PET-MRI研制進展及展望

1、.PET/MRI研制進展及展望許震生 譚海波 管一暉復旦大學附屬華山醫(yī)院PET中心（上海 200235）內(nèi)容摘要：PET/MRI的出現(xiàn)必將對分子影像學的發(fā)展產(chǎn)生深遠影響，本文就目前PET/MRI研制存在的問題和進展情況做一綜述，并展望其潛在的臨床和科研價值。關(guān)鍵詞：PET/MRI 分子影像學 全景成像矩陣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 剛剛邁入 2 1世紀 ,許多新的儀器、新的學科、新的思維就向我們迎面撲來 ,傳統(tǒng)核醫(yī)學已突破了原先自身的框架而與其他學科相結(jié)合，而其他學科也已滲透到核醫(yī)學領域。最突出的新學科是分子影像學(molecular imaging),分子影像學是醫(yī)學影像技術(shù)與分子生物學相結(jié)合的產(chǎn)物,涉及物理、化學、核醫(yī)學、影像學、計算機等多門學科。它在分子生物學與臨床醫(yī)學之間架起了相互連接的橋梁，被認為是未來最具有發(fā)展?jié)摿Φ氖畟€醫(yī)學科學前沿領域之一。從臨床角度看 ,分子影像學的內(nèi)涵是借助現(xiàn)代影像學技術(shù),從分子水平研究和觀察疾病的發(fā)生、發(fā)展中病理生理變化和代謝功能改變，使得傳統(tǒng)的醫(yī)學診斷方式發(fā)生了革命性變化，而代

4、表分子影像學最前沿的儀器就是PET/MRI。隨著PET/MRI的出現(xiàn)，融合二字的含義也將更加廣泛,不僅是兩幅圖像、兩種（或多種）機器、設備的融合 ,而是多功能、多學科、多種人才的融合。這些對傳統(tǒng)核醫(yī)學既是機遇 ,又是挑戰(zhàn)。本文就PET/MRI研制進展與潛在的臨床科研價值做一綜述。一、PET/MRI研制進展及存在的問題二十世紀初PET/CT的研制成功，很快就進入了臨床應用，實踐表明PET/CT在臨床和科研中均具有十分重要的價值，尤其是在對腫瘤的診斷分期和療效評價等方面。CT在與PET圖像融合后，臨床應用方面取得了明顯的成功，而作為醫(yī)學影像學必不可少的組成部分，MRI同樣是經(jīng)過證實的非常有用的臨床

5、診斷工具，與CT相比MRI在反映解剖形態(tài)和生理功能信息方面具有無可比擬的優(yōu)越性，PET則能夠極為敏感和準確地探測到人體組織新陳代新方面的異常。如果能夠?qū)⑦@兩種技術(shù)在可同步采集數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中融合，則可獲得人體有關(guān)結(jié)構(gòu)、功能和代謝等方面的全方位信息，對于改進疾病的診斷和治療具有重要價值（圖1）。圖1 PET/MRI顯像技術(shù)提供的解剖、生理、生化信息但PET/MRI的開發(fā)與PET/CT相比要緩慢的多，因為PET和MR的融合存在一些技術(shù)上的挑戰(zhàn)，包括避免磁共振高磁場的不良影響、PET和MR射頻場的互相影響及有關(guān)材料的研發(fā)等。但鑒于MRI較CT的一些獨特優(yōu)勢，如沒有射線、軟組織對比度高、能提供形態(tài)學以外的

6、功能信息等，人們依然一直致力于PET/MRI的研究。1、PET/MRI一體機研制的最主要挑戰(zhàn)是需要開發(fā)一種PET探測模塊，既能在強磁場中正常工作，又不會影響磁共振影像，還能承受射頻場的影響。傳統(tǒng)PET的探頭采用的是光電倍增管(photomultiplier tube，PMT)，由于磁場會使電子偏離原先的運動軌跡而導致PMT探測電子的損失，即使很微弱的磁場也足以改變PMT的增益，因此PMT在磁場中不能正常工作。目前研制的PET/MRI系統(tǒng)主要采用兩種方法來解決這個問題。第一種方法：保留傳統(tǒng)的對磁場敏感的PMT而調(diào)整PET和MR系統(tǒng)的其他特性，這也是早期研發(fā)磁共振兼容的PET所采用的方法。此法采用

7、35m長的光纖將磁場內(nèi)閃爍晶體產(chǎn)生的光子傳輸至放置在磁場外的PMT和電子元件，通過將閃爍體晶體放置磁場中而所有PET數(shù)據(jù)讀取電子元件在磁場外可將電磁場的互相干擾(electromagnetic interference，EMI)作用最小化1-3。第二種方法：采用對磁場不敏感的光子探測器，如雪崩光電二極管(avalanche photodiodeAPD)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的對磁場敏感的PMT。經(jīng)高達94T磁場的測試，APD未出現(xiàn)任何性能降低4。因此，APD探頭為PETMR的成功研制提供了可能（圖2）。圖2 使用APD技術(shù)的PET/MRI探頭結(jié)構(gòu)示意圖2、MR孔徑大小的影響常規(guī)磁體孔徑的MR設備也無法提供足

8、夠空間來容納PET的組件。因此，早期PET/MRI成像實際上只是停留在PET與MR圖像軟件融合成面。近期，Siemens公司研制了一種70cm大孔徑磁體和緊湊型、快速高性能LSO晶體PET探測器，同時還開發(fā)了特殊的屏蔽系統(tǒng)來有效消除磁場對于PET數(shù)據(jù)處理鏈的干擾。為了獲得足夠充分的PET信號，相關(guān)的組件（例如線圈和掃描床）使用了低衰減材料；并且在MR掃描的同時進行 PET信號的衰減校正，增加了診斷結(jié)果的可靠性。3、MR線圈及掃描范圍的限制：PET的一個很重要的優(yōu)勢就是全身顯像，因此PET/MRI的一個重要應用領域也是全身顯像。而常規(guī)的MRI，由于線圈及掃描范圍的限制，一次只能掃描一個部位，如需

9、全身檢查，則需對多個部位重新擺位和放置線圈。如想行全身MRI，必須開發(fā)一種顯像速度快且無需更換線圈和重新擺位的MRI。隨著全景成像矩陣(total imaging matrix，TIM)技術(shù)的出現(xiàn)，人們首次實現(xiàn)了從頭頂?shù)侥_趾的全身MR掃描，并能獲得了高分辨率的圖像。TIM技術(shù)的特點是革命性的矩陣線圈概念，它允許在32個射頻信道中最多組合102個線圈元件，通過增長的并行接收鏈來形成全身成像矩陣、自動病床移動、自動線圈開關(guān)控制以及在線技術(shù)，無需患者或線圈重新擺位，可提供極其準確和大量信息的全身MRl影像，數(shù)據(jù)一次采集完成。2007年推出了第一臺腦PET/MRI設備并成功用于臨床，短短數(shù)年多篇文獻報

10、道說明了PET/MRI的臨床價值5-6。而僅僅是神經(jīng)系統(tǒng)對于一個臨床儀器顯然是不夠的，全身PET/MRI的研究仍在繼續(xù)進展，繼分體的PET、MR系統(tǒng)后，近期全身PET/MRI的研制獲得了突破性進展，2010年第96屆RSNA上Siemens推出了一款Biograph mMR成像系統(tǒng)（圖3）。該系統(tǒng)為3T MR和PET所組成的一體化架構(gòu)，在圖像采集上實現(xiàn)了全身MR和PET數(shù)據(jù)的同步采集，被認為全球首款全身型PET/MRI一體機。圖3 全身型PET/MRI一體機Biograph mMR成像系統(tǒng)二、與其他影像學設備比較PET/MRI所具有的優(yōu)勢 在同一個機架上，通過一次掃描得到融合MR和PET信息的

11、全身成像，對于醫(yī)學影像學的未來意義非凡。更關(guān)鍵的是，這能夠獲得事半功倍的效果，PET/MRI將生命影像診斷技術(shù)帶入全新的時代。作為未來醫(yī)學影像設備發(fā)展的重要方向，PET/MRI具備其他任何產(chǎn)品所不具備的優(yōu)勢，簡單說來包括以下方面：1.提高診斷的準確性：同時兼?zhèn)銶R高空間分辨率和高組織分辨度的特點，與PET的高探測靈敏度和高示蹤特異性相結(jié)合，可為顯著提高臨床診斷的準確性（圖4）。圖4 高清晰的腦部、胸部及上腹部PET/MRI圖像2.沒有輻射：PET/MRI較PET/CT還有一個很大的優(yōu)勢，即沒有輻射，因此PET/MRI較PET/CT更適合用于無癥狀人群的腫瘤篩查。對于患者則可以多次進行檢查。3.

12、成像優(yōu)勢:(1)減少掃描時間：由于該系統(tǒng)可在PET掃描過程中同時進行MR信號的采集，因此可極大縮短患者掃描時間。初步研究表明，新型全身PET/MRI可在30分鐘內(nèi)完成全身綜合性掃描，獲得全部MR和PET的圖像。而傳統(tǒng)的MR和PET分別檢查，則需要至少1個小時或更長時間。這對于醫(yī)院工作流程和患者檢查感受，都是很好的改進。(2)準確定位：為了獲得一致的解剖空間信息，PET/MRI以同一參照系為標準，在一次掃描中同時獲得MR和PET的數(shù)據(jù)，不存在二次掃描所帶來的定位偏差的可能性，對于微小、早期病變的診斷價值巨大。(3)消除運動偽影：PET/MRI 通過MR的門控技術(shù)凍結(jié)運動偽影，從而獲得高質(zhì)量的圖像

13、。這對于具備生理運動的器官（例如心臟，圖5）成像至關(guān)重要。 圖5 心臟PET/MRI圖像(4)生理同步：作為不斷進行更新的個體，人體始終處于變化的常態(tài)，任何時間上的錯位都有可能帶來新陳代謝狀態(tài)的不同。通過同時掃描，PET/MRI 能夠真正實現(xiàn)新陳代謝和生理功能在MR與PET上的同步，有助于對疾病的精確診斷（圖6）。 圖6 代謝旺盛的腦部PET/MRI圖像三、潛在的臨床價值從技術(shù)上看，結(jié)合Tim技術(shù)的PET/MRI可讓臨床醫(yī)師更快、更輕松地進行掃描。通過同步獲得有關(guān)人體結(jié)構(gòu)、功能和代謝活動的信息，PET/MRI大大提升了病變早期診斷的可能性。1.腫瘤分期：MR和PET共同服務于腫瘤成像，高分辨率

14、的MR成像提供了清晰的病理圖像，而PET則可以顯示病變部位的異常生化代謝，PET/MRI可為腫瘤的早期診斷、定位、定性、監(jiān)測等工作提供全面的影像學支持7-8（圖7）。與PET/CT相比，PET/MRI在腦腫瘤、骨骼腫瘤、泌尿系統(tǒng)腫瘤、肝臟及其它腹部腫瘤診斷、分期、療效觀察等方面有無可比擬的優(yōu)勢，對于肺部病灶的診斷則遜于PET/CT。圖7 腫瘤骨轉(zhuǎn)移PET/MRI圖像2.神經(jīng)系統(tǒng)的應用：借助于PET示蹤劑的發(fā)展，尤其是近年來退行性疾病的研究進展，通過對受體、淀粉樣蛋白沉積的顯示，對帕金森氏病、阿爾茨海默病的早期診斷與鑒別診斷方面的努力，可以通過PET/MRI完美的詮釋。其他功能性神經(jīng)精神系統(tǒng)疾病

15、也可通過這個儀器進行圖像顯示?？梢灶A計的是PET/MRI將打開了解許多神經(jīng)障礙疾病如阿爾茨海默病、癲癇、抑郁癥等的病理學和病情進展的大門。例如，PET目前已能鑒別輕度認知障礙和早期診斷阿爾茨海默病，但尚不能測定腦萎縮導致的腦容積減少量，但PET和MR聯(lián)合，臨床則能更準確在同一個患者身上評價患者的認知功能障礙情況和腦萎縮情況。PET/MRI還能為腦卒中患者尋找可恢復的腦組織帶來希望。在干細胞治療的研究方面，PET/MR能同時獲得機體組織細胞的解剖、功能和生化信息，顯示于細胞移動到損傷腦細胞的軌跡，更長期的觀察干細胞是否存活，以及識別干細胞是如何整合到機體的神經(jīng)網(wǎng)絡，可能會推進干細胞從實驗室研究到

16、臨床應用的步驟。3.特殊群體：由于不存在使用X射線的問題，因此可最小化放射線的損傷；MR準確的定位同時也保證了PET示蹤劑可以減低到最小的劑量。對于危重患者、射線過敏患者和兒童等特殊群體來說，PET/MRI是最為理想的影像學檢查手段。4.治療隨訪：PET/MRI有能力一次掃描獲得包含大量診斷信息的圖像，MR成像軟件可保證多次掃描的定位一致性，且不存在放射線劑量積累的問題。通過精確的計劃制定，可最大程度完善疾病的治療評價和療效隨訪9-12。5.基礎研究：PET/MRI作為領先的技術(shù)平臺，PET/MRI還具備滿足藥物研發(fā)、腫瘤、神經(jīng)、精神等疾病臨床與基礎研究的結(jié)合能力，同時也有助于開發(fā)新的生物標記

17、物或新治療方法?？傊?，隨著PET/MRI一體機的出現(xiàn)，除腫瘤學疾病外，PET/MRI也必將為神經(jīng)精神等疾病、干細胞治療等方面的研究打開一扇新的大門。分子影像學將不再是一個單一的技術(shù)變革，而是各種技術(shù)的整合，它對現(xiàn)代和未來醫(yī)學模式將產(chǎn)生革命性的影響。但PET/MRI目前仍在起步階段，尤其是臨床應用方面尚須進一步驗證，而且其技術(shù)要求較高，購買及維修費用昂貴，在引進時需慎重考慮醫(yī)院的經(jīng)濟及技術(shù)實力。參考文獻：1 Raylman RR，Hammer BE，Christensen NL.Combined MRPET scanner:a Monte Carlo evaluation of the impr

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