值和SUV值是诊断宫颈鳞癌的独立指标，以ADC值评价恶性程度分级较SUV值更敏感，提示以DWI作为PET/MR常规扫描序列可为诊断及制定放疗计划提供参考信息。国内已有学者制定了神经系统PET/MR检查规范[27]及护理流程[28]，但国内一体化PET/MR应用尚处于起步阶段，仍需进一步规范扫描方案。

PET主要采用18F-FDG为探针，18F-FDG在多数恶性肿瘤中均表现为不同程度摄取增高。MR可通过多参数和多序列扫描来提高组织分辨率。采用18F-FDG可能导致漏检18F-FDG摄取阴性或MRI常规成像缺乏良好对比的病变或组织，故研制既适用于MR又适用于PET的新型探针，将有助于进一步拓宽PET/MR的应用范围。

[1] Spick C, Herrmann K, Czernin J.18F-FDG PET/CT and PET/MRI perform equally well in cancer: Evidence from studies on more than 2,300 patients. J Nucl Med, 2016,57(3):420-430.

[2] Delso G, Ziegler S. PET/MRI system design. Eur J Nucl Med Mol Imaging, 2009,36(Suppl 1):S86-S92.

[3] Levin CS, Maramraju SH, Khalighi MM, et al. Design features and mutual compatibility studies of the time-of-flight PET capable GE SIGNA PET/MR system. IEEE Trans Med Imaging, 2016,35(8):1907-1914.

[4] Oehmigen M, Ziegler S, Jakoby BW, et al. Radiotracer dose reduction in integrated PET/MR: Implications from National Electrical Manufacturers Association phantom studies. J Nucl Med, 2014,55(8):1361-1367.

[5] Grant AM, Deller TW, Khalighi MM, et al. NEMA NU 2-2012 performance studies for the SiPM-based ToF-PET component of the GE SIGNA PET/MR system. Med Phys, 2016,43(5):2334.

[6] Shang K, Cui B, Ma J, et al. Clinical evaluation of whole-body oncologic PET with time-of-flight and point-spread function for the hybrid PET/MR system. Eur J Radiol, 2017,93(8):70-75.

[7] Kolb A, Sauter AW, Eriksson L, et al. Shine-through in PET/MR imaging: Effects of the magnetic field on positron range and subsequent image artifacts. J Nucl Med, 2015,56(6):951-954.

[8] Leynes AP, Yang J, Shanbhag DD. Hybrid ZTE/dixon MR-based attenuation correction for quantitative uptake estimation of pelvic lesions in PET/MRI. Med Phys, 2017,44(3):902-913.

[9] Sekine T, Burgos N, Warnock G, et al. Multi-atlas-based attenuation correction for brain18F-FDG PET imaging using a time-of-flight PET/MR scanner: Comparison with clinical single-atlas- and CT-based attenuation correction. J Nucl Med, 2016,57(8):1258-1264.

[10] Delso G, Khalighi M, Ter Voert E, et al. Effect of time-of-flight information on PET/MR reconstruction artifacts: Comparison of free-breathing versus breath-hold MR-based attenuation correction. Radiology, 2017,282(1):229-235.

[11] Defrise M, Rezaei A, Nuyts J. Time-of-flight PET data determine the attenuation sinogram up to a constant. Phys Med Biol, 2012,57(4):885-899.

[12] Minamimoto R, Iagaru A, Jamali M, et al. Conspicuity of malignant lesions on PET/CT and simultaneous time-of-flight PET/MRI. PLoS One, 2017,12(1):e0167262.

[13] Schaarschmidt BM, Grueneisen J, Metzenmacher M, et al. Thoracic staging with18F-FDG PET/MR in non-small cell lung cancer-does it change therapeutic decisions in comparison to18F-FDG PET/CT? Eur Radiol, 2017,27(2):681-688.

[14] Cho IH, Kong EJ. Potential clinical applications of18F-Fluorodeoxyglucose positron emission tomography/magnetic resonance mammography in breast cancer. Nucl Med Mol Imaging, 2017,51(3):217-226.

[15] Oprea-Lager DE, Yaqub M, Pieters IC, et al. A clinical and experimental comparison of time of flight PET/MRI and PET/CT systems. Mol Imaging Biol, 2015,17(5):714-725.

[16] Heiss WD. Hybrid PET/MR imaging in neurology: Present applications and prospects for the future. J Nucl Med, 2016,57(7):993-995.

[17] Afaq A, Fraioli F, Sidhu H, et al. Comparison of PET/MRI with PET/CT in the evaluation of disease status in lymphoma. Clin Nucl Med, 2017,42(1):e1-e7.

[18] Eiber M, Takei T, Souvatzoglou M, et al. Performance of whole-body integrated18F-FDG PET/MR in comparison to PET/CT for evaluation of malignant bone lesions. J Nucl Med, 2014,55(2):191-197.

[19] 单艺，卢洁，李坤成．一体化PET/MR评估脑血流量的研究进展．中国医学影像技术，2017，33(8)：1269-1272．

[20] 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.

[21] Lewis CM, Graves SA, Hernandez R, et al.52Mn production for PET/MRI tracking of human stem cells expressing divalent metal transporter 1 (DMT1). Theranostics, 2015,5(3):227-239.

[22] Kero T, Nordström J, Harms HJ, et al. Quantitative myocardial blood flow imaging with integrated time-of-flight PET-MR. EJNMMI Phys, 2017,4(1):1.

[23] Robson PM, Dweck MR, Trivieri MG, et al. Coronary artery PET/MR imaging: Feasibility, limitations, and solutions. JACC Cardiovasc Imaging, 2017,10(10 Pt A):1103-1112.

[24] Rasmussen JH, Nørgaard M, Hansen AE, et al. Feasibility of multiparametric imaging with PET/MR in head and neck squamous cell carcinoma. J Nucl Med, 2017,58(1):69-74.

[25] 王鹏远，辛军，孙洪赞，等．18FDG-PET/MR观察宫颈鳞状细胞癌ADC值与SUV的相关性．中国医学影像技术，2014，30(4)：603-607．

[26] Huellner MW, Appenzeller P, Kuhn FP, et al. Whole-body nonenhanced PET/MR versus PET/CT in the staging and restaging of cancers: Preliminary observations. Radiology, 2014,273(3):859-869.

[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).中国医学影像技术，2017，33(5)：795-798.

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