PET-MRI研制进展及展望

1、.PET/MRI研制进展及展望许震生 谭海波 管一晖复旦大学附属华山医院PET中心（上海 200235）内容摘要：PET/MRI的出现必将对分子影像学的发展产生深远影响，本文就目前PET/MRI研制存在的问题和进展情况做一综述，并展望其潜在的临床和科研价值。关键词：PET/MRI 分子影像学 全景成像矩阵Progress and prospects of PET/MRI imagingXU Zhen-sheng PET Center,Huashan Hospital,Fudan University (Shanghai 200235)Abstract: With the development

2、 of nuclear technology ,PET/MRI would have far reaching consequences for molecular imagingThis article will talk about the problems met in the development of PET/MRI and describe the progress to date and look forward to its potential applicationKey words: PET/MRI Molecular imaging Total imaging matr

3、ix 刚刚迈入 2 1世纪 ,许多新的仪器、新的学科、新的思维就向我们迎面扑来 ,传统核医学已突破了原先自身的框架而与其他学科相结合，而其他学科也已渗透到核医学领域。最突出的新学科是分子影像学(molecular imaging),分子影像学是医学影像技术与分子生物学相结合的产物,涉及物理、化学、核医学、影像学、计算机等多门学科。它在分子生物学与临床医学之间架起了相互连接的桥梁，被认为是未来最具有发展潜力的十个医学科学前沿领域之一。从临床角度看 ,分子影像学的内涵是借助现代影像学技术,从分子水平研究和观察疾病的发生、发展中病理生理变化和代谢功能改变，使得传统的医学诊断方式发生了革命性变化，而代

4、表分子影像学最前沿的仪器就是PET/MRI。随着PET/MRI的出现，融合二字的含义也将更加广泛,不仅是两幅图像、两种（或多种）机器、设备的融合 ,而是多功能、多学科、多种人才的融合。这些对传统核医学既是机遇 ,又是挑战。本文就PET/MRI研制进展与潜在的临床科研价值做一综述。一、PET/MRI研制进展及存在的问题二十世纪初PET/CT的研制成功，很快就进入了临床应用，实践表明PET/CT在临床和科研中均具有十分重要的价值，尤其是在对肿瘤的诊断分期和疗效评价等方面。CT在与PET图像融合后，临床应用方面取得了明显的成功，而作为医学影像学必不可少的组成部分，MRI同样是经过证实的非常有用的临床

5、诊断工具，与CT相比MRI在反映解剖形态和生理功能信息方面具有无可比拟的优越性，PET则能够极为敏感和准确地探测到人体组织新陈代新方面的异常。如果能够将这两种技术在可同步采集数据的系统中融合，则可获得人体有关结构、功能和代谢等方面的全方位信息，对于改进疾病的诊断和治疗具有重要价值（图1）。图1 PET/MRI显像技术提供的解剖、生理、生化信息但PET/MRI的开发与PET/CT相比要缓慢的多，因为PET和MR的融合存在一些技术上的挑战，包括避免磁共振高磁场的不良影响、PET和MR射频场的互相影响及有关材料的研发等。但鉴于MRI较CT的一些独特优势，如没有射线、软组织对比度高、能提供形态学以外的

6、功能信息等，人们依然一直致力于PET/MRI的研究。1、PET/MRI一体机研制的最主要挑战是需要开发一种PET探测模块，既能在强磁场中正常工作，又不会影响磁共振影像，还能承受射频场的影响。传统PET的探头采用的是光电倍增管(photomultiplier tube，PMT)，由于磁场会使电子偏离原先的运动轨迹而导致PMT探测电子的损失，即使很微弱的磁场也足以改变PMT的增益，因此PMT在磁场中不能正常工作。目前研制的PET/MRI系统主要采用两种方法来解决这个问题。第一种方法：保留传统的对磁场敏感的PMT而调整PET和MR系统的其他特性，这也是早期研发磁共振兼容的PET所采用的方法。此法采用

7、35m长的光纤将磁场内闪烁晶体产生的光子传输至放置在磁场外的PMT和电子元件，通过将闪烁体晶体放置磁场中而所有PET数据读取电子元件在磁场外可将电磁场的互相干扰(electromagnetic interference，EMI)作用最小化1-3。第二种方法：采用对磁场不敏感的光子探测器，如雪崩光电二极管(avalanche photodiodeAPD)代替传统的对磁场敏感的PMT。经高达94T磁场的测试，APD未出现任何性能降低4。因此，APD探头为PETMR的成功研制提供了可能（图2）。图2 使用APD技术的PET/MRI探头结构示意图2、MR孔径大小的影响常规磁体孔径的MR设备也无法提供足

8、够空间来容纳PET的组件。因此，早期PET/MRI成像实际上只是停留在PET与MR图像软件融合成面。近期，Siemens公司研制了一种70cm大孔径磁体和紧凑型、快速高性能LSO晶体PET探测器，同时还开发了特殊的屏蔽系统来有效消除磁场对于PET数据处理链的干扰。为了获得足够充分的PET信号，相关的组件（例如线圈和扫描床）使用了低衰减材料；并且在MR扫描的同时进行 PET信号的衰减校正，增加了诊断结果的可靠性。3、MR线圈及扫描范围的限制：PET的一个很重要的优势就是全身显像，因此PET/MRI的一个重要应用领域也是全身显像。而常规的MRI，由于线圈及扫描范围的限制，一次只能扫描一个部位，如需

9、全身检查，则需对多个部位重新摆位和放置线圈。如想行全身MRI，必须开发一种显像速度快且无需更换线圈和重新摆位的MRI。随着全景成像矩阵(total imaging matrix，TIM)技术的出现，人们首次实现了从头顶到脚趾的全身MR扫描，并能获得了高分辨率的图像。TIM技术的特点是革命性的矩阵线圈概念，它允许在32个射频信道中最多组合102个线圈元件，通过增长的并行接收链来形成全身成像矩阵、自动病床移动、自动线圈开关控制以及在线技术，无需患者或线圈重新摆位，可提供极其准确和大量信息的全身MRl影像，数据一次采集完成。2007年推出了第一台脑PET/MRI设备并成功用于临床，短短数年多篇文献报

10、道说明了PET/MRI的临床价值5-6。而仅仅是神经系统对于一个临床仪器显然是不够的，全身PET/MRI的研究仍在继续进展，继分体的PET、MR系统后，近期全身PET/MRI的研制获得了突破性进展，2010年第96届RSNA上Siemens推出了一款Biograph mMR成像系统（图3）。该系统为3T MR和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，被认为全球首款全身型PET/MRI一体机。图3 全身型PET/MRI一体机Biograph mMR成像系统二、与其他影像学设备比较PET/MRI所具有的优势 在同一个机架上，通过一次扫描得到融合MR和PET信息的

11、全身成像，对于医学影像学的未来意义非凡。更关键的是，这能够获得事半功倍的效果，PET/MRI将生命影像诊断技术带入全新的时代。作为未来医学影像设备发展的重要方向，PET/MRI具备其他任何产品所不具备的优势，简单说来包括以下方面：1.提高诊断的准确性：同时兼备MR高空间分辨率和高组织分辨度的特点，与PET的高探测灵敏度和高示踪特异性相结合，可为显著提高临床诊断的准确性（图4）。图4 高清晰的脑部、胸部及上腹部PET/MRI图像2.没有辐射：PET/MRI较PET/CT还有一个很大的优势，即没有辐射，因此PET/MRI较PET/CT更适合用于无症状人群的肿瘤筛查。对于患者则可以多次进行检查。3.

12、成像优势:(1)减少扫描时间：由于该系统可在PET扫描过程中同时进行MR信号的采集，因此可极大缩短患者扫描时间。初步研究表明，新型全身PET/MRI可在30分钟内完成全身综合性扫描，获得全部MR和PET的图像。而传统的MR和PET分别检查，则需要至少1个小时或更长时间。这对于医院工作流程和患者检查感受，都是很好的改进。(2)准确定位：为了获得一致的解剖空间信息，PET/MRI以同一参照系为标准，在一次扫描中同时获得MR和PET的数据，不存在二次扫描所带来的定位偏差的可能性，对于微小、早期病变的诊断价值巨大。(3)消除运动伪影：PET/MRI 通过MR的门控技术冻结运动伪影，从而获得高质量的图像

13、。这对于具备生理运动的器官（例如心脏，图5）成像至关重要。 图5 心脏PET/MRI图像(4)生理同步：作为不断进行更新的个体，人体始终处于变化的常态，任何时间上的错位都有可能带来新陈代谢状态的不同。通过同时扫描，PET/MRI 能够真正实现新陈代谢和生理功能在MR与PET上的同步，有助于对疾病的精确诊断（图6）。 图6 代谢旺盛的脑部PET/MRI图像三、潜在的临床价值从技术上看，结合Tim技术的PET/MRI可让临床医师更快、更轻松地进行扫描。通过同步获得有关人体结构、功能和代谢活动的信息，PET/MRI大大提升了病变早期诊断的可能性。1.肿瘤分期：MR和PET共同服务于肿瘤成像，高分辨率

14、的MR成像提供了清晰的病理图像，而PET则可以显示病变部位的异常生化代谢，PET/MRI可为肿瘤的早期诊断、定位、定性、监测等工作提供全面的影像学支持7-8（图7）。与PET/CT相比，PET/MRI在脑肿瘤、骨骼肿瘤、泌尿系统肿瘤、肝脏及其它腹部肿瘤诊断、分期、疗效观察等方面有无可比拟的优势，对于肺部病灶的诊断则逊于PET/CT。图7 肿瘤骨转移PET/MRI图像2.神经系统的应用：借助于PET示踪剂的发展，尤其是近年来退行性疾病的研究进展，通过对受体、淀粉样蛋白沉积的显示，对帕金森氏病、阿尔茨海默病的早期诊断与鉴别诊断方面的努力，可以通过PET/MRI完美的诠释。其他功能性神经精神系统疾病

15、也可通过这个仪器进行图像显示。可以预计的是PET/MRI将打开了解许多神经障碍疾病如阿尔茨海默病、癫痫、抑郁症等的病理学和病情进展的大门。例如，PET目前已能鉴别轻度认知障碍和早期诊断阿尔茨海默病，但尚不能测定脑萎缩导致的脑容积减少量，但PET和MR联合，临床则能更准确在同一个患者身上评价患者的认知功能障碍情况和脑萎缩情况。PET/MRI还能为脑卒中患者寻找可恢复的脑组织带来希望。在干细胞治疗的研究方面，PET/MR能同时获得机体组织细胞的解剖、功能和生化信息，显示于细胞移动到损伤脑细胞的轨迹，更长期的观察干细胞是否存活，以及识别干细胞是如何整合到机体的神经网络，可能会推进干细胞从实验室研究到

16、临床应用的步骤。3.特殊群体：由于不存在使用X射线的问题，因此可最小化放射线的损伤；MR准确的定位同时也保证了PET示踪剂可以减低到最小的剂量。对于危重患者、射线过敏患者和儿童等特殊群体来说，PET/MRI是最为理想的影像学检查手段。4.治疗随访：PET/MRI有能力一次扫描获得包含大量诊断信息的图像，MR成像软件可保证多次扫描的定位一致性，且不存在放射线剂量积累的问题。通过精确的计划制定，可最大程度完善疾病的治疗评价和疗效随访9-12。5.基础研究：PET/MRI作为领先的技术平台，PET/MRI还具备满足药物研发、肿瘤、神经、精神等疾病临床与基础研究的结合能力，同时也有助于开发新的生物标记

17、物或新治疗方法。总之，随着PET/MRI一体机的出现，除肿瘤学疾病外，PET/MRI也必将为神经精神等疾病、干细胞治疗等方面的研究打开一扇新的大门。分子影像学将不再是一个单一的技术变革，而是各种技术的整合，它对现代和未来医学模式将产生革命性的影响。但PET/MRI目前仍在起步阶段，尤其是临床应用方面尚须进一步验证，而且其技术要求较高，购买及维修费用昂贵，在引进时需慎重考虑医院的经济及技术实力。参考文献：1 Raylman RR，Hammer BE，Christensen NL.Combined MRPET scanner:a Monte Carlo evaluation of the impr

18、ovements in PET resolution due to the effects of a static homogeneous magnetic fieldJIEEE Trans Nucl Sei，1996,43(4)：2406-24122 Garliek PB，Marsden PK,Cave AC,et a1.PET and NMR dual acquisition(PANDA)：applications to isolated，perfused rat heartsJNMR Biomed,1997,lO(3)：138-1423 Shao Y，Cherry SR，Farahani

19、 K,et a1Simultaneous PET and MR imagingJPhys Med Biol,1997,42(10):1965-19704 Pichler B，Lorenz E，Mirzoyan R，et a1Performance test of a LSOAPD PET module in a 9.4 Tesla magnet Conference Record of the 1998 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging ConferencePiseataway，NJ：IEEE，1998：1237-12395

20、Heiss WD.The potential of PET/MRI for brain imagingJ. Eur J Nucl Med Mol Imaging，2009 ，36 （Suppl 1）: 105-112. 6 Zaidi H, Mawlawi O, Orton CG.Point/counterpoint. Simultaneous PET/MRI will replace PET/CT as the molecular multimodality imaging platform of choiceJ. Med Phys. 2007,34(5):1525-1528. 7 Seem

21、ann MD，Meisetsehlaeger G，Gaa J，et a1Assessment of the extent of metastases of gastrointestinal carcinoid tumors using whole-body PET，CT,MR，PET/CT and PET/MRIJEur J Med Res，2006,ll(2)：58-658 Ruf J，Lopez Hanninen E，Bohmig M，et a1Impact of FDG-PET/MRI image fusion on the detection of pancreatic cancerJPanereatology，2006，6(6)：512-5199 Wong TZ，T