现代医学的进步很大程度上依赖于医疗仪器的发展, 超声、CT、MRI、SPECT、PET等不同的断层成像仪器的出现为临床诊疗及研究带来了极大的便利。为了诊断的准确性, 影像科及临床科室医师常常需要将不同仪器的影像胶片摆在一起进行对比分析, 形成了最初的视觉图像融合方法, 即不依赖仪器, 仅靠人眼观察对比某脏器的不同影像图像, 由人脑分析进行图像配准和病变定位, 这也是最简单、最经济并一直在临床应用的图像分析方法。视觉图像融合方法使用简便, 但是其图像配准与定位依赖于观察者的经验技术, 由于SPECT和PET图像在显示脏器解剖结构方面的劣势, 使得许多病变难以准确定位, 临床的定位需求促成了计算机图像融合技术的发展^[2-3]。

随着计算机硬件及软件技术的发展, 人们能够将同一部位的不同显像模式的图像经过一定处理后进行融合叠加显示。这些图像可以是直接来自显像仪器存储的DICOM(一种医疗数字和通信格式)图像, 也可以是通过胶片扫描获得的图像^[4]。图像融合前需先进行预处理及配准, 配准是通过对选定的解剖标志或成像前体外预先放置的标志进行重合匹配^[5]。计算机融合的算法主要有2类, 一是基于像素的灰度加权求和逐点处理法, 二是基于图像特征的方法, 前者相对简单, 后者的原理较复杂, 但效果较好, 比如小波变换法、多分辨率形态滤波法等; 融合图像的显示主要有伪彩显示法, 并使用三维数据进行体层显示和三维显示。这种异机图像融合技术相对于视觉融合明显提高了图像融合和病变定位的准确性, 对多模式影像的发展是个有力的促进因素, 很早之前, 众多学者就开始借助一定的图像融合软件并利用MRI对软组织的分辨优势, 进行了较为广泛的解剖与功能对照研究^[2-5]。

同机图像融合技术是异机图像融合技术在影像仪器硬件发展上的一个飞跃, 其最直接的表现即是PET-CT仪的出现, PET-CT在临床上的成功又加速了SPECT-CT和PET-MRI的发展。来自同一台仪器的多模式检查能够保证患者体位的一致性和检查时间上的近似性, 从而使图像融合配准更加简单、定位更加准确可靠。但由于MRI磁场的特殊性, PET和MRI组件在成像上存在互相干扰, 使得PET-MRI在硬件发展上存在一定的滞后, 并出现了不同的设计模式, 主体机架有分体式和一体式之分。分体式是将PET机架和MRI机架分开一定距离或分别放置于不同的房间, 使之不会互相干扰成像, 而患者在检查床上由机器自动传送至不同的机架上进行成像; 一体式则是将PET和MRI成像系统组装于同一机架内, 当然其组件材质需使其互相影响降到最低, 并可同步进行PET及MRI。两种模式虽各有优缺点, 但两种机架模式都能保证患者在同一体位成像, 达到了图像融合的准确性。而且, 一体式PETMRI的两个成像组件更是可以做到同步成像, 从生理角度来考虑, 使得解剖显像和功能显像获得更为有效的统一。

当然, 由于PET-MRI仪较PET-CT仪更为复杂, 从硬件及软件各方面都有待于进一步完善和成熟^[6-8], 距离临床普及应用尚有一定时日, 但其临床应用研究早已展开, 并展现出了广泛的应用前景。

神经系统MRI不存在颅骨及脊椎骨骼伪影的干扰, 能够清楚显示神经系统结构及信号改变, 从形态学角度来说, 是目前诊断神经系统病变的最佳手段; PET则能够显示各部位神经组织的代谢水平, 体现的是神经组织的功能状态, 两者的结合明显优于PET-CT组合。

癫是一种常见的慢性神经系统病变, PETMRI图像融合技术使得癫病灶更易观察, 因为致 灶局部FDG代谢会减低, 即使常规序列MRI对部分轻微病变显示欠佳, 扩散张量成像也会有助于致灶的显示, 可看到表观弥散系数增加^[9-10]。Lee和Salamon^[11]对难治性癫患者进行了PET-MRI研究, 结果发现, 部分难治性癫患者MRI显示完全正常, 而PET能够在癫间期观察到代谢减低, PET-MRI组合能够更好的检出和定位病灶, 帮助外科医师完善手术计划。

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)是一种认知障碍性疾病, 以脑萎缩并伴有β淀粉样多肽的沉积为特征, MRI和PET能够显示患者头部的萎缩及代谢特征^[12]。Mosconi等^[13]通过对早发性常染色体显性遗传AD家庭的个体(他们携带家族性早衰蛋白1号基因突变)进行研究发现, 家族性的AD在发病前其代谢减低会早于脑萎缩的出现, 从而可以在发病前得到预测。而融合图像的出现对AD的研究更为有利, 形态和功能得以统一。

脑血管性病变引起脑出血或梗死, 必然导致受累区域的代谢异常, PET-MRI可分析局部代谢与细微结构的异常改变。在缺血性中风患者, 弥散加权成像和灌注加权成像之间的不匹配区是临床的治疗目标区, Sobesky等^[14]用PET来观察此脑组织区间的新陈代谢方式, 并比较MRI所见不匹配区及PET确定的半影区的容积, 对比研究证实了当前病理假设中弥散加权成像病灶和血流减低区域的存在, 然而发现不匹配区域没有可靠地反映血氧摄取分数的升高, 而且高估了PET的半影区范围。此研究为PET与MRI的对比, 但在将来的临床检查中, PET与MRI的检查将同机同步进行, 对脑血流、代谢、功能的研究将更为准确可靠。

PET-MRI对颅脑肿瘤的清晰显示是PET-CT所不能及的。Provenzale等^[15]较早地进行过颅内肿瘤的PET-MRI研究, 回顾性对比分析神经节神经胶质瘤患者的PET、MRI图像及PET-MRI融合图像发现, 神经节神经胶质瘤的FDG代谢并非一致性地增高, 而融合图像利于确定肿瘤边界及代谢活性, 为手术计划及疗效判断提供依据。Boss等^[16]用头部专用一体式PET-MRI对头部肿瘤的常规扫描及扩散张量成像均可获得优质的图像, 虽然与PET同时采集时所得的扩散张量成像图像中存在边缘增强伪影(表明有很高的涡流效应), 但是扩散张量成像能够额外提供非常重要的形态及功能信息。

由于PET-MRI综合了PET和MRI两者的优势, 其在确定肿瘤大小、形态、边界等方面将比单一的PET或MRI和CT更可靠, 对放疗病灶靶区的规划也很有帮助。Thorwarth等^[17]通过评估脑膜瘤同步PET-MRI图像用于调强放疗计划, 对比了CT、MRI、⁶⁸Ga-奥曲肽PET-CT和同步采集的⁶⁸Ga-奥曲肽PET-MRI, 结果表明, 基于同步PET-MRI的计划靶区与基于MRI+PET-CT的计划靶区具有显著的一致性。

观察周围神经组织的病变是PET-CT的弱项, CT图像上这些病变往往被邻近的肌肉、血管组织所掩盖, 难以分辨, 而MRI则常被用来观察颈丛、腰丛神经等神经病变的细节表现。Dong等^[18]报道, 1例骶神经根神经淋巴瘤患者因伴有严重的神经性右大腿放射痛而检查腰椎平片和MRI, 但均没有找到疼痛原因, ¹⁸F-FDGPET-CT发现了右侧骶2神经根的¹⁸F-FDG摄取增高, 再对照之前的腰椎MRI可见右骶2神经有异常强化, PET所见的¹⁸F-FDG摄取增高和MRI所见的异常强化两个征象互相映衬, 从而得以更有把握地解释患者病因, 可见PET与MRI的组合利于减少漏诊、误诊。当然, 不止是神经淋巴瘤, 其他的周围神经损害, 比如炎症、外伤等均可能检出代谢异常, 并可借助MRI定位和清晰显示。

对腹部实质性脏器的影像诊断, MRI凭借其多种成像序列的应用使之在该领域一直占据优势地位, PET-MRI则是在此优势之上添加PET的功能显像, 将使该优势更加稳固。Donati等^[19]对比了37例疑似肝转移患者的PET-CT、钆增强MRI和回顾性PET-MRI融合图像, 结果发现PET-CT和MRI对肝病灶的检出率分别为64%和85%;对肝转移灶的灵敏度分别为76%和91%, 而PET-MRI的灵敏度为93%, 钆增强MRI和PET-MRI明显高于PET-CT; 对于直径大于1cm的病灶, PET-MRI的诊断可信度明显高于PET-CT, 三者准确率分别为85%、94%、92%和96%(两名读片者), 而钆增强MRI和PET-MRI之间在灵敏度和诊断可信度方面无统计学差异。

Ruf等^[20]对32例疑似胰腺癌患者的PET、MRI以及PET-MRI图像进行了对比分析, 结果发现, ¹⁸F-FDG PET从视觉上判别的灵敏度和特异度分别为93%和41%, 而从半定量角度分析则分别为86%和58%;MRI的灵敏度和特异度分别达到100%和76%;PET-MRI融合图像有利于解释¹⁸FFDG浓聚灶在解剖上的分布, 在治疗评价上对多发病灶和无法切除病灶的患者更为有益。Malesci等^[21]观察1例疑似胰腺癌患者, CT仅发现了胰腺体尾部胰管扩张, 磁共振胆管胰腺造影术和T₂加权成像可见胰颈部胰管的高度狭窄和狭窄前的串珠状扩张, 即使钆增强扫描后仍然没有发现胰腺肿块, 而PET发现中腹区局灶性¹⁸F-FDG摄取增高区, PET-MRI融合图像显示¹⁸F-FDG摄取增高区正好位于扩张胰管的近端, 手术病理证实病灶为胰腺导管腺癌。可见, 当MRI仅有胰管的扩张和狭窄而不见胰腺肿块时, PET-MRI融合图像有助于发现病灶, 而且比PET-CT定位更准确。

PET-MRI作为全身一站式影像检查仪器, 除腹部实质脏器检查外, 还需要对全身脏器进行评估, 虽然MRI对肺部及腹部空腔脏器检查存在一定的劣势, 但不妨碍对其他脏器的观察。Seemann等^[22]在对比全身PET、CT、MRI、PET-CT和PETMRI对胃肠道类癌的全身转移灶的检出能力后发现, MRI和PET-MRI对肝转移病灶的检出率明显占优势, 分别为98.2%和100%;对淋巴结的检出率, MRI稍差, 为64.9%, PET-MRI与PET-CT的检出率最高, 分别为100%和97.3%;对骨转移灶的检出率, PET、PET-CT和PET-MRI均明显高于单纯的CT及MRI, 均为100%, 而CT为8.3%, MRI为66.7%。由此可见, PET-MRI是一项非常有前途的肿瘤影像检查项目。

利用MRI对软组织观察的优势, 还可开展更多的工作, 比如软组织肉瘤的诊断、心血管研究、血栓的研究等。Uppal等^[23]应用同步采集的PETMRI图像进行了血栓成像研究: 采用大鼠动脉血栓模型, PET-MRI双模式探针是纤维蛋白靶向探针EP-2104R中的钆用⁶⁴Cu取代之后合成的, 往大鼠的右颈内动脉注入预先准备好的血栓, 在注射双模式探针之前、后均进行了PET-MRI的同时采集显像, 并比较血栓侧及健侧血管的信号强度比, 结果表明, 注射双模式探针能够显著提高患侧与健侧的信号强度比值, 有利于PET-MRI对血栓性病变的诊断。Büscher等^[24]对比了小动物PET-MRI和单独的高分辨PET系统后认为, PET-MRI能够成功地用于小鼠心肌梗死模型的研究, 对于人类心肌梗死患者的PET-MRI检查也将获得比以往更优的诊断资料。

由于MRI的无辐射性和对软组织分辨率的独特优势, 使得PET-MRI能够比PET-CT具有更优越的临床应用前景, PET-MRI的组合和由此组合而带来的分子、形态、功能等多方面信息, 对医学影像学的发展将是个极大的推动, 且有助于临床更好地理解发病前及发病中的生理和病理机制, 能够更好地推动临床与基础研究的发展^[25-26]。

目前, PET-MRI仪的研制尚处于逐渐成熟阶段, 前面所论及众多研究中, 除少部分学者使用的是同机同步采集的PET-MRI仪外, 大多数都是将异机的PET图像与MRI图像通过软件重新配准融合进行分析, 虽然其与同步成像的图像尚有差距, 但是仍不失为一种权宜的取代方式, 鉴于此, 我们也可以开展更多的研究工作, 比如利用类似的图像融合软件进行一定的研究。就目前的临床应用来看, 部分患者有金属植入物而不宜行PET-MRI检查, 以及PET-MRI对肺部及肠道的弱势, 可见PET-MRI的通用性比PET-CT稍有不足, 因而许多单位可能在安装PET-CT仪之后, 短期内不会再考虑PET-MRI仪的购置, 或者在PET-MRI仪普及之前也可依据目前的PET-CT加局部的MRI检查来弥补PET-CT的不足。毫无疑问, PET-MRI的普及将为现代医学带来新的发展方向, 为医学影像及临床诊疗的发展发挥重要的促进作用, 但这并不是惟一的选择, 因时、因地制宜将能获取更大的效益, 更有利于医学研究的健康发展。