劉鵬，富麗萍

中日友好醫(yī)院 核醫(yī)學(xué)科，北京 100029

引言

隨著多模態(tài)成像設(shè)備的不斷發(fā)展，正電子體層發(fā)射/核磁共振成像（Positron Emission Tomography/Magnetic Resonance，PET/MR）的產(chǎn)生是醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的又一次重大改革。PET/MR是將PET和MRI兩種影像設(shè)備整合在一起形成的一種新設(shè)備，它能將體內(nèi)組織器官代謝信息和精準(zhǔn)的解剖信息融合成像。隨著硬件結(jié)構(gòu)、衰減校正方法、協(xié)同采集及圖像重建等技術(shù)方法的不斷進(jìn)步，PET/MR在臨床影像檢查以及科學(xué)研究等方面發(fā)揮越來越重要的作用。本文對(duì)PET/MR的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 PET/MR的成像原理

一體化PET/MR是指將PET探測器嵌入MR設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)PET和MR兩個(gè)探測器同空間同時(shí)采集。一體化PET/MR突出特點(diǎn)是具有同一個(gè)機(jī)架、同一個(gè)掃描床和同一個(gè)掃描控制系統(tǒng)，并且它以同一參照系為標(biāo)準(zhǔn)，獲得一致的解剖空間結(jié)構(gòu)。一次掃描能夠同時(shí)得到PET和MRI的圖像，在功能和解剖數(shù)據(jù)采集上實(shí)現(xiàn)了真正的兩機(jī)歸一。

1.1 PET成像原理

PET通常由掃描機(jī)架、主機(jī)柜、操作控制臺(tái)以及檢查床組成，通過檢測正電子核素標(biāo)記的示蹤劑在體內(nèi)分布進(jìn)行成像。核衰變過程中正電子從原子核內(nèi)釋放與自由電子碰撞湮滅，轉(zhuǎn)化成一對(duì)方向相反、能量為511 keV的γ光子[1]。在光子對(duì)飛行方向上對(duì)置一對(duì)探測器，即可幾乎同時(shí)接收到這兩個(gè)光子。接收到光子的兩個(gè)探測器單元之間的連線稱為符合線（Line of Response，LOR），代表湮滅事例必定在這條直線上。通過環(huán)繞360°排列多組探測器，得到多對(duì)探測器連線上的一維信息，將這些信號(hào)向中心點(diǎn)反投影并進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，得到斷層面示蹤劑分布圖像。

1.2 MR成像原理

MRI通常由主磁體、梯度線圈系統(tǒng)、射頻線圈系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及輔助設(shè)備等五部分組成。由于原子核存在自旋和磁矩，在外加強(qiáng)磁場的作用下，質(zhì)子磁矩方向統(tǒng)一。此時(shí)施加一個(gè)與質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率相同的激勵(lì)射頻脈沖，質(zhì)子吸收能量從低能狀態(tài)躍遷到高能狀態(tài)，這稱為核磁共振現(xiàn)象。當(dāng)射頻脈沖停止后，吸收能量躍遷到高能級(jí)的質(zhì)子釋放吸收的能量，并回到平衡位置，這種過程就是弛豫。橫向宏觀磁化矢量逐漸消失，稱為橫向弛豫；縱向宏觀磁化矢量回到平衡狀態(tài)，稱為縱向弛豫。原子核射頻激勵(lì)后恢復(fù)到基態(tài)的速率變化受分子結(jié)構(gòu)和環(huán)境的影響。通過計(jì)算機(jī)重建探測野內(nèi)各點(diǎn)的回波信號(hào)，顯示體內(nèi)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[2]。

功能磁共振成像（functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI）是在常規(guī)MRI序列基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新成像技術(shù)，它不僅能夠反映人體的生理病理過程，還可以提供動(dòng)態(tài)和功能方面的信息，使MRI能夠從細(xì)胞水平反映病理生理改變。在PET/MR中，常用的fMRI序列包括彌散加權(quán)成像（Diffusion Weighted Imaging，DWI）、動(dòng)脈自旋標(biāo)記成像（Arterial Spin Labeling，ASL），磁共振波譜成像（Magnetic Resonance Spectroscopy，MRS）以及血氧水平依賴功能磁共振成像（Blood Oxygenation Level Dependent functional Magnetic Resonance Imaging，BOLD-fMRI）等，均可用于腫瘤及神經(jīng)系統(tǒng)疾病的基礎(chǔ)及臨床研究[3]。

2 一體化PET/MR設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)

PET/MR成像設(shè)備的發(fā)展由最初的分體式到插入式、完全集成式的飛躍，最終實(shí)現(xiàn)兩種成像設(shè)備一體化的融合[4]。一體化的PET/MR極大程度上克服了PET和MR的互相干擾的問題，其構(gòu)造及性能得到顯著提升，真正實(shí)現(xiàn)了PET和MR同空間同時(shí)相采集數(shù)據(jù)。其基本結(jié)構(gòu)由中心受檢者向外依次分為：MR體線圈、PET晶體環(huán)、PET光電轉(zhuǎn)換器件、MR梯度線圈、主磁場線圈和磁場屏蔽線圈[5]。

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

PET探測器主要是由閃爍晶體和光電轉(zhuǎn)換元件組成，PET的閃爍晶體主要包括NaI（TI）晶體、BGO晶體和LSO晶體等。理想的PET晶體應(yīng)該具有對(duì)511 keV射線的高阻止能力，閃爍光子衰減時(shí)間要短，光輸出要高。早期的PET中光電轉(zhuǎn)換元件為光電倍增管（Photo Multiplier Tube，PMT），但其在MR的磁場中無法工作，且體積較大，難以整合到MR的探測器中。最早替代PMT的是雪崩二極管（Avalanche Photo Diode，APD），也由此誕生了第一臺(tái)PET/MR一體機(jī)，即西門子公司Biograph mMR。APD體積小、光電轉(zhuǎn)換效率比PMT高，能在磁場中正常工作，但是其時(shí)間分辨率較差，無法使用TOF功能。隨著探測器技術(shù)的不斷發(fā)展，硅光電倍增管（Silicon Photomultiplier，SiPM）逐漸取代了APD，SiPM對(duì)磁場敏感度更低，且時(shí)間、空間分辨力較APD高，可以使用TOF技術(shù)，進(jìn)一步提高了PET的整體性能，與傳統(tǒng)的PMT相比，SiPM的時(shí)間分辨率已提高至400 ps以內(nèi)[6]。

隨著閃爍晶體和光電轉(zhuǎn)換元件的不斷進(jìn)步，目前西門子公司所研發(fā)的最新的一體化PET/MR探測器是由LSO晶體+APD組成，通過使用HD-PET晶體指紋技術(shù)可將全視野分辨率提高至2 mm，超過8000個(gè)晶體數(shù)量使其具有更高層次的空間分辨率；而GE公司最新的一體化PET/MR探測器是由LBS晶體和SiPM固態(tài)陣列光電轉(zhuǎn)換器組成，使PET真正具備飛行時(shí)間技術(shù)，獲得高光電轉(zhuǎn)換增益、高靈敏度。MR性能方面的最新進(jìn)展主要是MR靜音成像，使其在不犧牲圖像質(zhì)量的情況下，MR噪音降低至60 dB水平，并在30 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)全身標(biāo)準(zhǔn)化快速掃描。此外，一體化透明體線圈的采用大幅降低γ光子衰減，保證了PET圖像質(zhì)量。

目前我國市場上一體式PET/MR廠商只有三家，每個(gè)廠家只有一種機(jī)型，其三家PET/MR主要性能參數(shù)如表1所示[7-8]。

表1 三家PET/MR主要性能參數(shù)

2.2 數(shù)據(jù)校正

2.2.1 運(yùn)動(dòng)偽影校正

運(yùn)動(dòng)偽影校正的意義在于避免患者因運(yùn)動(dòng)（移動(dòng)或器官運(yùn)動(dòng)）而導(dǎo)致的小病灶變模糊而漏診或病灶定位解剖錯(cuò)誤等情況的出現(xiàn)[9]。傳統(tǒng)的PET/MR通過PET和MR同步掃描，并外置門控設(shè)置來減少運(yùn)動(dòng)偽影的產(chǎn)生。一體化的TOF-PET/MR通過提供與呼吸周期不同時(shí)相匹配的MR衰減校正技術(shù)（MR Attenuation Correction，MRAC）來減少因呼吸運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的偽影，從而顯著提高了胸部的圖像質(zhì)量。目前最新的一體化PET/MR通過協(xié)同采集方式，使MR特殊序列采集含生理運(yùn)動(dòng)信息，建立生理運(yùn)動(dòng)模型，來指引PET的重建。有效的呼吸及心跳運(yùn)動(dòng)抑制效果可以幫助PET圖像顯示更清晰，減少了運(yùn)動(dòng)偽影的產(chǎn)生，使其具備更高的臨床可重復(fù)性。

2.2.2 衰減校正

PET顯像受光子衰減和散射的影響，會(huì)造成圖像質(zhì)量和定量精度變差，需要通過衰減校正獲得精確定量的圖像[10]。PET/CT中CT圖像不僅可以提供組織解剖信息，還可以獲得衰減系數(shù)，進(jìn)而對(duì)PET圖像進(jìn)行衰減校正。PET/MR中MR圖像反映的是質(zhì)子弛豫的時(shí)間和組織密度分布，與組織對(duì)射線的吸收無關(guān)，因此無法獲得衰減系數(shù)對(duì)PET圖像直接進(jìn)行衰減校正。目前PET/MR中PET圖像衰減校正方法主要是分割法、圖譜配準(zhǔn)法和基于發(fā)射數(shù)據(jù)重建法。

（1）分割法。分割法是使用不同的MR脈沖序列對(duì)組織成分（例如空氣、脂肪、水）進(jìn)行分割，分別賦予不同組織對(duì)511 keV進(jìn)光子的吸收系數(shù)，然后對(duì)PET圖像進(jìn)行衰減校正。一種是采用2點(diǎn)Dixon序列將T1WI MR圖像分割為空氣、脂肪、軟組織及肺部，采用連通區(qū)域分析法劃分出肺組織，獲得衰減系數(shù)對(duì)PET軀干圖像進(jìn)行衰減校正[11]。另一種采用超短回波時(shí)間序列（Ultrashort Echo Time，UTE）將顱骨、軟組織及空氣分割開，重建出衰減系數(shù)對(duì)PET頭顱圖像進(jìn)行衰減校正[12]。但是使用UTE和Dixon序列的組織分割法的PET衰減校正在臨床應(yīng)用中容易產(chǎn)生多種偽影，包括顱腦局部熱灶或冷灶、肺熱灶、熱氣管征、金屬及截?cái)鄠斡暗?。在軀干掃描過程中，Dixon圖像易受呼吸運(yùn)動(dòng)影響，錯(cuò)誤地將肺組織或空氣分割成軟組織，造成衰減校正過度，PET圖像出現(xiàn)假陽性，目前的解決方法是Dixon序列及PET數(shù)據(jù)采集時(shí)使用呼吸門控，并進(jìn)行回顧性重建[13]。

（2）圖譜配準(zhǔn)法。根據(jù)圖像模板來源不同，圖譜配準(zhǔn)法分為模板法和地圖集法。模板法是通過多個(gè)組織圖像整合處理，獲得代表平均值的圖像作為模板。地圖集法是建立一個(gè)包含患者CT和MRI圖像信息的數(shù)據(jù)庫，將患者M(jìn)R圖像與MR模板進(jìn)行配準(zhǔn)，轉(zhuǎn)化為偽CT圖像，借助PET/CT的方法進(jìn)行衰減校正[14]。然而，個(gè)體解剖結(jié)構(gòu)差異的存在會(huì)影響校正的結(jié)果，即使通過不同年齡、性別、體型等建立的地圖集來縮小個(gè)體差異，仍有些患者與標(biāo)準(zhǔn)范圍相差較大。Oehmigen等[15]研究發(fā)現(xiàn)通過以骨模板的地圖集法和截?cái)嘈Ｕ梢蕴岣逷ET/MR軀干成像中PET的定量，并且重建時(shí)間短，MRAC效果穩(wěn)定。

（3）基于發(fā)射數(shù)據(jù)重建法。PET的發(fā)射數(shù)據(jù)中包含了組織衰減信息，而且MR圖像提供了精細(xì)的組織結(jié)構(gòu)和TOF技術(shù)的精確定位功能，可以準(zhǔn)確的獲取衰減圖。此方法受個(gè)體差異影響比較小，但是目前仍有著許多不足。Pang等[16]研究發(fā)現(xiàn)在交替重建過程中放射性活度分布的自身特征會(huì)影響衰減系數(shù)的分布，從而影響衰減校正的準(zhǔn)確性。目前臨床上PET/MR大多使用組織分割法和地圖集法的衰減校正，但是直接通過發(fā)射數(shù)據(jù)獲得衰減圖的方法仍有著不可替代的優(yōu)勢和前景。

衰減校正技術(shù)的不斷發(fā)展是一體化PET/MR改革進(jìn)步的主要方向。與傳統(tǒng)PET/MR能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)空氣、肺、脂肪、軟組織這4種組織的分割方法不同，最新的五組織分割法實(shí)現(xiàn)了包含骨骼信息在內(nèi)的MRAC衰減校正，從而進(jìn)一步提升體部PET成像的精度，尤其在骨轉(zhuǎn)移病變，骨骼周邊病變等方面的發(fā)現(xiàn)和精準(zhǔn)診斷上實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍[17]。另一種最新衰減校正方法是基于傳統(tǒng)的UTE序列，利用零回波時(shí)間（Zero Echo Time，ZTE）掃描技術(shù)進(jìn)行衰減校正[18]。ZTE采集極短的T2 MR信號(hào)，能夠獲得骨骼解剖結(jié)構(gòu)（骨皮質(zhì)），實(shí)現(xiàn)氣腔、骨組織和軟組織的分割，明顯提高了MRAC精準(zhǔn)度[19]。

2.3 協(xié)同采集

傳統(tǒng)PET/MR系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)PET與MR同時(shí)同步采集，但呼吸、心跳等生理運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的偽影在一定程度上影響PET圖像清晰度。一體化PET/MR協(xié)同采集是PET和MR兩個(gè)探測器同時(shí)采集的過程中，MR特殊成像序列上含有時(shí)間信息的4D運(yùn)動(dòng)模型，為PET采集提供不同時(shí)相的基礎(chǔ)解剖像，指引PET數(shù)據(jù)的采集與重建，使PET成像與MR成像實(shí)現(xiàn)協(xié)同配合的關(guān)系，采集過程不需要使用門控技術(shù)，不延長掃描時(shí)間，PET成像實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校正[20]。通過協(xié)同采集PET圖像清晰度明顯上升，病灶的定位更為精準(zhǔn)，提升病灶區(qū)域的異常代謝信號(hào)強(qiáng)度與對(duì)比，對(duì)神經(jīng)退行性疾病、體部腫瘤、心血管系統(tǒng)的多參數(shù)精準(zhǔn)成像擁有巨大潛力[21]。

2.4 圖像重建

飛行時(shí)間（Time-of-Flight，TOF）技術(shù)就是利用光子的時(shí)間差確定湮滅范圍的技術(shù)，它與傳統(tǒng)PET的最大區(qū)別在于它能夠根據(jù)某個(gè)正電子的兩個(gè)光子到達(dá)兩端晶體的時(shí)間差來確定湮滅反應(yīng)發(fā)生的范圍。然而，由于目前的探測器時(shí)間分辨率不夠高，仍需圖像重建來獲得放射性分布的圖像。TOF技術(shù)的優(yōu)勢在于確定了湮滅范圍，圖像重建時(shí)不需要整條LOR線上的數(shù)據(jù)，只利用湮滅范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，避免了將整條LOR線上的噪聲帶入圖像的弊端，從而顯著提高了圖像信噪比，提升了小病灶的檢出率[22]。在保持圖像質(zhì)量的情況下，降低藥物劑量的同時(shí)減少了采集時(shí)間[23]。另外，TOF技術(shù)還可以減少因體內(nèi)金屬植入物產(chǎn)生的金屬偽影[24]。已有研究證實(shí)，TOF-PET/MR只需要PET/CT正電子藥物劑量的40%就可以達(dá)到臨床所接受的圖像質(zhì)量[25]，并且具有TOF技術(shù)的TOF-PET/MR可以將全身掃描時(shí)間縮短到15 min左右[26]。

點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（Point Spread Function，PSF）是PET圖像迭代重建的一種新技術(shù)，其通過描述PET系統(tǒng)對(duì)點(diǎn)源的響應(yīng)，整合數(shù)百萬個(gè)精確測量的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)，在重建過程中，將響應(yīng)線恢復(fù)至準(zhǔn)確位置，能夠明顯提高圖像信噪比與空間分辨率[27]。PET采用PSF的圖像重建方法可以顯著提高PET的圖像邊緣視野空間分辨率，使PET空間分辨率可以達(dá)到亞毫米水平，對(duì)于小病灶的診斷具有重要價(jià)值。已有研究發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合使用TOF和PSF可以顯著提升圖像重建效果[28]，并且有助于發(fā)現(xiàn)最大徑＜10 mm的病灶[29]。

2.5 PET/MR的應(yīng)用優(yōu)勢

（1）與CT相比，MR不存在電離輻射，更容易被病人接受。

（2）PET具有高靈敏度的優(yōu)勢，MR較CT具有高分辨軟組織顯像的特點(diǎn)，因此PET/MR在軟組織腫瘤、神經(jīng)系統(tǒng)、心臟疾病診斷等具有一定優(yōu)勢。

（3）一體化的PET/MR與PET/CT相比真正實(shí)現(xiàn)了同步采集，獲得真正意義上的同時(shí)間、同空間的人體解剖、組織功能及分子代謝融合的圖像[30]。

3 展望

目前，PET/MR尚處于起步階段，還存在著一些問題沒有徹底解決，如PET探測器影響MRI探測器的梯度和均勻性，MRI探測器會(huì)影響PET探測器的穩(wěn)定性；另外，MRI橫斷面掃描視野比較小，對(duì)于較大體重的患者將影響PET圖像的衰減校正，并且以MR圖像對(duì)PET圖像進(jìn)行衰減校正的準(zhǔn)確性還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。盡管PET/MR還有尚未解決的問題，但PET/MR一體機(jī)同步掃描、多參數(shù)成像仍有著獨(dú)特的優(yōu)勢。在未來隨著影像設(shè)備的不斷發(fā)展，硬件和軟件技術(shù)的不斷提升，正電子核素顯像藥物的不斷豐富，其在臨床診療及基礎(chǔ)機(jī)制研究等方面必然會(huì)發(fā)揮越來越重要的作用。