Positron emission tomography computed tomography/magnetic resonance imaging: A new progress of molecular imaging technique

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.09.025

Abstract

Abstract:

BACKGROUND: Positron emission tomography can reflect the cell metabolism and functional changes of cells at the molecular level. Magnetic resonance imaging can obtain images with higher soft-tissue contrast and better spatial resolution without ionizing radiation. With the fast development of multimodality molecular imaging techniques, positron emission tomography/magnetic resonance imaging as a multimodality molecular imaging technique can provide the molecular, morphological and functional information, so its clinical application is an anticipating focus of medical molecular imaging.
OBJECTIVE: To overview the progress and problems meet in the development of positron emission tomography/magnetic resonance imaging and to get a clear prospect of its potential clinical and scientific application.
METHODS: The CNKI database, SpringerLink database and PubMed database were searched by the first author for the related articles from January 2000 to June 2012. The English key words were “PET/MRI” and “multimodality molecular imaging or image fusion”, and the Chinese key words were “molecular imaging” and “image fusion”. The articles related to positron emission tomography/magnetic resonance imaging multimodality molecular imaging technique were selected, and for the articles in the same field, those published recently or in the authorized journals were selected. A total of 53 articles were included.
RESULTS AND CONCLUSION: From the existing research results, positron emission tomography/magnetic resonance imaging have more advantages over traditional and other multimodality imaging techniques such as positron emission tomography/computed tomography and single-photon emission computed tomography/ computed tomography, as demonstrated by the pre-clinical studies and preliminary clinical experiences, and have broader development space. So it has capacity to bring the development of molecular imaging technique and clinical diagnosis into a new area.

Key words: bone and joint implants, review of bone and joint implants, positron emission tomography, magnetic resonance imaging, multi-mode imaging, molecular imaging, nuclear medicine, image fusion, image registration, attenuation correction, magnetic field compatible, functional imaging, the Nationa, Natural Science Foundation of China

CLC Number:

R318

Zhang Min-yan, Wang Shu-yi, Yan Rong-guo, Ge Bin, Zhou Ying. Positron emission tomography computed tomography/magnetic resonance imaging: A new progress of molecular imaging technique[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2013, 17(9): 1687-1694.

Figures/Tables 3

2.2 PET/MRI的技术现状 2.2.1 图像融合图像融合分为两种方式：异源图像的扫描发生在不同时间并且在不同设备上的异机融合[17]；异源图像的扫描同时发生在同一台设备上的同机融合[18]。 2011年1月荷兰皇家飞利浦电子公司宣布业界首款批量上市的全身PET/MRI成像系统 Ingenuity TF PET/MRI 获得了CE标识认证，同年11月，该机获得美国FDA的510(k)许可。该系统将一台PET和一台MRI相距3 m同轴线布置在同一扫描室内，将一台可旋转检查床置于两者之间。检查时，患者先进行3T MRI扫描，完毕后换位置进行PET扫描。该系统属于异机融合，不能实现同步扫描，要小心控制两个系统的扫描体位，且易受人体内部器官移位、图像时间不一致、图像配准等因素的影响[19]。但是，该系统却是一个可以充分发挥两套设备(PET系统和3T MRI系统)甚至三套设备(PET-CT和超导MRI)各自优势的集成解决方案。 2010年北美放射学会(RSNA)上，西门子医疗推出了世界上首台同机融合的全身扫描Biographm MRI系统，实现了“共同编码的准确性，没有功能相关性，没有运动校正，双倍的采集时间”[20]。该系统不仅是对MRI与PET混合和集成技术多年以来曲折发展的适时的恰当的总结，同时也昭示了PET-MRI技术发展的美好前景，其应用范围将更优于目前的软件融合。 2.2.2 磁场兼容 PET是根据某些放射性核素在衰变过程中产生的正电子湮灭辐射和符合探测原理构成的计算机断层装置。PET探测器是PET最重要的部分，采用光电倍增管进行光电转换，其作用是探测参与人体各种生理、代谢活动的放射性核素不断向外发射的γ光子[21]。由于MRI磁场可改变电子运行轨迹进而导致光电倍增管探测电子损失，即使很微弱的磁场也足以改变光电倍增管的增益，因此，光电倍增管无法在磁场中正常运行[22]。可行的解决方法是将光电倍增管置于MRI磁场外，通过3-5 m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光电倍增管和电子元件，可将电磁场的互相干扰最小化。但是，传输过程中由于光子的损失会导致图像分辨率及灵敏度降低[22-23]，而且大量应用光纤需要占据MRI内较多的空间。新近研制的雪崩光电倍增管(avalanche photomultiplier，APD)对磁场敏感度低，可直接或通过极短的光纤与 PET闪烁晶体连接。目前，雪崩光电倍增管已应用7T场强的小动物实验PET/MRI与3T场强的临床PET/MRI，见图2[24]。但依然存在对温度稳定性要求较高、工作电压高等缺点[19]。"

Moehrs等[25]提出应用硅光电倍增管(silicon photomultipliers，SIMPS)。硅光电倍增管是一种新型的光电探测器件，由雪崩二极管阵列组成，具有增益高、灵敏度高、对磁场不敏感、结构紧凑等特点。硅光电倍增管温度稳定性高于雪崩光电倍增管，二者空间分辨率相似，在能量分辨率与时间分辨率方面前者好于后者。硅光电倍增管可测量性与稳定性需要进一步改进，同时硅光电倍增管探测效率需要更加完善[26-27]。 2.2.3 衰减校正伽马射线经过人体组织会发生衰减，各部分组织衰减程度也不均匀，这将引起PET图像的失真和畸变，因此图像重建时PET数据的衰减校正是PET/MRI系统的难题[28-29]。如能模拟出衰减情况的空间分布，就可逆推出放射性示踪剂在组织中的真实分布，这是正确进行图像重建的先决条件。磁共振成像是一种生物磁自旋成像技术，它是利用原子核自旋运动的特点，在外加磁场内经射频脉冲激励后产生磁共振信号，用探测器检测并输入计算机处理转换后在屏幕上显示图像。不同于CT数据直接提供组织密度信息，MRI提供的信息为质子密度和弛豫时间，与组织对伽马电子的衰减能力无直接关联，例如骨骼和空气分别有着最高和最低的正电子衰减系数，在MRI上却同为低信号[30]。现有的利用MRI数据进行PET衰减校正的方案综合利用局部数据信息的模式识别和整体数据库图像的匹配，由MRI信号强度及其空间位置关联出对应部位的组织密度，构造“伪CT”图像数据，然后间接通过“组织密度”进行衰减校正。这就需要将组织器官按不同的衰减特性分为不同的区域，然后给相应的区域分配衰减系数[31]，而如何分区是研究的难点和热点[32]。目前仍悬而未决的技术难点是某些患者的解剖结构与标准范围相去甚远，与数据库的比照可能失败。此外，所谓的标准数据库能否真的用于预测不同个体的组织分布也是个问题。此种方法已成功应用于脑部PET/MRI[33-34]。脑部基本上为均质组织，而躯干及四肢组织密度差异明显，所以全身PET/MRI的衰减校正无法借助同样的方法实现。对于全身PET/MRI显像的衰减校正，不仅不同区域的划分和不同密度值的赋予成为难题，更为棘手的是有些组织器官的密度会持续变化[9]。最有代表性的是肺，其密度与呼吸方式、年龄、呼吸道疾病等因素密切相关，因此它的衰减校正一直是难题。 MRI的多序列采集可以为区别不同组织提供额外信息。例如，T1加权图像有很好的软组织对比度，T2加权图像能清晰显示骨性结构。新的MRI序列和序列的优化有可能促成PET衰减校正量化方法的飞跃，然而这样也会延长MRI的采集时间，使实施的可行性降低[9]。 2.3 PET/MRI的临床应用 2.3.1 PET/MRI 神经系统诊断癫痫病是以大脑神经元突发性异常放电所致的发作性脑功能障碍为特征的一种慢性疾病，同时伴有脑血流、代谢及神经递质等一系列生理生化改变[35]，发作间期脑部氟代脱氧葡萄糖(18F-FluroDeoxyGlucose，18F-FDG)代谢减低，发作期代谢增高，Chandra等[36]利用迄今为止应用最广泛的18F-FDG为示踪剂，利用PET/MRI对癫痫病灶进行定位，证实PET/MRI优于其他方法。痴呆是一种以慢性、获得性、进行性智能损害为特点的神经退行性疾病，临床表现为认知和记忆功能不断恶化，日常生活能力进行性减退，并有各种神经精神症状和行为障碍。神经病理检查证实，大部分痴呆的基础是神经元的丢失或神经纤维的改变[6]。而脑功能所需能量的98%以上由葡萄糖供应，所以，18F-FDG PET/MRI显像对痴呆的异常改变相当敏感[37]。轻度认知障碍的志愿者脑T2加权MRI图像上可以看到皮质和基底核区散在的密度减低灶，相应的PET图像表现为FDG摄取轻度减低[38]。目前已证实，吸毒成瘾是一种慢性脑病，神经系统会遭到强烈的破坏，人体会表现出不正常的一面。使用脑部PET技术的研究表明，长期吸食毒品者，脑内细胞代谢情况发生明显变化。戒断期无皮质及核团异常放射性浓聚病灶；而在渴求期，脑内的异常放射性浓聚部位表示高代谢状态，如杏仁核、前额叶皮质、伏隔核等部位的高兴奋状态可以确定脑内的药物奖赏中枢。理论上，将该药物奖赏中枢进行手术或放疗使其兴奋性降低，可以达到治疗目的[39]。 PET/MR对脑损伤不但有特异性，可检出一般影像检查易漏诊的小血肿，而且对脑损伤后(如植物人)进行脑代谢状况评估，判断是否有脑死亡，对治疗及唤醒意义重大[39]。 2.3.2 PET/MRI 肿瘤诊断肿瘤组织中普遍存在着细胞快速增生、细胞膜葡萄糖载体增多和细胞内磷酸化酶的活性增高等生物学特征，使得肿瘤内的糖醇解代谢明显增加，因此代谢显像是早期诊断恶性肿瘤的最灵敏的方法之一。一般说来，肿瘤恶性程度越高，18F-FDG摄取越明显，因此以18F-FDG作为示踪剂，可以对人体几乎所有类型的肿瘤代谢显像。利用这个特点，不仅可以早期发现和确定恶性肿瘤原发灶的部位、大小、范围，还可以评估肿瘤的恶性程度及分期[40]。肿瘤治疗是否有效要看肿瘤代谢活性有无降低以及降低的程度[41]。Schellenberger等[42]研究表明正电子标记Annexin V 除了可进行PET显像外，也可被MRI利用磁性纳米颗粒加以显像。同时，弥散加权MRI(Diffusion-Weighted Imaging，DWI)可用于肿瘤治疗后效果评估。在肿瘤的放、化疗过程中，肿瘤细胞代谢活性的降低远远早于肿瘤本身体积的缩小，因此，PET/MRI对于放、化早期疗效评定具有绝对的优势。在肿瘤干细胞的研究过程中，可通过相关标记物追踪肿瘤干细胞移动轨迹，并检验肿瘤干细胞是否存活及整合到机体组织。Hung等[43]研究表明腺病毒可感染人间叶组织干细胞，腺病毒中的巨细胞病毒调节因子可调控突变单纯疱疹Ⅰ型TK报告基因的表达，放射性示踪剂18F-FHBG可被TK报告基因磷酸化，之后大部分滞留在细胞内进而被PET所探测到，MRI则可提供较好的分辨率。 2.3.3 血管系统疾病的诊断 PET/MRI可对脑缺血性疾病进行早期诊断，其通过脑血流灌注和脑血容量测定反映脑血流和血脑屏障的破坏情况，并检测脑血流的通透性。临床常把13N-氨水(13N-ammonia， 13N-NH3)作为心肌血流显像剂，心肌对其摄取快，排泄迟，血浆清除率较快可得到对比度和图像质量较高的图像[44]。诊断心肌是否存活对进一步治疗心肌梗死十分关键。心肌在缺血缺氧的条件下，对葡萄糖的利用增加，以维持心肌细胞的基本代谢需要，18F标记的脱氧葡萄糖主要反映心肌的脂肪酸葡萄糖代谢，心肌PET灌注-代谢显像是目前评估心肌存活最可靠的方法[45]。动脉粥样硬化检查金标准为血管造影术，但该方法为有创性检查且投射野小、空间分辨率低和易出现伪影等，Jarrett 等[46]利用铜(64Cu)标记马来酰牛血清白蛋白(Maleylated Bovine Serum Albumin，M-BSA)并分别注入小鼠与大鼠体内进行PET/MRI显像，将PET探测病灶的敏感性与MRI的高分辨率加以结合，之后使用免疫组织化学法检验PET/MRI显像结果，证实PET/MRI在诊断动脉粥样硬化方面有较大的潜力。 2.3.4 高端的健康体检随着生活水平的不断提高，人们也开始越来越关注自己的身体健康状况。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，不存在使用X射线辐射的问题，MRI准确定位的同时也保证了PET示踪剂减低到最小的剂量，无创地提供尽可能多的人体健康信息。PET/MRI以其独特的优势，正在引起人们的广泛关注，尽管目前其检查费用相对比较高，但还是有越来越多的人加入它的应用行列[11]。"

References

[1] 王荣福.分子核医学应用研究进展[J].中国临床医学影像杂志, 2008, 19(8):585-590.

[2] 张宝石,周乃康,张锦明,等.PET示踪剂的临床应用及研究进展[J].中国医药导刊,2011 ,13(2): 234-235,237.

[3] 朱朝晖. PET/CT在肿瘤学中的应用[J].现代仪器, 2006, 12(4): 15-17.

[4] 王辉.PET/MRI的进展[J].中国医疗器械信息,2009, 15(9): 9-10.

[5] Shao Y, Cherry SR, Farahani K,et al. Simultaneous PET and MR imaging. Phys Med Biol. 1997;42(10):1965-1970.

[6] Fatemi-Ardekani A, Samavati N, Tang J,et al. Advances in multimodality imaging through a hybrid PET/MRI system. Crit Rev Biomed Eng. 2009;37(6):495-515.

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

[8] 杨明方,胡罗健,邓士杰.PET/MR显像仪的原理及临床应用[J].中国医疗设备,2012,27(1):80-81.

[9] 郑堃,朱朝晖,李方.PET/MRI多模式分子成像技术新进展[J].现代仪器,2011, 17(4):1-4.

[10] 王强,王荣福.当代最先进分子影像新技术—PET/MRI[J].中国医疗器械信息,2011,17(4):4-7.

[11] 许震生,谭海波,管一晖.PET/MRI研制进展及展望[J].中国医疗器械信息,2011,17(4):1-4.

[12] Pichler BJ, Wehrl HF, Judenhofer MS. Latest advances in molecular imaging instrumentation. J Nucl Med. 2008; 49(2):5-23.

[13] Antoch G, Bockisch A. Combined PET/MRI: a new dimension in whole-body oncology imaging. Eur J Nucl Med Mol Imaging. 2009;36 Suppl 1:S113-S120.

[14] Fatemi-Ardekani A, Samavati N, Tang J,et al. Advances in multimodality imaging through a hybrid PET/MRI system. Crit Rev Biomed Eng. 2009;37(6):495-515.

[15] Herzog H, Pietrzyk U, Shah NJ,et al. The current state, challenges and perspectives of MR-PET. Neuroimage. 2010; 49(3):2072-2082.

[16] Schreiter NF, Nogami M, Steffen I,et al. Evaluation of the potential of PET-MRI fusion for detection of liver metastases in patients with neuroendocrine tumours. Eur Radiol. 2012; 22(2):458-467.

[17] Raylman RR, Majewski S, Lemieux SK,et al. Simultaneous MRI and PET imaging of a rat brain.Phys Med Biol. 2006; 51(24):6371-6379.

[18] Wehrl HF, Judenhofer MS, Wiehr S,et al. Pre-clinical PET/MR: technological advances and new perspectives in biomedical research. Eur J Nucl Med Mol Imaging. 2009;36 Suppl 1: S56-68.

[19] 胡峻. PET/CT图像融合技术及其临床应用[J].医疗装备,2005, 18(3):26-27.

[20] 陈香,赵军,赵晋华.PET-MRI:值得期待的分子影像未来[J].国际放射医学核医学杂志, 2008,32(4):196-201.

[21] 徐跃,梁碧玲.医学影像设备学[M].3版.北京:人民卫生出版社, 2010:191.

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

[23] Sauter AW, Wehrl HF, Kolb A,et al. Combined PET/MRI: one step further in multimodality imaging. Trends Mol Med. 2010; 16(11):508-515.

[24] Judenhofer MS, Wehrl HF, Newport DF,et al. Simultaneous PET-MRI: a new approach for functional and morphological imaging. Nat Med. 2008;14(4):459-465.

[25] Moehrs S, Del Guerra A, Herbert DJ,et al. A detector head design for small-animal PET with silicon photomultipliers (SiPM). Phys Med Biol. 2006;51(5):1113-1127.

[26] Lucas AJ, Hawkes RC, Ansorge RE,et al. Development of a combined microPET-MR system.Technol Cancer Res Treat. 2006;5(4):337-341.

[27] Boss A, Bisdas S, Kolb A,et al. Hybrid PET/MRI of intracranial masses: initial experiences and comparison to PET/CT. J Nucl Med. 2010;51(8):1198-1205.

[28] Hofmann M, Steinke F, Scheel V,et al. MRI-based attenuation correction for PET/MRI: a novel approach combining pattern recognition and atlas registration. J Nucl Med. 2008;49(11): 1875-1883.

[29] Martinez-Möller A, Souvatzoglou M, Delso G,et al. Tissue classification as a potential approach for attenuation correction in whole-body PET/MRI: evaluation with PET/CT data. J Nucl Med. 2009;50(4):520-526.

[30] Cho ZH, Son YD, Kim YB,et al.Biomedical Image Processing. Berlin, Heidelberg : Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2011: 55-79.

[31] Hofmann M, Pichler B, Schölkopf B,et al. Towards quantitative PET/MRI: a review of MR-based attenuation correction techniques. Eur J Nucl Med Mol Imaging. 2009;36 Suppl 1: S93-104.

[32] Zaidi H. Medical image segmentation: quo vadis. Comput Methods Programs Biomed. 2006 84(2-3):63-65.

[33] Beyer T, Weigert M, Quick HH,et al. MR-based attenuation correction for torso-PET/MR imaging: pitfalls in mapping MR to CT data. Eur J Nucl Med Mol Imaging. 2008;35(6): 1142-1146.

[34] Zaidi H, Montandon ML, Slosman DO. Attenuation compensation in cerebral 3D PET: effect of the attenuation map on absolute and relative quantitation. Eur J Nucl Med Mol Imaging. 2004;31(1):52-63.

[35] Schlemmer HP, Pichler BJ, Schmand M,et al. Simultaneous MR/PET imaging of the human brain: feasibility study. Radiology. 2008;248(3):1028-1035.

[36] Chandra PS, Salamon N, Huang J,et al. FDG-PET/MRI coregistration and diffusion-tensor imaging distinguish epileptogenic tubers and cortex in patients with tuberous sclerosis complex: a preliminary report. Epilepsia. 2006; 47(9):1543-1549.

[37] 卢霞,王荣福.神经核医学研究进展与发展方向[J].标记免疫分析与临床,2010,17(3): 199-201.

[38] Boss A, Kolb A, Hofmann M,et al. Diffusion tensor imaging in a human PET/MR hybrid system.Invest Radiol. 2010;45(5): 270-274.

[39] 杨明方,胡罗健,邓士杰. PET/MR显像仪的原理及临床应用[J]. 中国医疗设备,2012,27(1):80-81.

[40] 陈翼,马黎明.PET显像仪的类型及临床应用[J].医学影像学杂志,2006,16(2): 202-204.

[41] 杨星,张林,李丽琴,等.PET与CT、MRI图像融合在肿瘤诊断中的应用[J].中国CT和MRI杂志,2006,4(2):57-59.

[42] Schellenberger EA, Bogdanov A Jr, Högemann D,et al. Annexin V-CLIO: a nanoparticle for detecting apoptosis by MRI.Mol Imaging. 2002;1(2):102-10.

[43] Hung SC, Deng WP, Yang WK,et al. Mesenchymal stem cell targeting of microscopic tumors and tumor stroma development monitored by noninvasive in vivo positron emission tomography imaging. Clin Cancer Res. 2005;11(21): 7749-7756.

[44] 张光明,朱汇庆.冠心病无创性检查的研究进展[J].中国医学计算机成像杂志,2010,16(6):544-547.

[45] 王蜀燕,曾建华,张雪林.PET在冠心病方面的应用[J].放射学实践, 2002,17(3):208-210.

[46] Jarrett BR, Correa C, Ma KL,et al. In vivo mapping of vascular inflammation using multimodal imaging. PLoS One. 2010; 5(10): e13254.

[47] Schelbert HR. Focus on molecular imaging. J Nucl Med. 2007; 48(12):1915.

[48] Bolus NE, George R, Washington J,et al. PET/MRI: the blended-modality choice of the future. J Nucl Med Technol. 2009;37(2):63-71.

[49] von Schulthess GK, Schlemmer HP. A look ahead: PET/MR versus PET/CT. Eur J Nucl Med Mol Imaging. 2009;36 Suppl 1:S3-9.

[50] Miese F, Scherer A, Ostendorf B,et al. Hybrid 18F-FDG PET-MRI of the hand in rheumatoid arthritis: initial results. Clin Rheumatol. 2011;30(9):1247-1250.

[51] 吴晨希,朱朝晖.分子影像技术在转化医学中的应用[J].现代仪器, 2010, 16(4): 1-3.

[52] Pichler BJ, Kolb A, Nägele T,et al. PET/MRI: paving the way for the next generation of clinical multimodality imaging applications. J Nucl Med. 2010;51(3):333-336.

[53] Beyer T, Pichler B. A decade of combined imaging: from a PET attached to a CT to a PET inside an MR. Eur J Nucl Med Mol Imaging. 2009;36 Suppl 1:S1-2.