第三节　一体化PET/MR成像技术

一、概述

一体化PET/MR是目前最先进的影像设备，它的临床应用对医学影像技术的发展具有划时代意义。由于PET显像无法提供精确的解剖信息，因此推动了PET/CT的发展，2001年PET/CT进入临床应用。但是，PET/CT扫描并没有实现同步扫描，而是顺序扫描模式，先进行CT定位和螺旋扫描，然后进行PET扫描。在PET/CT设备的基础上西门子公司于2011年推出商品化的第一代一体化PET/MR，实现了PET和MRI的同步扫描，随后飞利浦公司、GE公司推出分体式的PET-MRI和PET/CT-MRI设备，GE公司于2014年推出带有TOF技术的一体化PET/MR设备^［10-12］。第一代一体化PET/MR实现了PET与MRI一体机的整合，但是PET探测器无TOF技术，也未对PET探测器进行很好的屏蔽；2013年推出第二代PET/MR，对重建算法进行了改进，但PET和MRI硬件无明显变化；第三代一体化具有TOF技术的PET/MR与第一代、第二相比较，PET的TOF技术极大提高了PET图像质量和扫描速度，消除了PET图像“热器官”征象和“正电子穿透效应”伪影。

二、PET/MR的结构

1.PET/MR总体结构

PET/MR总体结构包括磁体、梯度线圈、射频系统和表面线圈，以及与体线圈整合在一起的具有TOF技术的PET探测器环、电子学线路、数据处理、扫描机架、冷却系统和同步扫描床等。具有TOF技术的PET探测器和MRI信号传输均采用光纤技术以加速数据传输，并且达到提高信噪比目的。为了将PET与MRI之间的电、磁干扰降到最低程度，需要对PET探测器整体进行静磁场屏蔽、射频屏蔽和γ射线（511keV）屏蔽，以实现PET与MRI设备进行同步扫描功能。GE公司Signa PET/MR的MRI孔径是70cm，PET探测器高度是5cm，将PET探测器与MRI体线圈整合后，孔径由70cm减小为60cm（图1-3-1）。一体化PET/MR的附属设备包括MRI和PET的水冷机、MRI和PET质量控制模型、PET均匀度专用校正模型、呼吸门控、心电门控和指脉装置、MRI线圈，以及图像后处理工作站。

图1-3-1　GE 公司Signa一体化TOF PET/MR

2.PET/MR的PET探测器结构

尽管一体化PET/MR设备中PET探测器成像原理与传统PET、PET/CT的PET相同，但是由于采用固相阵列式光电转化器（SiPM），其结构与传统的PMT和APD存在本质不同。PET探测器由LBS晶体、SiPM和后续电子线路组成。SiPM不但具有很好的磁兼容性、热稳定性、高的增益和极高集成化，而且能够实现PET的TOF技术，PET探测器配有专门的水冷机确保其更好发挥功能。将LBS晶体（6×9阵列）与SiPM（3×4阵列）组合在一起后组成一个探测器块，然后由5个块组成一个探测器单元。探测器单元进行静磁场、射频和γ射线屏蔽后，与体线圈一起构成一个PET探测器环，其轴向视野25cm。传统概念是以晶体数作为PET探测器环数，而最新一代PET探测器是以探测器块作为一个环，GE Signa PET/MR的PET探测器由5个环组成。

三、PET/MR衰减校正技术

衰减校正的实质就是计算物体的LAC在每条LOR的积分。可通过直接测量法和间接计算法进行衰减校正。直接测量法是通过体外放射源的透射扫描直接重建出物体的LAC分布，间接计算法则不需要进行放射源透射扫描，而是利用已知的图像信息估计出LAC分布进行衰减校正。在PET和PET/CT系统中，分别利用⁶⁸Ge棒源透射扫描数据和CT扫描数据对PET进行衰减校正，均属于直接测量法。而在PET/MR系统中，MR图像反映的是物体质子弛豫时间和密度分布的信息，无法通过MR图像直接获取物体的LAC分布，需要通过间接计算法来获取物体的LAC分布进行衰减校正。

基于MR的衰减校正（MR based attenuation correction，MRAC）方法主要有组织分类法、地图集法、发射数据重建法、透射扫描法。

1.组织分类法

最新的一体化TOF PET/MR对PET探测器进行灵敏度校正、放射性核素衰减校正和探测器死时间校正与传统的PET和PET/CT类似。但是，对人体组织的γ射线衰减校正、γ射线随机符合校正和γ射线散射校正均采用MRI图像信息。由于MRI成像视野限制，需要将MRI信号与PET未进行衰减校正（no attenuation correction，NAC）的TOF图像信息相结合以恢复人体轮廓^{［13，14］}。首先由MRI序列获得人体组织的水、气体、软组织、脂肪组织和骨骼信息，再结合PET的NAC恢复人体轮廓，然后获得MRAC图（MRAC μ-map）对PET图像进行衰减校正。脂肪组织的衰减系数较小，但MR的T1WI或T2WI加权图像上脂肪组织均呈现高信号，在组织分类过程能够单独获得脂肪组织信息。MRAC μ-map图像的矩阵与PET扫描矩阵大小一致，以提高MRAC的精确度。由于人体组织结构复杂性，采用人体图像谱能够提高组织分类的速度和精确性。此外，ZTE技术对获得骨骼结构至关重要，骨皮质密度几乎是骨骼平均密度的3倍，只有获得骨骼皮质结构才能实现精准MRAC。传统方法采用超短回波（ultra short echo time，UTE）技术获得骨骼结构，但是无法获得骨皮质的结构，而ZTE的零回波技术能够精准获得骨皮质的解剖结构^{［15，16］}。TOF技术有助于消除体内异物对MRAC的影响，提高PET图像的准确性。组织分类法具有速度快、鲁棒性好、解剖结构个体差异性小等优势，是目前PET/MR商业机型采用的衰减校正方法。Siemens的一体机Biograph mMR系统和Philips的串联型Ingenuity TF PET/MR系统均是采用组织分类法进行衰减校正，在临床应用中得到了充分的肯定。

2.地图集法

Montandon等^［17］在2005年首次提出了采用地图集的方法对PET进行衰减校正。该方法的提出并不是针对PET/MR，而是为了取代透射扫描、减少扫描时间和辐射剂量提出的新的衰减校正方法。基于地图集的MRAC方法采用MR-CT地图集，通过将MR模板与病人的MR图像配准，并将配准所用的变换矩阵作用于CT模板，得到伪CT图像进行衰减校正^［18-23］。与组织分类法相比，地图集法速度和鲁棒性都相对较差，解剖结构个体差异性对校正效果影响也很大。可以通过建立不同性别、年龄、体型等相应的地图集库，改善解剖结构个体差异性的影响。

3.发射数据重建法

由于PET的发射数据包含组织衰减信息，因此可以利用PET的发射数据重建出组织LAC分布。通过增加约束条件和其他先验信息，可有效改善获取LAC分布的精度。MR图像可以提供组织解剖结构，其中包含大量的组织衰减信息；TOF信息可以限制LOR上符合事件的空间定位范围，改善放射性活度图像的信噪比，从而有利于准确地获取LAC分布。另外，由于MR扫描的视野较小，全身扫描在双臂处会出现截断伪影，而基于发射数据的LAC分布重建可以利用完整的发射数据对截断伪影进行有效校正。发射数据重建法虽然运算速度较慢，但得到的LAC分布精度较高，受解剖结构个体差异性影响较小，该方法具有非常好的前景，TOF PET/MR系统也是发展的趋势。

4.透射扫描法

不采用MR数据进行衰减校正，而是在PET/MR设备中置入放射性核素源，在数据采集时，同时获得发射数据和透射数据，并利用TOF技术将其区分，应用透射数据进行衰减校正^［24］。透射扫描法具有较高的校正精度，并且可与发射数据同时扫描，不占额外的扫描时间，但给患者增加了辐射剂量，并且放射性核素源的置入增加了系统的复杂度，尤其是在PET/MR一体机中，空间限制是一个很大的挑战，因此，该方法适用于分体式PET/MR 系统^［25］。

四、PET/MR的性能指标与质量控制

一体化PET/MR的PET探测器采用LBS晶体与SiPM，具有磁兼容性、对温度稳定、最大的增益和极高时间分辨率，因此其性能远高于传统PET和PET/CT，灵敏度达到23cps/kBq，能量分辨率11%，时间分辨率<400ps，能够将正负电子湮灭作用发生位置定在6cm范围内。一体化PET/MR的PET和MRI的性能指标和质量控制参见第三章第三节相关内容。

（卢洁　单保慈　赵国光）