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随着医学对疾病认识的深入，单一模态的影像难以满足对疾病的全面认识与诊断。常规的SPECT和PET属于功能影像的范畴，其结合特定的示踪剂，可以探测追踪生物体内的代谢功能变化。然而，SPECT和PET的空间分辨率远远不如CT和MRI等常规的结构显像。因此，多种模态显像方式的结合，取长补短，不仅可以获取病变的生理功能、分子水平信息，而且可以同时获得病变及其周围毗邻组织的形态学信息，极大丰富了临床对疾病的精准诊断。多模态显像仪器是在一台设备上获取多种模态的图像，这种方式更利于图像更好的配准和融合，促进了不同影像在诊断过程中的相互借鉴和参考。同时，改善SPECT和PET的图像质量也需要综合多种影像，如SPECT和PET的衰减校正和散射校正需要用到CT对组织密度的测量。目前，多模态显像仪器已经在临床进行了很好的应用与推广。
SPECT/CT是SPECT和CT两种成熟技术相结合形成的一种新的核医学显像仪器，实现了SPECT功能影像与CT解剖形态学影像的同机融合（图2-5）。一次显像检查可分别获得SPECT图像、CT图像和SPECT/CT融合图像，可以采用X线CT图像对SPECT图像进行衰减校正。
图2-5 SPECT/CT实物图
SPECT/CT中SPECT与CT的结合有两种设计方式，一种是在SPECT探头机架上安装一个X线球管，对侧安装探测器，也就是SPECT和CT位于同一机架；另一种是在SPECT机架后再并排安装一个高档螺旋CT，SPECT与CT位于不同的机架。
符合线路SPECT/CT中配备的是定位CT，其同样具有对SPECT图像进行衰减校正和解剖定位功能，但难以提供病灶的结构诊断信息。心脏专用SPECT/CT是采用CZT半导体探测器的心脏专用SPECT与64排（或更高）螺旋CT整合的SPECT/CT，提高了仪器的整体性能，可将SPECT心肌血流灌注显像信息与高端螺旋CT解剖形态信息，特别是冠状动脉是否狭窄及狭窄程度的结构信息相融合，可从冠状动脉和心肌血流灌注两个层面对心脏进行评价，为临床提供更全面的诊断信息。
PET/CT实现了PET功能代谢影像与CT解剖结构影像的同机融合。一次成像即可获得PET图像、CT图像及PET与CT的融合图像，使PET的功能代谢影像与螺旋CT的精细结构影像两种显像技术取长补短，优势互补，提高了诊断效能；同时采用CT采集的数据代替棒源透射扫描对PET图像进行衰减校正，大大缩短PET扫描时间。如图2-6 所示，为PET/CT的实物图。
图2-6 PET/CT实物图
PET/CT是将PET和CT融为一体的大型医学影像诊断设备。PET/CT是由PET和多排螺旋CT组合而成，CT与PET前后排列在同一成像轴上，在同一个机架内有PET探测器、CT探测器和X线球管，共用一个扫描床、图像采集和图像处理工作站。受检者在CT和PET扫描期间体位保持不变，重建的PET和CT图像在空间上一致，从而保证了图像融合的精度与速度。同时PET/CT的整体结构设计仍能保证其中PET和CT各自独立的功能。
PET/CT图像采集包括CT扫描和PET扫描，通常先进行CT图像采集，再进行PET图像采集。PET图像采集中，应用CT对PET图像进行衰减校正，比同位素透射源（即棒源）衰减校正技术的精度高，时间节省80%，明显提高了设备利用率。在PET/CT检查中，CT扫描可以用于衰减校正、解剖定位和CT诊断。如果CT扫描仅用于衰减校正和解剖定位，可采用低剂量设置，以减少患者的辐射剂量。
PET/CT仪器评价中，需要分别对PET和CT进行性能评价，再对PET/CT整体进行性能评价。PET性能评价方法如前所述。CT性能测试按我国国家质量技术监督局与国家卫生部于1998 年12 月7 日颁布的《X射线计算机断层摄影装置影像质量保证检测规范》（GB/T17589—1998）进行。检测项目共有9 项，包括定位光精度、层厚偏差、CT值、噪声、均匀性、高对比分辨率、低对比分辨率、CT剂量指数、诊断床定位精度。PET/CT整机的性能测试主要是采用PET图像与CT图像进行融合精度评价。目前，尚无权威机构制定的标准测试方法。
PET/CT的发明是医学影像技术发展的一个里程碑，标志着对疾病进行准确定位、定性、定量、定期诊断时代的真正来临。特别在疾病的早期诊断，指导制订个体化治疗方案，肿瘤三维适型放疗和手术的精确定位等方面具有重要的价值和巨大的应用前景。
磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是利用人体组织中自由水分子中氢质子的磁信号，在射频脉冲的激发下，产生共振，从而获取人体组织不同氢质子密度和弛豫特性对比的图像。与CT相比，MRI具有更好的软组织对比度及空间分辨率，而且还能进行T 1 、T 2 等多参数多序列成像。除此之外，MRI还能提供一些功能信息，如水弥散成像、灌注成像和磁共振波谱成像（magnetic resonance spectroscopy，MRS）等。因此，与PET/CT比较，PET/MRI能够为临床提供更清晰的解剖信息和更全面的功能代谢诊断信息。
MRI具有强磁场，而且必须保持磁场的稳定性和均匀性。为了保证PET/MRI之间互相不受干扰，PET/MRI中的PET和MRI有3 种组合模式：一是将PET（或PET/CT）和MRI设置在不同房间，采用一套运送和支持系统将2 个房间的设备连接起来以减少患者在两次检查间的体位变化，图像通过软件进行融合。二是将PET和MRI以同轴方式分开置于两侧，中间设置一个可以旋转的共用扫描床，分别扫描PET和MRI后进行图像融合。以上2 种组合模式的问题是PET和MRI分步采集，易产生体位变动，需要时间长，给临床和科研带来一些问题及不便。三是PET/MRI一体机，也是真正意义上时空一体化PET/MRI，其克服了PET探测器与MRI强磁场相互干扰的技术难题，不仅结合了PET和MRI的两大影像学利器，而且真正意义上实现了时间和空间上真正同步扫描。
2006 年，西门子推出了头颅专用的一体化PET/MRI，利用具有磁场兼容性的雪崩二极管（avalanche photon diode，APD），实现头颅一体化采集。2010 年，西门子公司推出全球第一款全身一体化PET/MRI，将64 环PET探测器和3 Tesla 磁共振成像系统集成在一起，真正的全身一体化PET/MRI开始投入临床使用。2014 年，美国通用电气公司也推出了全身一体化TOF-PET/MRI，采用具有磁场兼容性的SiPM器件的PET探测器。
与传统的光电倍增管相比，基于APD和SiPM的PET探测器都具有很好的磁场兼容性，但是两者对温度都较为敏感。基于SiPM的PET探测器具有极高量子效率和光子探测效率，促使PET系统灵敏度大幅提升。相比于其他的磁场兼容性探测器，SiPM具有超快的时间响应性能，可结合飞行时间（TOF）技术，对湮没位点进行更为准确的定位，提高PET成像的信噪比和对比度，增加小病灶的检出率和诊断准确性。一体化PET/MRI在诊断神经系统病变、恶性肿瘤、心血管系统疾病时将分子水平代谢显像与MRI的高分辨率、多参数影像结合，对疾病诊断提供了更精准的信息。如图2-7 所示为一体化PET/MRI的实物图。
图2-7 一体化PET/MRI实物图
虽然一体化PET/MRI中PET探测器与MRI强磁场相互干扰的问题基本上得到解决，然而其临床应用推广仍面临着很大的挑战。首先是PET/MRI中PET衰减校正是基于MRI的图像，而MRI图像并不是基于密度成像，因此其衰减校正仍然存在很大争议。其次，一体化PET/MRI可实现MRI和PET同步扫描，但MRI的扫描时间较长，而PET单床位的扫描时间设为2min 左右即可满足临床需求，与MRI的扫描时间差别较大。PET/MRI的扫描时间依赖于扫描时间较长的模态，因此整体上单个患者所需检查时间要比PET/CT长得多。再次，PET/MRI的临床检查费用相对PET/CT更为昂贵，更多的病患可能更倾向于选择PET/CT+MRI的诊断方式，拓展一体化PET/MRI在临床和研究上的价值是亟待努力的方向，也是实现精准医学的基石。最后，PET与MRI影像通常是分属核医学和放射学两个学科和医院的不同科室，因此在目前一体化PET/MRI系统处于临床应用的初级阶段，同时精通MRI和PET影像的技师、医生或专家较为稀少，PET/MRI系统的临床推广还有赖于放射和核医学学科交叉的综合性人才培养。