一體化PET/MR用于缺血性心臟病進(jìn)展

覃春霞，張永學(xué)，汪朝暉，蘭曉莉*

(1.華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科，3.心內(nèi)科，湖北 武漢 430022；2.分子影像湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430022)

PET通過不同顯像劑在分子水平可視化和定量分析心血管疾病的特定過程如血流、代謝、炎癥或神經(jīng)支配等，可精準(zhǔn)診斷多種心血管疾病。心臟MR(cardiac MR， CMR)已用于多種心血管疾病，可量化左、右心功能、判斷整體和局部室壁運(yùn)動(dòng)情況、評(píng)價(jià)組織表征(瘢痕、脂肪和水腫)及瓣膜功能，具有“一站式檢查”潛能[1]。2011年P(guān)ET/MR一體機(jī)獲得美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)，之后獲得我國(guó)國(guó)家藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)，目前正處于臨床應(yīng)用和推廣階段。相比PET/CT，一體化PET/MR于同一空間、同一時(shí)間采集圖像，可獲得最佳配準(zhǔn)；融合PET定量測(cè)量、分子水平成像與MR動(dòng)態(tài)功能和解剖結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)，可一站式完成心血管檢查，將在心血管影像學(xué)中占據(jù)重要地位。本文對(duì)一體化PET/MR心臟顯像技術(shù)問題及其在缺血性心臟病中的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景進(jìn)行綜述。

1 PET/MR心臟顯像中的技術(shù)問題

1.1 MR兼容PET探測(cè)器 一體化PET/MR將PET和MR集成在一個(gè)系統(tǒng)中，快速交替的MR梯度場(chǎng)和射頻脈沖與傳統(tǒng)PET探測(cè)器產(chǎn)生的信號(hào)會(huì)相互干擾，故最初其主要問題是如何獲得MR兼容的PET探測(cè)器。為此開發(fā)出可在強(qiáng)磁場(chǎng)下運(yùn)行的基于半導(dǎo)體的PET探測(cè)器，以雪崩光電二極管或硅光子倍增器取代傳統(tǒng)的光電倍增管[2-3]，可最小化干擾。

1.2 衰減校正 為獲得準(zhǔn)確的PET定量數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行精確衰減校正。目前一體化PET/MR以2種方式實(shí)現(xiàn)衰減校正：①基于MR圖像信息對(duì)受檢組織進(jìn)行衰減校正，最常使用多點(diǎn)Dixon序列將組織分為肺、脂肪、軟組織和本底，產(chǎn)生衰減系數(shù)圖像[4]，但此法將骨骼和鈣化歸為軟組織，可能低估胸骨后心臟組織的衰減值[1]；超短回波時(shí)間序列可將骨骼作為單獨(dú)類別而提供其衰減校正[5]，但采集視野小且耗時(shí)，目前尚不能用于臨床心臟PET/MR成像；近年開發(fā)的基于患者的Atlas模板將骨骼作為單獨(dú)類別，結(jié)合基于Dixon序列的MR衰減校正，可作為心臟PET/MR衰減校正的替代方法[6]；②設(shè)備硬件組件衰減校正：固定的硬件組件(如射頻線圈和檢查床)PET信號(hào)衰減可通過直接衰減校正加以補(bǔ)償，通常在PET重建前將基于檢查床和固定射頻線圈的CT透射掃描預(yù)訂衰減圖(模板)添加到組織衰減圖中，重建過程中自動(dòng)執(zhí)行基于模板的衰減校正[7]，為現(xiàn)有市售PET/MR系統(tǒng)的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)表面射頻線圈則須以不同方式執(zhí)行衰減校正，行心臟PET/MR，可采用MR檢測(cè)標(biāo)記對(duì)預(yù)先獲取的3D CT衰減模板進(jìn)行自動(dòng)非剛性配準(zhǔn)，以適應(yīng)柔性射頻線圈的獨(dú)特位置和形狀[8]。NENSA等[9]對(duì)10例患者順序進(jìn)行PET/CT和PET/MR檢查，2種圖像心肌顯像劑攝取無顯著差異。LAU等[10]觀察30例順序接受PET/CT和PET/MR檢查患者，其基于CT衰減校正的標(biāo)準(zhǔn)攝取值(standard uptake value， SUV)和基于MR衰減校正的SUV具有很強(qiáng)的相關(guān)性。

1.3 運(yùn)動(dòng)校正 心臟PET的主要挑戰(zhàn)是呼吸和心臟運(yùn)動(dòng)，一般常規(guī)采用運(yùn)動(dòng)門控，但此法僅將采集的少量數(shù)據(jù)(呼吸門控的呼氣末期和心電門控的舒張末期數(shù)據(jù))用于圖像重建，圖像信噪比低。運(yùn)動(dòng)校正可將采集的所有數(shù)據(jù)用于重建，以提高圖像質(zhì)量、縮短檢查時(shí)間。一體化PET/MR同時(shí)采集PET和MR數(shù)據(jù)，基于MR的PET運(yùn)動(dòng)校正通常分為預(yù)校準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)模型技術(shù)和同步運(yùn)動(dòng)模型技術(shù)，理論上是一體化PET/MR的另一優(yōu)勢(shì)，也是目前的研究熱點(diǎn)。一體化PET/MR通過MR實(shí)時(shí)電影成像和/或標(biāo)簽技術(shù)獲取自由呼吸狀態(tài)下的3D MR數(shù)據(jù)，以同時(shí)獲取的心電圖信號(hào)將其回顧性分為多個(gè)呼吸和心臟運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，采用非剛性配準(zhǔn)算法獲得3D心臟和呼吸運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，并用于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償MR和PET圖像重建，以改善圖像質(zhì)量[11]。MUNOZ等[12]采用雙門控MRI非剛性配準(zhǔn)研發(fā)出新的圖像采集、后處理及重建方法。MARCHESSEAU等[13]開發(fā)了基于MRI校正PET定量測(cè)量偏差的新方法，將通過MRI獲得的每個(gè)基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)區(qū)域的平均密度圖轉(zhuǎn)換至PET空間，構(gòu)建線性方程組并建模，對(duì)真實(shí)活度值求解，其準(zhǔn)確性和可靠性均高于其他簡(jiǎn)單方法如門控采集或勾畫最佳ROI。MUNOZ等[14]發(fā)現(xiàn)采用3T PET/MR運(yùn)動(dòng)校正雙相冠狀動(dòng)脈MR血管造影可顯示所有健康受試者和心臟病患者收縮期和舒張期冠狀動(dòng)脈，所獲健康受試者左心室功能參數(shù)與采用2D電影等方法所獲結(jié)果高度吻合，而運(yùn)動(dòng)校正改善了PET圖像中的心肌輪廓。

2 PET/MR用于缺血性心臟病

缺血性心臟病是冠狀動(dòng)脈病變導(dǎo)致的心肌缺血和心功能受損性疾病，可由心肌缺血、梗死進(jìn)展到纖維化。一體化PET/MR能為診斷和治療缺血性心臟病提供有價(jià)值的信息。

2.1 定量測(cè)量缺血心肌血流 靜息和負(fù)荷PET心肌灌注顯像(myocardial perfusion imaging， MPI)是無創(chuàng)定量心肌血流(myocardial blood flow， MBF)和冠狀動(dòng)脈血流儲(chǔ)備的金標(biāo)準(zhǔn)[15-16]，但無法區(qū)分心外膜冠狀動(dòng)脈狹窄或微血管功能障礙引起的灌注減少。常用PET灌注顯像劑包括13N-NH3、15O-H2O及82Rb[15，17]；新型18F標(biāo)記的PET血流灌注藥物包括Flurpiridaz、BFPET及FBnTP，現(xiàn)已進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段[17]。

LAU等[18]觀察15例可逆性心肌灌注缺損患者，證實(shí)了13N-NH3PET/MR負(fù)荷試驗(yàn)的可行性，PET顯示的心肌缺血與MR所示水腫和灌注減低區(qū)域完全一致。NAZIR等[19]發(fā)現(xiàn)13N-NH3PET和動(dòng)態(tài)對(duì)比增強(qiáng)CMR測(cè)量MBF結(jié)果的重復(fù)性較高，5名志愿者CMR和PET平均整體負(fù)荷血流分別為(2.58±0.11)ml/(g·min)和(2.60±0.47)ml/(g·min)，且整體MBF具有良好的相關(guān)性和一致性，基于區(qū)域的MBF具有中度相關(guān)性和一致性。然而13N-NH3需在配備加速器的醫(yī)院使用；82Rb半衰期僅78 s，且Sr/Rb發(fā)生器含有金屬，無法在PET/MR機(jī)房使用。18F標(biāo)記的新型心肌灌注顯像劑可為應(yīng)用一體化PET/MR提供便利。

2.2 診斷心肌梗死與評(píng)估心肌活力18F-FDG是最常用的PET顯像劑，葡萄糖負(fù)荷18F-FDG PET顯像是評(píng)估心肌活力的“金標(biāo)準(zhǔn)”[20]，通常與MPI聯(lián)合使用，將灌注-代謝不匹配的區(qū)域定義為存活心肌，為制定冠心病治療策略提供依據(jù)[21]。MRI可評(píng)估心肌梗死后病理變化[22]，顯示心內(nèi)膜下心肌缺血和梗死具有顯著優(yōu)勢(shì)，可區(qū)分透壁和非透壁心梗，對(duì)診斷并發(fā)室壁瘤、室間隔穿孔或附壁血栓等具有較高價(jià)值。MR形態(tài)學(xué)信息與PET功能信息互補(bǔ)，有助于區(qū)分冠狀動(dòng)脈心外膜分支狹窄與微血管功能障礙、瘢痕或功能失調(diào)但仍存活的心肌，為診斷、治療冠心病及評(píng)估預(yù)后提供全面信息。

NENSA等[9]比較一體化PET/MR中PET和MR診斷心肌梗死的能力，發(fā)現(xiàn)18F-FDG攝取減低與MR延遲釓強(qiáng)化(late gadolinium enhancement， LGE)、電影所示室壁運(yùn)動(dòng)異常診斷心肌梗死的能力基本一致；PET/CT與PET/MR18F-FDG心肌攝取值相近。BEITZKE等[23]對(duì)39例缺血性心臟病患者行PET/MR檢查，發(fā)現(xiàn)PET和CMR所見左心室瘢痕范圍具有良好的相關(guān)性。

基于一體化PET/MR判定心肌活性可更好地預(yù)測(cè)心功能恢復(fù)情況，判斷急性心肌梗死(acute myocardial infarction， AMI)血管再通后心功能是否恢復(fù)。關(guān)于AMI后亞急性期的初步PET/MR研究[24]結(jié)果顯示，以FDG攝取程度50%和LGE透壁程度50%作為臨界值判斷心肌存活情況，其在MR LGE和18F-FDG攝取減少心肌節(jié)段中的結(jié)果的一致性為中度至良好；在MR和PET均存活、MR和PET均無存活及MR存活但PET無存活的節(jié)段中，室壁運(yùn)動(dòng)改善率分別為78%、33%及41%，提示18F-FDG可更好地預(yù)測(cè)心功能改善情況。MR T2 Mapping可定量測(cè)量T2值，反映心肌水腫嚴(yán)重程度，區(qū)分梗死后危險(xiǎn)區(qū)(area at risk， AAR)[25]。NENSA等[26]發(fā)現(xiàn)18F-FDG攝取減低面積大于LGE標(biāo)記的梗死面積，而與MR以心內(nèi)膜表面積法確定的AMI瘢痕周圍AAR和T2 mapping評(píng)估的AAR具有良好的相關(guān)性，因此認(rèn)為MR LGE區(qū)域可能為不可挽救心肌，而無LGE但18F-FDG攝取降低區(qū)域可能是AAR但仍可挽救心肌，并經(jīng)MR電影成像證實(shí)。一體化PET/MR可通過評(píng)估存活心肌判斷慢性缺血患者血管再通后心功能恢復(fù)情況。一項(xiàng)薈萃分析[27]觀察18F-FDG PET和MR LGE預(yù)測(cè)血運(yùn)重建后心功能恢復(fù)的能力，發(fā)現(xiàn)其特異度相近，但18F-FDG PET敏感度更高。一體化PET/MR結(jié)合二者優(yōu)勢(shì)，可鑒別可逆性與不可逆性心肌功能障礙。一項(xiàng)針對(duì)38例冠狀動(dòng)脈慢性完全閉塞患者的一體化PET/MR研究[28]結(jié)果顯示，隨LGE透壁性增加，18F-FDG攝取顯著降低；PET和MR均存活節(jié)段的室壁運(yùn)動(dòng)異常恢復(fù)最佳，PET和MR均無存活節(jié)段功能恢復(fù)最低；二者不一致節(jié)段之間功能恢復(fù)無顯著差異。

2.3 評(píng)估心肌梗死后心肌炎癥 AMI后心肌組織分為3種：微血管阻塞梗死組織、無微血管阻塞梗死組織及遠(yuǎn)離梗死組織的心肌組織；在AMI后發(fā)生炎癥反應(yīng)和抗炎癥反應(yīng)中[29]，這些組織炎癥反應(yīng)模式和時(shí)機(jī)可能截然不同，過早進(jìn)行抗炎治療可能增加并發(fā)室壁瘤的風(fēng)險(xiǎn)，過晚則可能增加局部和遠(yuǎn)端正常心肌組織重塑風(fēng)險(xiǎn)，因此需采用個(gè)體化治療方法。MRI可區(qū)分AMI后上述3種組織類型，提供功能信息、判斷水腫和出血程度；采用鐵顆粒或19F標(biāo)記炎性細(xì)胞，可跟蹤/檢測(cè)部分炎性細(xì)胞[29]。以高脂、低碳水化合物飲食、延長(zhǎng)禁食時(shí)間或注射低劑量肝素等方法可抑制正常心肌生理性攝取18F-FDG，而不影響炎性細(xì)胞攝取，由此量化AMI后炎癥，但無法特異性地針對(duì)炎癥信號(hào)進(jìn)行定量分析[29]。因此，理論上一體化PET/MR可提供互補(bǔ)信息，評(píng)價(jià)瘢痕與炎癥之間的關(guān)系，但尚需進(jìn)一步觀察。

3 小結(jié)與展望

一體化PET/MR整合兩種強(qiáng)大成像模式，臨床應(yīng)用具有較大優(yōu)勢(shì)，但仍存在局限性，如孔徑較小、不適合肥胖患者，MR存在檢查禁忌證，成本高昂，暫無MR兼容的82Rb發(fā)生器及檢查速度慢等。近年來一些小樣本研究結(jié)果展現(xiàn)了PET/MR在缺血性心臟病的初步應(yīng)用價(jià)值，但未能充分利用其可同時(shí)采集的優(yōu)勢(shì)，仍需進(jìn)一步改進(jìn)技術(shù)，包括基于MR衰減校正方法和運(yùn)動(dòng)校正方法。未來研究可聚焦于優(yōu)化MR序列、縮短采集時(shí)間、放棄不必要的重復(fù)信息及研究PET定量方法等，并積極探索新的應(yīng)用領(lǐng)域，研發(fā)多參數(shù)成像協(xié)議和用于PET/MR分析的專用軟件。