一体化PET/MR技术研究进展

刘鹏，富丽萍

中日友好医院 核医学科，北京 100029

引言

随着多模态成像设备的不断发展，正电子体层发射/核磁共振成像（Positron Emission Tomography/Magnetic Resonance，PET/MR）的产生是医学影像技术的又一次重大改革。PET/MR是将PET和MRI两种影像设备整合在一起形成的一种新设备，它能将体内组织器官代谢信息和精准的解剖信息融合成像。随着硬件结构、衰减校正方法、协同采集及图像重建等技术方法的不断进步，PET/MR在临床影像检查以及科学研究等方面发挥越来越重要的作用。本文对PET/MR的关键技术进展进行综述。

1 PET/MR的成像原理

一体化PET/MR是指将PET探测器嵌入MR设备中，实现PET和MR两个探测器同空间同时采集。一体化PET/MR突出特点是具有同一个机架、同一个扫描床和同一个扫描控制系统，并且它以同一参照系为标准，获得一致的解剖空间结构。一次扫描能够同时得到PET和MRI的图像，在功能和解剖数据采集上实现了真正的两机归一。

1.1 PET成像原理

PET通常由扫描机架、主机柜、操作控制台以及检查床组成，通过检测正电子核素标记的示踪剂在体内分布进行成像。核衰变过程中正电子从原子核内释放与自由电子碰撞湮灭，转化成一对方向相反、能量为511 keV的γ光子[1]。在光子对飞行方向上对置一对探测器，即可几乎同时接收到这两个光子。接收到光子的两个探测器单元之间的连线称为符合线（Line of Response，LOR），代表湮灭事例必定在这条直线上。通过环绕360°排列多组探测器，得到多对探测器连线上的一维信息，将这些信号向中心点反投影并进行数学处理，得到断层面示踪剂分布图像。

1.2 MR成像原理

MRI通常由主磁体、梯度线圈系统、射频线圈系统、计算机系统及辅助设备等五部分组成。由于原子核存在自旋和磁矩，在外加强磁场的作用下，质子磁矩方向统一。此时施加一个与质子进动频率相同的激励射频脉冲，质子吸收能量从低能状态跃迁到高能状态，这称为核磁共振现象。当射频脉冲停止后，吸收能量跃迁到高能级的质子释放吸收的能量，并回到平衡位置，这种过程就是弛豫。横向宏观磁化矢量逐渐消失，称为横向弛豫；纵向宏观磁化矢量回到平衡状态，称为纵向弛豫。原子核射频激励后恢复到基态的速率变化受分子结构和环境的影响。通过计算机重建探测野内各点的回波信号，显示体内结构特点[2]。

功能磁共振成像（functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI）是在常规MRI序列基础上发展起来的新成像技术，它不仅能够反映人体的生理病理过程，还可以提供动态和功能方面的信息，使MRI能够从细胞水平反映病理生理改变。在PET/MR中，常用的fMRI序列包括弥散加权成像（Diffusion Weighted Imaging，DWI）、动脉自旋标记成像（Arterial Spin Labeling，ASL），磁共振波谱成像（Magnetic Resonance Spectroscopy，MRS）以及血氧水平依赖功能磁共振成像（Blood Oxygenation Level Dependent functional Magnetic Resonance Imaging，BOLD-fMRI）等，均可用于肿瘤及神经系统疾病的基础及临床研究[3]。

2 一体化PET/MR设备的关键技术

PET/MR成像设备的发展由最初的分体式到插入式、完全集成式的飞跃，最终实现两种成像设备一体化的融合[4]。一体化的PET/MR极大程度上克服了PET和MR的互相干扰的问题，其构造及性能得到显著提升，真正实现了PET和MR同空间同时相采集数据。其基本结构由中心受检者向外依次分为：MR体线圈、PET晶体环、PET光电转换器件、MR梯度线圈、主磁场线圈和磁场屏蔽线圈[5]。

2.1 硬件结构

PET探测器主要是由闪烁晶体和光电转换元件组成，PET的闪烁晶体主要包括NaI（TI）晶体、BGO晶体和LSO晶体等。理想的PET晶体应该具有对511 keV射线的高阻止能力，闪烁光子衰减时间要短，光输出要高。早期的PET中光电转换元件为光电倍增管（Photo Multiplier Tube，PMT），但其在MR的磁场中无法工作，且体积较大，难以整合到MR的探测器中。最早替代PMT的是雪崩二极管（Avalanche Photo Diode，APD），也由此诞生了第一台PET/MR一体机，即西门子公司Biograph mMR。APD体积小、光电转换效率比PMT高，能在磁场中正常工作，但是其时间分辨率较差，无法使用TOF功能。随着探测器技术的不断发展，硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier，SiPM）逐渐取代了APD，SiPM对磁场敏感度更低，且时间、空间分辨力较APD高，可以使用TOF技术，进一步提高了PET的整体性能，与传统的PMT相比，SiPM的时间分辨率已提高至400 ps以内[6]。

随着闪烁晶体和光电转换元件的不断进步，目前西门子公司所研发的最新的一体化PET/MR探测器是由LSO晶体+APD组成，通过使用HD-PET晶体指纹技术可将全视野分辨率提高至2 mm，超过8000个晶体数量使其具有更高层次的空间分辨率；而GE公司最新的一体化PET/MR探测器是由LBS晶体和SiPM固态阵列光电转换器组成，使PET真正具备飞行时间技术，获得高光电转换增益、高灵敏度。MR性能方面的最新进展主要是MR静音成像，使其在不牺牲图像质量的情况下，MR噪音降低至60 dB水平，并在30 min内实现全身标准化快速扫描。此外，一体化透明体线圈的采用大幅降低γ光子衰减，保证了PET图像质量。

目前我国市场上一体式PET/MR厂商只有三家，每个厂家只有一种机型，其三家PET/MR主要性能参数如表1所示[7-8]。

表1 三家PET/MR主要性能参数

2.2 数据校正

2.2.1 运动伪影校正

运动伪影校正的意义在于避免患者因运动（移动或器官运动）而导致的小病灶变模糊而漏诊或病灶定位解剖错误等情况的出现[9]。传统的PET/MR通过PET和MR同步扫描，并外置门控设置来减少运动伪影的产生。一体化的TOF-PET/MR通过提供与呼吸周期不同时相匹配的MR衰减校正技术（MR Attenuation Correction，MRAC）来减少因呼吸运动产生的伪影，从而显著提高了胸部的图像质量。目前最新的一体化PET/MR通过协同采集方式，使MR特殊序列采集含生理运动信息，建立生理运动模型，来指引PET的重建。有效的呼吸及心跳运动抑制效果可以帮助PET图像显示更清晰，减少了运动伪影的产生，使其具备更高的临床可重复性。

2.2.2 衰减校正

PET显像受光子衰减和散射的影响，会造成图像质量和定量精度变差，需要通过衰减校正获得精确定量的图像[10]。PET/CT中CT图像不仅可以提供组织解剖信息，还可以获得衰减系数，进而对PET图像进行衰减校正。PET/MR中MR图像反映的是质子弛豫的时间和组织密度分布，与组织对射线的吸收无关，因此无法获得衰减系数对PET图像直接进行衰减校正。目前PET/MR中PET图像衰减校正方法主要是分割法、图谱配准法和基于发射数据重建法。

（1）分割法。分割法是使用不同的MR脉冲序列对组织成分（例如空气、脂肪、水）进行分割，分别赋予不同组织对511 keV进光子的吸收系数，然后对PET图像进行衰减校正。一种是采用2点Dixon序列将T1WI MR图像分割为空气、脂肪、软组织及肺部，采用连通区域分析法划分出肺组织，获得衰减系数对PET躯干图像进行衰减校正[11]。另一种采用超短回波时间序列（Ultrashort Echo Time，UTE）将颅骨、软组织及空气分割开，重建出衰减系数对PET头颅图像进行衰减校正[12]。但是使用UTE和Dixon序列的组织分割法的PET衰减校正在临床应用中容易产生多种伪影，包括颅脑局部热灶或冷灶、肺热灶、热气管征、金属及截断伪影等。在躯干扫描过程中，Dixon图像易受呼吸运动影响，错误地将肺组织或空气分割成软组织，造成衰减校正过度，PET图像出现假阳性，目前的解决方法是Dixon序列及PET数据采集时使用呼吸门控，并进行回顾性重建[13]。

（2）图谱配准法。根据图像模板来源不同，图谱配准法分为模板法和地图集法。模板法是通过多个组织图像整合处理，获得代表平均值的图像作为模板。地图集法是建立一个包含患者CT和MRI图像信息的数据库，将患者MR图像与MR模板进行配准，转化为伪CT图像，借助PET/CT的方法进行衰减校正[14]。然而，个体解剖结构差异的存在会影响校正的结果，即使通过不同年龄、性别、体型等建立的地图集来缩小个体差异，仍有些患者与标准范围相差较大。Oehmigen等[15]研究发现通过以骨模板的地图集法和截断校正可以提高PET/MR躯干成像中PET的定量，并且重建时间短，MRAC效果稳定。

（3）基于发射数据重建法。PET的发射数据中包含了组织衰减信息，而且MR图像提供了精细的组织结构和TOF技术的精确定位功能，可以准确的获取衰减图。此方法受个体差异影响比较小，但是目前仍有着许多不足。Pang等[16]研究发现在交替重建过程中放射性活度分布的自身特征会影响衰减系数的分布，从而影响衰减校正的准确性。目前临床上PET/MR大多使用组织分割法和地图集法的衰减校正，但是直接通过发射数据获得衰减图的方法仍有着不可替代的优势和前景。

衰减校正技术的不断发展是一体化PET/MR改革进步的主要方向。与传统PET/MR能够实现对空气、肺、脂肪、软组织这4种组织的分割方法不同，最新的五组织分割法实现了包含骨骼信息在内的MRAC衰减校正，从而进一步提升体部PET成像的精度，尤其在骨转移病变，骨骼周边病变等方面的发现和精准诊断上实现了质的飞跃[17]。另一种最新衰减校正方法是基于传统的UTE序列，利用零回波时间（Zero Echo Time，ZTE）扫描技术进行衰减校正[18]。ZTE采集极短的T2 MR信号，能够获得骨骼解剖结构（骨皮质），实现气腔、骨组织和软组织的分割，明显提高了MRAC精准度[19]。

2.3 协同采集

传统PET/MR系统能实现PET与MR同时同步采集，但呼吸、心跳等生理运动产生的伪影在一定程度上影响PET图像清晰度。一体化PET/MR协同采集是PET和MR两个探测器同时采集的过程中，MR特殊成像序列上含有时间信息的4D运动模型，为PET采集提供不同时相的基础解剖像，指引PET数据的采集与重建，使PET成像与MR成像实现协同配合的关系，采集过程不需要使用门控技术，不延长扫描时间，PET成像实现自动校正[20]。通过协同采集PET图像清晰度明显上升，病灶的定位更为精准，提升病灶区域的异常代谢信号强度与对比，对神经退行性疾病、体部肿瘤、心血管系统的多参数精准成像拥有巨大潜力[21]。

2.4 图像重建

飞行时间（Time-of-Flight，TOF）技术就是利用光子的时间差确定湮灭范围的技术，它与传统PET的最大区别在于它能够根据某个正电子的两个光子到达两端晶体的时间差来确定湮灭反应发生的范围。然而，由于目前的探测器时间分辨率不够高，仍需图像重建来获得放射性分布的图像。TOF技术的优势在于确定了湮灭范围，图像重建时不需要整条LOR线上的数据，只利用湮灭范围内的数据，避免了将整条LOR线上的噪声带入图像的弊端，从而显著提高了图像信噪比，提升了小病灶的检出率[22]。在保持图像质量的情况下，降低药物剂量的同时减少了采集时间[23]。另外，TOF技术还可以减少因体内金属植入物产生的金属伪影[24]。已有研究证实，TOF-PET/MR只需要PET/CT正电子药物剂量的40%就可以达到临床所接受的图像质量[25]，并且具有TOF技术的TOF-PET/MR可以将全身扫描时间缩短到15 min左右[26]。

点扩散函数（Point Spread Function，PSF）是PET图像迭代重建的一种新技术，其通过描述PET系统对点源的响应，整合数百万个精确测量的点扩展函数，在重建过程中，将响应线恢复至准确位置，能够明显提高图像信噪比与空间分辨率[27]。PET采用PSF的图像重建方法可以显著提高PET的图像边缘视野空间分辨率，使PET空间分辨率可以达到亚毫米水平，对于小病灶的诊断具有重要价值。已有研究发现，联合使用TOF和PSF可以显著提升图像重建效果[28]，并且有助于发现最大径＜10 mm的病灶[29]。

2.5 PET/MR的应用优势

（1）与CT相比，MR不存在电离辐射，更容易被病人接受。

（2）PET具有高灵敏度的优势，MR较CT具有高分辨软组织显像的特点，因此PET/MR在软组织肿瘤、神经系统、心脏疾病诊断等具有一定优势。

（3）一体化的PET/MR与PET/CT相比真正实现了同步采集，获得真正意义上的同时间、同空间的人体解剖、组织功能及分子代谢融合的图像[30]。

3 展望

目前，PET/MR尚处于起步阶段，还存在着一些问题没有彻底解决，如PET探测器影响MRI探测器的梯度和均匀性，MRI探测器会影响PET探测器的稳定性；另外，MRI横断面扫描视野比较小，对于较大体重的患者将影响PET图像的衰减校正，并且以MR图像对PET图像进行衰减校正的准确性还需要进一步验证。尽管PET/MR还有尚未解决的问题，但PET/MR一体机同步扫描、多参数成像仍有着独特的优势。在未来随着影像设备的不断发展，硬件和软件技术的不断提升，正电子核素显像药物的不断丰富，其在临床诊疗及基础机制研究等方面必然会发挥越来越重要的作用。