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发布时间:2020-09-09 00:44:17

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作者:卢洁,赵国光

出版社:人民卫生出版社

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一体化PET/MR操作规范和临床应用

一体化PET/MR操作规范和临床应用试读:

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图书在版编目(CIP)数据

一体化PET/MR操作规范和临床应用/卢洁,赵国光主编.—北京:人民卫生出版社,2017

ISBN 978-7-117-25066-5

Ⅰ.①一… Ⅱ.①卢… ②赵… Ⅲ.①计算机X线扫描体层摄影-技术规范 ②计算机X线扫描体层摄影-临床应用 Ⅳ.①R814.42

中国版本图书馆CIP数据核字(2017)第216708号人卫社官网 www.pmph.com 出版物查询,在线购书人卫医学网 www.ipmph.com 医学考试辅导,医学数据库服务,医学教育资源,大众健康资讯版权所有,侵权必究!一体化PET/MR操作规范和临床应用主  编:卢 洁 赵国光出版发行:人民卫生出版社有限公司       人民卫生电子音像出版社有限公司地  址:北京市朝阳区潘家园南里19号邮  编:100021E - mail:ipmph@pmph.com制作单位:人民卫生电子音像出版社有限公司排  版:人民卫生电子音像出版社有限公司制作时间:2019年3月版 本 号:V1.0格  式:mobi标准书号:ISBN 978-7-117-25066-5策划编辑:姚如林责任编辑:陈小蕾打击盗版举报电话:010-59787491 E-mail:WQ@pmph.com注:本电子书不包含增值服务内容,如需阅览,可购买正版纸质图书。序 一

近年来,医学影像技术飞速进步,复合型设备的兴起成为主要发展趋势,尤其是一体化PET/MR的问世,使进行磁共振成像的同时实现PET的所有功能,达到真正的同步扫描,促进了影像和分子成像的整合,是精准医学的利器。首都医科大学宣武医院与GE公司合作,2015年7月作为亚洲第一个安装一体化飞行时间技术(time of flight,TOF)PET/MR的医院,成为国内第一家开展临床验证的单位,在短短的3个月内完成100余例临床研究,率先对其有效性和安全性进行了验证,使PET/MR以最快的速度获得国家食品药品监督管理总局(CFDA)认证。目前经过一年多的使用,我们已经积累了近1000例临床研究病例,其间我们组建和锻炼了自己的团队、积累了相关的专业经验、形成了临床应用的规范操作,借由本书的编写希望能帮助国内核医学科、放射科和临床医生更好地认识和应用PET/MR。

首都医科大学宣武医院是以神经科学和老年医学为重点学科的综合性三级甲等医院,PET/MR在颅脑疾病方面有独特的优势,尤其是对阿尔茨海默病、帕金森病、癫痫、脑血管病、脑肿瘤、抑郁症等的早期诊断有重要价值,对指导临床的无创精准治疗必不可少。大脑疾病是医学的研究重点,随着全球人口老龄化时代的到来,神经退行性疾病日益成为全社会关注的热点。目前,欧美各国纷纷启动脑科学计划,“中国脑计划”也即将启动,未来我们有望通过PET/MR进行分子、影像以及相关标记物的研究,探索大脑疾病的发生机制,从而认识脑、保护脑,为脑科学和脑疾病的研究发挥重要作用!首都医科大学宣武医院名誉院长2017年5月序 二

随着信息技术、医学影像设备的发展,以分子影像为特征的核医学突破自身的框架而与其他学科相结合,多模态分子影像便是其突出的代表。它在分子生物学与临床医学之间架起了相互连接的桥梁,是未来最具有发展潜力的十个医学科学前沿领域之一。代表多模态分子影像学前沿的设备就是PET/MR,虽然临床应用的时间较短,但它集成了生物组织的解剖学信息、功能和分子水平信息,同时其安全、低辐射的优点使其蕴藏着巨大的医疗应用价值。初步研究显示,PET/MR在肿瘤疾病、心血管系统疾病、神经系统疾病等方面的应用具有其特有的优势,引导科研、临床及转化医学等多领域的发展。

一体化PET/MR 的出现,不仅是两幅图像、两种设备的融合,而且是多功能、多学科、多种人才和知识的融合。对我们既是机遇,又是挑战,加快培养核医学和MRI两者均熟悉的复合型人才,才能真正发挥PET/MR这个高精尖设备的作用。迄今国内尚无有关PET/MR领域的专著,首都医科大学宣武医院于2015年7月在国内率先应用一体化TOF PET/MR开展临床研究,取得了丰硕的成果和临床经验,并编写了国内首部著作。本书由多名从事核医学和放射学诊断的医师共同完成,内容丰富,实用性强,既包括PET/MR在某些疾病方面取得的重要成果,又介绍了尚处于研究阶段的尝试性探索,便于核医学科、放射科、临床各科室医生以及相关研究人员学习和使用。相信本书的出版,将会对PET/MR的研究和临床应用起到积极推动作用。2017年4月序 三

医学影像学是临床医学发展最快的学科,影像学检查已经成为循证医学的主要证据来源(占70%~85%)、重要的科学研究工具。近年来一体化PET/MR设备问世,把影像学的技术进步推到顶峰。众所周知,磁共振软组织对比分辨力高,检查方法多样,一次检查可以获得人体解剖形态结构、功能、代谢、灌注、扩散等多种诊疗信息,被称之为“一站式”检查手段;而PET显示组织器官代谢的敏感度和特异度极高, PET/MR二者结合是迄今为止最强大的研究手段,伴随技术进步和逐步完善,该设备的发展潜力一片光明。

首都医科大学宣武医院是国内最早对一体化TOF PET/MR设备进行验证和评价的单位。一年多来,对设备质量控制、操作技术规范、示踪剂、全身各系统肿瘤、中枢神经系统重大疾病和心脏病开展了系统研究,取得初步成果,本书为其经验的总结。伴随国内开始将PET/MR用于临床的进程,相信本书会发挥重要指导作用,为推进我国影像学学科发展做出贡献。2017年4月前 言“未来已经来临,只是尚未流行。”这是2015年作者翻译国内第一部《PET/MR方法和临床应用》一书中所引用的科幻预言。如今,时间仅过去1年多,我们欣喜地看到有关PET/MR的科学研究与临床应用得到了迅猛发展,专家共识已初步形成,未来我国大脑计划的研究中PET/MR势必会发挥更大的作用。

多模态成像设备的发展是影像学进步的重要里程碑,一体化PET/MR 是PET和MRI两者融合的新型影像设备,是目前最前沿的技术之一。近年来,一体化PET/MR 技术日趋成熟并已逐步应用于临床,同步扫描可以获得即时解剖结构和功能代谢信息,是分子影像学的重要支柱,在科研和临床中具有重要作用。一体化PET/MR实现了患者的“一站式检查”,而且具有图像质量高、辐射剂量低等无可比拟的优势,一次扫描可以同时获得PET和多种MRI图像,在神经系统、肿瘤诊断、分期及疗效评价、心脏、肌骨、儿童等各领域均有广泛应用前景,必将对现代和未来医学模式产生革命性的影响。

全书共分十个章节,分别介绍了PET/MR成像技术、PET示踪剂和MRI对比剂、一体化PET/MR操作流程,以及PET/MR在颅脑疾病、肺癌、腹部肿瘤、盆腔肿瘤、淋巴瘤、乳腺癌、心脏疾病等方面的临床应用和研究。其中重点介绍了PET/MR在颅脑疾病的应用,这是PET/MR的主要优势,尤其与特异性示踪剂相结合,对许多疾病如阿尔茨海默病、帕金森病、肿瘤、癫痫、脑血管病等的病理生理机制、早期诊断和治疗均具有重要意义。本书能够帮助国内核医学科、放射科和临床医生了解和认识PET/MR,促进多学科之间的密切合作。

衷心感谢参与本书编写的所有人员,大家在日常的繁忙工作之余完成了书稿,由于相关参考资料较少,编写期间我们对内容进行了多次讨论和修改,但由于作者水平和经验有限,疏漏、错误与不足在所难免,敬请广大同行和读者给予批评和指正。

感谢核医学科和放射科所有人员对本书编写的关心和帮助!感谢临床各科室无私地提供病例!感谢相关各部门为PET/MR顺利安装和运行给予的鼎力支持!上下同欲者胜,同舟共济者赢!让我们共同期待PET/MR能够更好地应用于临床,并祝愿我国医学影像学沿着新世纪的发展方向不断前进!赵国光 卢洁2017年4月第一章 PET/MR成像技术第一节 PET成像技术

PET的全称是正电子发射计算机断层显像(positron emission computed tomography,PET),是将体内代谢所必需的某种物质,标1811记上放射性核素(如F、C等)注入人体,通过对该物质的代谢聚[1]集进行诊断的影像技术。一、PET设备的总体结构

PET总体结构包括探头(晶体、光电倍增管、高压电源)、电子学线路、数据处理计算机、扫描机架、检查床等,如图1-1-1所示。PET的探头是由若干探测器环排列组成,探测器环的数量决定PET轴向视野和图像层面。轴向视野是指与探测器环平面垂直的长轴范围内,可以探测的真符合事件的最大长度。因此,PET探测器环数越多,探头轴向视野越大,一次扫描获得的层面越多。PET探测器由晶体、光电倍增管、高压电源和相关电子线路组成,将许多探测器按照一定次序紧密排列在探测器环周。电子线路包括放大、甄别、采样保持、符合线路、模拟/数字变换、数据缓存、定位计算等。符合线路输出符合脉冲控制模数转化器,并计算定位地址x、y,再将该地址数据存入计算机,计算机以此为依据进行图像重建。传统PET需要配置栅隔进行二维采集,最新一代PET采用散射校正技术,能够提高三维采集图像质量,所以取消了栅隔,目前,PET扫描模式均采用三维采集。图1-1-1 PET结构示意图二、PET探测器的结构

探测器是PET的核心部分,由晶体、光电倍增管(photomultipliers tube,PMT)或光电转换器、放大和定位电子线路组成。探测器最前端的晶体通过光电偶合连接于PMT的阴极面,PMT连接放大和定位电路。1.晶体

PET探测器常用的晶体有锗酸铋(BGO)、硅酸镥(LSO)、硅酸钇镥(LYSO)和以镥为基础的晶体(LBS),其中LSO、LYSO和LBS晶体具有光子产额高和光子余辉时间(死时间)短(一般<80ns)的优点,而且能够实现PET探测器的飞行时间技术(time of flight,TOF),因此目前被广泛应用。BGO晶体虽然余辉时间长,但是自身无放射性,只能通过延长晶体长度提高探测灵敏度和效率。LSO、LYSO和LSB均含有镥,余辉时间短,存在自身放射性,但晶体不能做的太厚(长),从而限制了其探测灵敏度和效率。BGO晶体18适合F标记的正电子示踪剂,而LSO、LYSO和LBS除此之外,对1113C、N等短半衰期的示踪剂具有明显优势。2.光电倍增管(光电转换器)

光电倍增管分为传统真空管的光电倍增管(photo multiplier tube,PMT)和固相阵列光电倍增管(solid state photomultiplier,SSPM),SSPM又分为雪崩光电二极管(avalanche photo diode,APD)和硅光电倍增管(silicon photomultiplier,SiPM)(表1-1-1)。PMT已经广泛应用于PET和PET/CT设备,但是由于传统PMT含有真空管,电子在磁场中会发生偏移和移动,所以不适用于一体化PET/MR,应该选择SSPM。APD时间分辨率极差,对温度和磁场比较敏感,增益非常小,转化效率低,不能实现TOF技术,已经被先进的[2]SiPM取代。基于SiPM的PET探测器不但整体性能高,而且结构紧凑,便于进行磁场和放射性屏蔽,所以是一体化PET/MR的最佳选[3-6]择。表1-1-1 三种光电转化器的性能特点3.信号放大和定位电路

γ射线与晶体作用产生荧光后,通过PMT转化成电信号,再输入到放大和定位电路。PMT或SiPM产生的电信号非常弱,需要经过放大后,才能进行精准的定位分析,经过定位电路处理后获得光子位置。将晶体、光电转换器、放大和电子线路组件,安装于有保护和光屏蔽作用的外壳内,组成探测器(头)的一个组块,多个组块构成PET探测器环的基本单元。三、PET成像原理

注射进入人体组织的正电子示踪剂发射出的正电子穿过人体组织时,在很短的距离内(1~3mm)与组织细胞中负电子发生湮灭作用,产生互成180°能量为511keV的γ光子对(图1-1-2),PET采用符合探测技术进行数据采集和处理。正电子发生湮灭作用时产生的γ光子,同时击中探测器环上对称位置上的两个探测器,每个探测器接收到γ光子后产生一个定时脉冲,并以列表方式(list mode)进行储存,然后分别输入到符合线路进行甄别。符合线路设置的时间窗(通常<10ns),同时落入时间窗的定时脉冲被认为是同一个电子湮灭事件中产生的γ光子对,从而被符合电路记录,这就是符合甄别的过程。符合时间窗可以排除很多散射和随机光子,从而提高探测信号的信噪比。由于PET探测器的结构和性能不同,符合时间窗设置值也明显不同(4.0~10.0ns),宽的符合时间窗提高总计数,但是也增加随机和散射计数。正电子湮灭辐射生成的两个γ光子,只有在两个探头所形成的立体角内才能被探测,这种利用湮灭辐射和两个相对探头确定闪烁点位置的方法称为电子准直。电子准直是PET成像技术的一大特点,它避免了沉重的铅或钨制准直器,极大提高了探测的灵敏度和空间分辨率,就二维采集模式而言,灵敏度比单光子发射计算机断层显像(single photon emission computed tomography,SPECT)高 10倍。图1-1-2 正电子的湮灭过程四、PET校正技术

PET探测器的晶体和光电倍增管存在的性能不同,以及放射性示踪剂衰变、人体组织对示踪剂吸收、γ射线探测的随机误差、γ射线吸收和散射误差等因素均影响PET的定量精度。符合线路探测的是同时发生的闪烁事件,正电子湮灭产生的光子到达对应的一对探测器并被记录的时间有微小差异,这种时间差异称为符合线路的分辨时间。探测器之间的符合线路被设定为一段时间,这种两个探测器的符合探测时间范围称为符合时间窗,在符合时间窗内进入两个探测器的光子被认为来源于同一次湮灭,即真符合(图1-1-3A)。由于衰变具有随机性,有时源于不同湮灭的光子,其中两个光子在符合时间窗内分别被不同位置的探测器接收,而误认为是同一湮灭光子对,这种不是由湮灭作用产生的符合称为随机符合(图1-1-3B)。γ光子在飞行过程中还会产生康普顿散射,如果湮灭光子对中的一个光子与吸收物质作用,改变电子动能的同时使γ光子改变飞行方向,导致与另一正常飞行的γ光子同时进入两个相对的探测器,这种符合称为散射符合(图1-1-3C)。湮灭作用后生成的两个γ光子,如果一个被组织吸收,只有另外一个到达探测器,也无法探测到真正湮灭作用的正电子核素,称为组织衰减(图1-1-3D)。射线衰减的程度由响应线(line of response,LOR)穿过物体路径的长度,以及物体对511 keV γ光子的线性衰减系数(linear attenuation coefficient,LAC)分布决定。当被测物体体积大、组织结构复杂时,射线衰减非常严重,使PET的定量分析精度大大降低,因此,衰减校正成为PET成像中一个必不可少的环节。图1-1-3 发生随机、散射和真符合示意图A. 真符合;B. 散射符合;C. 随机符合;D. 组织衰减

γ射线衰减校正技术在PET、PET/CT和PET/MR成像设备完全不68同。传统PET采用Ge线源进行扫描,获得人体组织衰减系数图(attenuation coefficient map,µ-Map)进行校正。对于PET/CT系统,利用CT扫描可以很容易获得X射线能量对应组织的LAC分布,然后将其转换为511keV对应的LAC。PET/MR采用MRI不同序列获得人体组织的气体、水、脂肪、软组织和骨骼信息,反映的是质子弛豫时间和密度的分布,无法直接得到物体的LAC分布。因此,如何利用MRI图像得到物体的LAC分布是PET/MR的关键技术。有关PET/MR衰减校正方法见本章第三节。五、PET性能指标与质量控制1.PET的重要性能指标

评价PET性能的参数指标主要有:①能量分辨率(energetic resolution):是探测器对射线能量的甄别能力,直接影响探测器的其他性能。②空间分辨率(spatial resolution):是探测器在x、y、z三个方向能分辨最小物体的能力,以点源图像在三个方向的空间分布函数曲线的半高宽(full width at half maximum,FWHM)表示,单位是毫米,影响病变的检出能力。③时间分辨率(time resolution):是指正电子探测器可计数的两对γ光子之间的最短时间间隔,即探测器对γ光子对时间响应曲线的FWHM,单位是皮秒(ps)。④噪声等效计数率(noise equivalent counts rate,NECR):PET的符合计数包含真符合计数、散射计数和随机计数,如果将符合采集数据真符合之外的计数均归为噪声,与无散射和随机符合具有相同信噪比的真符合计数率即为NECR,是衡量信噪比的标准,NECR值越高,数据的信噪比越高,图像对比度越好。⑤系统灵敏度(sensitivity):是指单位时间内、单位辐射剂量条件下获得的符合计数,是衡量探测器在相同条件下获得计数能力的重要指标,高灵敏度探测器获得一帧相同质量图像所需的时间较短或所需示踪剂的活度较小。⑥最大计数率(maximum counts):是指探测器在单位时间能计量的最大计数值。通常计数率随辐射剂量增大而增加,但由于余辉时间的影响,到达较高计数率时,探测器的时间响应限制计数率增加,导致出现漏记现象,随着漏记现象的增多,计数率达到饱和,即使继续增大辐射强度,计数率也不再增加,反而下降。2.PET的质量控制

为保证PET的正常运行与图像质量,需要对设备按照专业指标进行严格质量控制,发现某些性能指标出现偏差,要对系统进行调试维护。PET的质量控制分为:①验收质控:指设备安装后进行的全面性能测试,检验是否达到厂家标定的技术及操作性能,应有厂家或供应商代表在场。②参考质控:指对设备的性能进行全面测试,提供全面性能指标的参考数据,评估设备性能变化。③常规质控:指日常定期对设备进行的性能测试,包括日质控、周质控、月质控和年质控等,以便及时发现设备性能变化,确保运行的最佳状态。目前国际采用的PET测试标准主要是美国电气制造者协会(National Electrical Manufactures Association,NEMA)制定的标准,以及欧洲经济共同体(European Economic Community)制定的国际电工委员会(International electrotechnical Commission,IEC)标准。为了适应PET技术的进步和新的临床应用,NEMA标准有不同的版本,如NEMA NU-2 2012增加了一体化PET/MR设备中PET性能的检测方法。第二节 MRI成像技术

磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)是对人体组织细胞中的原子核进行成像,最常用的是氢原子,在外加磁场的环境中,通过施加特定频率的射频脉冲,实现氢原子核的共振完成激发和接收信号,再通过后处理获得图像。MRI能够提供多序列、多参数、多时相、高分辨率的结构、功能和代谢图像,对于神经系统、腹部、盆腔和骨关节等疾病均具有重要价值。一、MRI设备的构成

磁共振成像系统按照结构分为开放式和非开放式,按照磁场强度分为低场(场强<0.5T)、中场(0.5T≤场强<1.0T)和高场(场强≥1.0T)磁共振。MRI系统主要由磁体、梯度系统、射频系统、外周辅助设备和计算机图像处理系统等硬件组成。1.磁体

常用的磁体种类包括稀土材料的低场强永磁磁体,铌镍合金线圈在液氦中形成超导状态而产生的恒定高场磁场(1.5T、3T等)。2.梯度系统:

包括x/y/z三组梯度线圈和相应的放大器等电子元器件,超导磁场源于通电螺线管,使用右手法则可以判定磁场方向。根据电磁感应定律,梯度系统通过电流变化而产生磁场变化,并不断振荡传播。3.射频系统

包括射频发射/接收线圈和相应的放大器等电子元器件。射频接收线圈感受到的磁场变化将切割线圈形成电流,通过计算机系统处理得到MRI信号。MRI最大的射频发生和接收线圈是体线圈,此外,正交线圈也具有发射和接收功能,表面线圈只能接收信号。临床常规使用的体表线圈有头颈线圈、胸腹部表面线圈、乳腺线圈、柔线圈等(图 1-2-1)。4.计算机控制和图像重建系统

MRI计算机控制系统协调梯度、射频和信号接收之间的有序工作,图像重建和处理工作站将信号进行处理和显示,以满足临床需要。图1-2-1 MRI体表线圈A. 头颈线圈;B. 胸腹部表面线圈;C. 乳腺线圈;D. 柔线圈5.外周辅助设备

包括电源、水冷系统、空调、图像存储与传输系统(picture archiving and communication systems,PACS)、胶片打印机等。主电源柜用于对各个子系统分配电源,水冷系统确保系统在恒温下工作。二、MRI成像原理1.磁共振现象

人体含有丰富的氢原子核(简称“氢核”),氢核具有较高的磁化率,能够产生较强的磁共振信号。人体内的水分子按照状态分为自由水和与其他大分子结合的结合水,MRI信号主要来源于自由水。每个氢核都有自旋运动,在自然状态下,自旋磁矩杂乱无章,因此不具有磁性。但将氢核置于外磁场B0时,由基态能级E 0分裂为高能级E2和低能级E1,正反方向排列的氢核形成净磁化矢量,与B0方向相同。氢核如同陀螺一般,绕着主磁场旋转,这就是进动,其频率称为拉莫尔频率,进动频率取决于磁场强度,即ω=γB0,向磁矩施加符合拉莫尔频率的射频能量,氢核会吸收脉冲能量,使处于低能级的原子核跃迁至高能级,从而发生核磁共振,使宏观磁化矢量发生偏转,射频脉冲能量越大,偏转角度越大。2.弛豫和对比度

氢原子核受到射频激发吸收能量后,宏观磁化矢量发生偏转,当射频脉冲关闭以后,氢核将重新沿着外磁场方向排列,释放出能量,恢复至平衡状态,这个过程称为弛豫。(1)T1弛豫与T1对比度:

射频脉冲传递能量激发氢核,恢复至稳态或者低能级状态需要把能量传递给外界环境—周围的晶格,然后纵向磁化矢量(M)恢复z至主磁场方向(z轴)最大值。关闭90°射频脉冲后,纵向磁化矢量恢复至最大值63%所需要的时间为T1弛豫时间(图1-2-2),其弛豫函数-t/T1为M=M(1-e)。T1值越短,纵向磁化矢量弛豫越快,M的大小zoz与图像明暗对比有关,通过选择合适的成像参数,可以将不同T1值的组织区别开,形成T1对比图像。(2)T2弛豫与T2对比度:

T2弛豫为横向弛豫,相邻原子核在无规则的运动过程中,发生能量交换,这种现象称为自旋-自旋弛豫。能量传递给周围晶格形成T1弛豫的同时,也在质子群内部传递,在xy平面上表现为横向磁化矢量逐渐衰减至零,或者称为失相位,原因是自旋-自旋相互作用和外磁场的不均匀性。关闭90°射频脉冲后,横向磁化矢量衰减至最大值37%所需要的时间为T2弛豫时间(图1-2-3),其弛豫函数为-t/T2M=Me。不同组织失相位的快慢不同,其差异形成T2对比。xyxyo图1-2-2 T1弛豫时间图1-2-3 T2弛豫时间(3)质子密度与质子密度对比度:

氢质子的密度影响纵向磁化矢量最大值M0,当重复时间(repetition time,TR)>3T1时,纵向磁化矢量恢复约95%,可以去除T1影响,获得质子密度(proton density,PD)对比成像,因此,通常TR为3至5倍T1时间得到最大质子密度对比。(4)图像加权:

由于90°脉冲关闭后,横向弛豫和纵向弛豫同时发生,所以很难获得单纯的T1对比或者T2对比图像,图像的对比度往往同时既有T1又有T2,还有质子密度的影响,只有获得某种加权的图像,才能使其他对比度的影响降至最低。T1加权像(T1 weighted-imaging,T1WI),使用短TR(<500ms)形成T1对比,短TE(<25ms)减少T2对比;T2加权像(T2 weighted-imaging,T2WI),使用长TR(1500~2500ms)使纵向磁化矢量尽可能恢复至M0,长TE(>90ms)进一步降低T1对比;质子密度加权像(proton density weighted-imaging,PDWI),使用长 TR(1500~2500ms)降低 T1 影响,短 TE(<25ms)降低 T2影响。3.图像重建和信号处理

射频脉冲激发氢核后,就开始图像采集,此时需要利用梯度磁场进行空间定位。梯度磁场主要作用:一是通过改变局部磁场强度影响进动频率,变化幅度约为几百到几千Hz,主要进行2D图像选层和层面内空间位置编码;二是影响相位变化,作用持续至梯度磁场关闭以后,主要进行3D图像选层和层面内空间位置编码。对MRI信号进行空间编码后,需要数字化采样把模拟信号转换为计算机的数字信号。(1)层面选择:

以2D序列为例,垂直于成像平面施加线性梯度场,将在同一方向引起氢核共振频率的线性改变;同时施加与成像平面内共振频率一致的射频脉冲实现层面选择。梯度磁场导致层面间中心频率差异,每个层面内频率范围取决于层厚和梯度场强。(2)空间定位:

利用相位编码(y方向)和频率编码(x方向)梯度进行空间定位,梯度关闭后,氢核将恢复至原来的共振频率,而相位差异被保留,通常垂直于频率方向,在频率编码梯度之前施加。4.傅里叶变换和K空间

磁共振原始数据需要经过傅里叶变换填充至K空间,K空间是采集、存储和处理复杂数据的数学平台。K空间每个点与图像的每个像素并不一一对应,它包含了所有像素的信息。K空间中心的相位及频率梯度场强最小,失相位效应最小,获得的回波信号幅度最大,决定图像的对比度;周围梯度场强增大,体素相位差最大,提供空间细节,决定图像的锐利度。常见的K空间填充方式包括顺序填充,如自旋回波(spin echo,SE)、梯度回波(gradient echo,GRE)序列等;迂回填充,如平面回波成像(echo planar imaging,EPI);螺旋填充,如动脉自旋标记(arterial spin labeling,ASL)。三、MRI成像序列

MRI成像序列是指射频脉冲、梯度和信号采集等按照不同时序设置的参数组合进行工作,从而获得需要的图像,不同脉冲序列适合不同部位、不同病理生理的成像,常用的脉冲序列包括自旋回波序列、[7-9]反转恢复序列、梯度回波序列、平面回波序列等。不同厂家序列的名称不同,见表1-2-1。表1-2-1 常用MRI成像序列不同厂家名称续表1.MRI脉冲序列的基本参数

一个脉冲序列有许多变量,统称为序列成像参数,选择不同成像参数得到不同类型图像。序列的主要成像参数包括:①TR:指脉冲序列一个周期所需要的时间,即从第一个射频激发脉冲至下一周期同一脉冲的时间间隔。TR延长,图像信噪比提高,允许扫描层数增多,T2权重增加,T1权重减少,检查时间延长;反之TR降低,信噪比降低,允许扫描层数减少,T2权重减少,T1权重增加,检查时间缩短。②回波时间(echo time,TE):指射频激发脉冲与产生回波之间的间隔时间。TE与信号强度呈反比,TE延长,信噪比降低,T1权重减少;TE缩短,信噪比增加,T1权重增加。③反转时间(inversion time,TI):指反转恢复类脉冲序列中,180°反转射频脉冲与90°激励脉冲之间的时间间隔。④翻转角(flip angle):射频脉冲激发下质子磁化矢量方向发生偏转,偏离的角度称为翻转角或激发角。常用翻转角有90°和180°,相应的射频脉冲分别被称为90°和180°脉冲,快速成像序列采用小角度激励技术,其翻转角<90°。⑤信号激励次数(number of excitations,NEX):又称信号采集次数(number of acquisitions,NA),指每一个相位编码步级采集信号的重复次数,NEX增大,图像信噪比增加,图像伪影减少,但扫描时间延长。⑥视野(field of view,FOV):由图像水平和垂直两个方向的距离决定,最小FOV与梯度场强的峰值和梯度间期有关。⑦矩阵(matrix):指频率编码和相位编码方向采集的像素数目,矩阵=频率编码次数×相位编码次数,如频率编码次数为256,相位编码次数为192,则矩阵为256×192。⑧带宽(bandwith,BW):指接收信号的频率范围,即读出梯度采样频率的范围,采用低频率编码梯度和延长读出间期可获得窄带宽。2.自旋回波序列

SE序列是MRI成像最基础的序列。标准SE序列由一个90°射频激发脉冲与一个180°聚焦脉冲组成,90°射频激发脉冲至产生回波需要的时间为TE,相邻两个90°射频激发脉冲之间的时间为TR。90°射频激发脉冲将纵向磁化矢量(M)完全翻转至横向磁化矢量(M),zxy此时撤去激发脉冲后,氢质子开始自旋失相位,在TE/2时间施加180°聚焦脉冲,再经过TE/2,失相位横向磁化矢量重聚产生回波信号。SE序列优点为能够获取特定对比的图像,包括T1、T2及PD加权成像,缺点是扫描时间较长。为缩短扫描时间,提高成像速度,在SE序列基础上发展快速自旋回波序列(fast spin echo,FSE),在一个90°射频激发脉冲后利用多个(>2个)180°聚焦脉冲产生多个自旋回波,自旋回波的数目为FSE序列的回波链长度。在其他成像参数不变的情况下,回波链越长,采集时间将按比例缩短,假设回波链=N,FSE序列的采集时间是SE序列的1/N,因此FSE序列在临床广泛应用。3.反转恢复序列

反转恢复序列(inversion recovery,IR)可以提高组织T1对比度,抑制某些组织的信号来改变对比度。通常在SE序列的基础上,90°射频激发脉冲以前施加额外的180°翻转恢复脉冲,将纵向磁化矢量完全翻转至反方向,然后从反方向最大值开始恢复,经过一定的时间间隔TI,再施加90°射频激发脉冲进行SE序列成像。常见的IR序列包括提高T1对比度的液体衰减反转恢复(fluid attenuated inversion recovery,FLAIR)序列,抑制脂肪信号的短时间反转恢复(short time inversion recovery,STIR)序列,抑制自由水的T2 FLAIR等。4.梯度回波序列

GRE是在自由感应衰减(free induction decay,FID)信号产生后施加一定的梯度场,失相位梯度使FID信号衰减至零,然后大小相等方向相反的聚相位梯度场产生梯度回波GRE。GRE序列与SE序列相比,只使用1个射频脉冲,TE比SE序列短,成像速度更快;使用小翻转角时,TR时间更短,可以进行快速扫描,所以很多快速成像技术和血管成像技术等都是GRE序列。另外,GRE序列没有180°聚相位脉冲,不能消除磁场不均匀性带来的相位漂移或化学位移,图像对比度受T2*的影响,所以磁敏感伪影和化学位移伪影比较明显。5.平面回波序列

EPI实际上并不是独立的序列,而是使用梯度线圈连续正反切换的方式采集信号,信号的产生或者对比度仍然依赖于基础序列。由于连续切换梯度,K空间填充采用连续迂回填充,每次射频结束后可采集完一个层面所有数据,因此扫描速度快,但对于磁场不均匀性非常敏感。四、MRI性能指标与质量控制

MRI性能指标对于评价MRI整体性能很重要,而MRI设备质量控制是整体性能和临床诊断的保障。1.MRI性能指标

常用性能指标包括主磁场强度、主磁场均匀性、主磁场稳定性、梯度场强、梯度切换率、射频系统功率、接收线圈的单元数等,体现在图像质量上就是共振频率、图像信噪比、图像均匀度、空间线性、空间分辨率、最小层厚等。2.MRI质量控制

国际一些学术组织从20世纪80年代中后期开始先后对MRI设备的性能参数、性能测试、验收测试和安全提出标准。如1988年NEMA发布MRI参数的测试方法与标准;1990年美国医学物理学家协会(American Association of Physicists in Medicine,AAPM)发布磁共振成像质量保证和体模的1号报告;1992年AAPM发布磁共振成像系统验收测试的6号报告;2015年AAPM发布关于MRI并行采集技术的应用和质量控制的118号报告。MRI常规性能参数包括均匀度、信噪比、线性、空间分辨率、伪影、弛豫时间T1和T2的测量等,美国放射学会(American College of Radiology,ACR)协助提供了统一的检测模型。MRI质量控制分为每日、每月和每季度,每日包括磁场均匀度、分辨率、空间线性测量,每月测试增加图像伪影分析,每季度测试包括了信噪比等的测试。这些测试对于确保MRI系统性能稳定、及时发现问题极其重要。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[10-12]PET/MR设备。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/MR2.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68校正。在PET和PET/CT系统中,分别利用Ge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[13,14]图像信息相结合以恢复人体轮廓。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[15,16]回波技术能够精准获得骨皮质的解剖结构。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[17]

Montandon等在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[18-23]像进行衰减校正。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[24]TOF技术将其区分,应用透射数据进行衰减校正。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[25]战,因此,该方法适用于分体式PET/MR 系统。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)参考文献

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25.高艳,赵晋华.PET/MR衰减校正技术的研究进展.中国医疗设备,2015,30(7):75-78.第二章 PET示踪剂和MRI对比剂第一节 PET示踪剂

放射性药物是指可用于临床诊断或治疗的放射性核素或其标记的单质、化合物及生物制剂,可分为SPECT示踪剂、PET示踪剂和治疗药物三类。PET示踪剂是指采用正电子放射核素标记的化合物,由于正电子放射核素大多属于短半衰期的核素,所以标记方法、原理和长半衰期核素标记的药物有一定的区别,一般需要采用自动化学合成方11法。正电子放射核素多由回旋加速器或发生器获得,常用的有C、131518N、O和F等,它们是组成人体生命的基本元素,其标记化合物的代谢过程反映了机体生理和生化功能的变化。新型PET示踪剂的研发和临床应用,对于疾病的诊断和治疗具有重要价值,但是我国PET[1,2]示踪剂的临床应用发展缓慢。

从医用回旋加速器获得的正电子放射性核素大部分需要经过放射13化学合成系统合成,制备成PET示踪剂才可以应用,而N-NH·HO3218和F-NaF经过纯化和无菌处理后就可以直接应用。表2-1-1是常用正[2,3]电子核素的物理性能。表2-1-1 常用几种正电子核素的物理性能

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