醫(yī)學(xué)分子影像設(shè)備的發(fā)展與展望

賈峰濤，楊 星，任慶余

醫(yī)學(xué)分子影像設(shè)備的發(fā)展與展望

賈峰濤，楊 星，任慶余

介紹了分子影像學(xué)的定義及分子影像設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀，通過分析各類分子影像設(shè)備在臨床中應(yīng)用的優(yōu)勢與不足，得出分子影像設(shè)備的發(fā)展方向是多功能、多學(xué)科、多技術(shù)的影像融合，即多模態(tài)分子影像設(shè)備是未來的發(fā)展方向。

分子影像；設(shè)備；發(fā)展；展望；圖像融合

0 引言

臨床上，影像學(xué)診斷是以人體結(jié)構(gòu)的病理特性改變?yōu)榛A(chǔ)進(jìn)行研究的，這僅僅局限于身體解剖結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，對分子水平的病變卻束手無策[1]。隨著醫(yī)學(xué)事業(yè)的快速發(fā)展，醫(yī)學(xué)影像學(xué)已經(jīng)由傳統(tǒng)的以解剖結(jié)構(gòu)為主的影像學(xué)，發(fā)展到以組織代謝、功能成像、受體及基因表達(dá)為主體的分子影像學(xué)[2]。在此基礎(chǔ)上，分子影像設(shè)備也得到了迅猛發(fā)展。其中，以核醫(yī)學(xué)成像技術(shù)為主的正電子計(jì)算機(jī)發(fā)射斷層掃描儀（PET/CT）等分子影像設(shè)備已廣泛應(yīng)用于臨床研究。

1 分子影像學(xué)的定義

分子影像學(xué)是一門新興學(xué)科，是隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)及分子生物學(xué)的發(fā)展而逐漸出現(xiàn)并發(fā)展起來的，它已經(jīng)日益成為將基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究成果迅速向臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化的重要工具[3]。它為疾病的早期發(fā)現(xiàn)、早期治療提供了科學(xué)依據(jù)，為臨床診療工作帶來了新的突破。

分子影像學(xué)的概念最早是由美國哈佛大學(xué)Weissleder教授在2001年提出的，即用影像學(xué)的方法在活體的條件下反映細(xì)胞和分子水平的變化。也就是說，無論采用何種成像技術(shù)，只要是對發(fā)生在細(xì)胞內(nèi)的生物學(xué)過程進(jìn)行成像和量化的技術(shù)都可稱為分子影像[4-6]。其基本原理就是運(yùn)用分子探針技術(shù)對活體生物和人體分子的細(xì)胞事件進(jìn)行實(shí)時(shí)成像，即把分子探針注入人體后，參與體內(nèi)的正常代謝活動，同時(shí)利用專業(yè)的檢測設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集到的信號經(jīng)過處理得到最終的影像結(jié)果。

分子影像是應(yīng)用現(xiàn)代成像技術(shù)，在生理狀態(tài)下顯示正常及病變組織與細(xì)胞生理、生化變化信息的科學(xué)。分子影像學(xué)的發(fā)展使人們對疾病的診斷由解剖結(jié)構(gòu)階段進(jìn)入到了分子水平階段[7-8]。

2 分子影像設(shè)備的發(fā)展

隨著分子影像技術(shù)的不斷發(fā)展壯大，分子影像設(shè)備也不斷推陳出新。其中最具有代表性的有核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備、磁共振成像設(shè)備、光學(xué)成像設(shè)備和超聲成像設(shè)備等[9]。

2.1 核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備

核醫(yī)學(xué)成像的基本原理是將放射性同位素標(biāo)記在人體所必需的一種或者多種物質(zhì)上制成分子探針，將這種分子探針注入人體后，觀察它在體內(nèi)的分布、代謝等基本情況，用于了解人體內(nèi)某種特定的功能[10]。核醫(yī)學(xué)分子影像是現(xiàn)在最為成熟的分子影像，它靈敏度極高。目前最具有代表性的設(shè)備是PET/ CT，在臨床上主要應(yīng)用于腫瘤疾病。由于大多數(shù)腫瘤都具有高代謝的特征，因此臨床上惡性腫瘤在PET/CT上的表現(xiàn)多為局部氟代脫氧葡萄糖（18F-fluorodeoxyglucose，18F-FDG）攝取增高、標(biāo)準(zhǔn)攝取值（standard uptake value，SUV）增高。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)就可以在早期發(fā)現(xiàn)和確定良惡性腫瘤[11]。PET/CT通過一次檢查就可以獲得全身的三維顯像，這樣就可以對全身各個(gè)器官臟器等進(jìn)行腫瘤原發(fā)灶及腫瘤轉(zhuǎn)移情況的分析，從而對腫瘤的臨床分期進(jìn)行判斷。同時(shí)，還可以在腫瘤手術(shù)放療定位方面起著極其重要的作用，以及對腫瘤經(jīng)過放化療治療以后的情況如放射性壞死、腫瘤殘存組織復(fù)發(fā)等進(jìn)行分析判斷。PET/CT設(shè)備在心血管疾病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病中也有著廣泛的應(yīng)用。它可以反映心肌血流灌注情況，實(shí)現(xiàn)冠心病的早期診斷，還可以直接反映心肌的脂肪酸葡萄糖代謝情況，判斷心肌是否存活[12]。PET/CT利用18FDOPA顯像劑，可以對帕金森氏病的早期進(jìn)行診斷與治療[13]，同時(shí)在吸毒成癮評估、戒毒治療及癲癇灶的診斷等多方面也有著較廣泛的應(yīng)用。

目前，核醫(yī)學(xué)分子影像設(shè)備依舊存在空間分辨力較差、解剖定位能力差等不足之處，在與其他解剖影像設(shè)備進(jìn)行圖像融合后[14]，大大提高了核醫(yī)學(xué)分子影像設(shè)備的性能。

2.2 磁共振成像設(shè)備

磁共振成像的基本原理是把人體放在磁場中，人體內(nèi)氫原子核在一定條件下吸收射頻電磁波的能量，氫質(zhì)子獲得能量后從低能級躍遷到高能級，而位于高能級的質(zhì)子不穩(wěn)定，會向低能級躍遷，在躍遷過程中將獲得的能量以電磁波的形式釋放出來。然后將此信號接收，經(jīng)過空間編碼和計(jì)算機(jī)重建處理，則得到最終的磁共振圖像[15]。

磁共振成像系統(tǒng)主要由磁體部分、譜儀部分及計(jì)算機(jī)部分組成。目前，磁共振的磁體主要分為永磁型、常導(dǎo)型和超導(dǎo)型，其提供的磁場強(qiáng)度由最初的0.02 T一直發(fā)展到現(xiàn)在的3.0 T；譜儀部分主要包括射頻發(fā)射單元、信號接收單元、脈沖梯度單元和脈沖序列控制單元；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要是進(jìn)行圖像重建和處理等。

近年來，隨著磁共振設(shè)備硬件及軟件的不斷改進(jìn)和發(fā)展，它的顯像方式及功能參數(shù)也逐漸增多，目前除了常規(guī)成像之外，還可進(jìn)行彌散成像、彌散張量成像、灌注成像、磁共振波譜分析等新技術(shù)[16]。

磁共振設(shè)備對人體不存在電離輻射的損害，而且無骨性偽影，對軟組織具有高分辨率，因此在臨床應(yīng)用中具有較明顯的優(yōu)越性。

2.3 光學(xué)成像設(shè)備

光學(xué)成像技術(shù)是根據(jù)軟組織對光波的吸收與散射的不同獲得功能信息，它對淺表的軟組織分辨率比較高。由于光學(xué)成像技術(shù)沒有輻射危害，對人體沒有什么傷害，所以它可以重復(fù)曝光。光學(xué)成像的方法較多，主要有彌散光學(xué)成像、多光子成像、活體顯微鏡成像、近紅外線熒光成像及表面共聚集成像等，是分子生物學(xué)基礎(chǔ)研究最早、最常用的成像方法[17-18]。

光學(xué)成像設(shè)備面臨的最大困難是如何克服組織對光線的衰減和散射。對于可見光而言，每通過1 cm組織光波信號會減少為10%，因此，光學(xué)成像設(shè)備很難大范圍應(yīng)用于臨床，主要用于小動物模型的研究。最近研發(fā)的近紅外熒光發(fā)射出的波長為650～900 nm，一些組織對該波長光波的吸收率很低，因此靈敏度大大提高，可應(yīng)用于7～14 cm的組織[19]。

2004年，申寶忠開發(fā)出國內(nèi)第一臺活體GFP（綠色熒光蛋白）光學(xué)分子成像儀。該設(shè)備的成功研發(fā)為我國分子影像研究提供了世界級研究水平的平臺，對我國分子影像研究領(lǐng)域及腫瘤學(xué)研究領(lǐng)域均具有開創(chuàng)性的意義。

光學(xué)分子影像在腫瘤研究、基因報(bào)告等科研方面有著較為廣泛的應(yīng)用。在臨床醫(yī)學(xué)上，一些近紅外光學(xué)成像設(shè)備正在被開發(fā)，用來導(dǎo)向手術(shù)中的細(xì)針組織活檢和淋巴點(diǎn)監(jiān)測。

2.4 超聲成像設(shè)備

超聲成像設(shè)備是通過對超聲波的發(fā)射以及其在人體內(nèi)的反射、折射、散射后，經(jīng)過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對信號進(jìn)行接收和轉(zhuǎn)換并分析、處理、顯像，實(shí)現(xiàn)對人體組織和器官的形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能狀態(tài)檢查，是一種無創(chuàng)檢查設(shè)備[20]。超聲設(shè)備分為很多種類型，主要類型有A、B、C、F、M和彩色多普勒等，其中B型超聲和彩色多普勒最為常用。

超聲分子成像主要是指將微泡造影劑打入人體內(nèi)的組織器官，觀察微泡造影劑在組織器官的成像，通過影像反映病變組織在分子方面的變化。

在臨床應(yīng)用方面，超聲聯(lián)合微泡介導(dǎo)肝細(xì)胞生長因子（hepatocyte growth factor，HGF）修飾骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（bone marrow mesenchymol stem cells，BMSCs）、新型超聲微泡載體系統(tǒng)、納米靶向微泡等多項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)逐步發(fā)展起來，但是受到靶向造影劑即特異性分子探針等因素的制約，超聲分子成像設(shè)備的發(fā)展受到了很大的限制[21]。

3 分子影像設(shè)備的展望

醫(yī)學(xué)分子影像被譽(yù)為21世紀(jì)的醫(yī)學(xué)影像學(xué)，美國醫(yī)學(xué)會評價(jià)其為未來最具有發(fā)展?jié)摿Φ?0個(gè)醫(yī)學(xué)科學(xué)前沿領(lǐng)域之一。醫(yī)學(xué)分子影像技術(shù)近年來發(fā)展迅猛，醫(yī)學(xué)分子影像設(shè)備也給臨床醫(yī)學(xué)帶來了革命性的進(jìn)展。

3.1 PET/MR的發(fā)展

2006年，北美放射學(xué)年會報(bào)道了首例西門子公司PET/MR一體機(jī)同步采集的人腦圖像，取得了很好的效果。隨著科技不斷進(jìn)步，PET/MR也進(jìn)一步改善了圖像質(zhì)量。PET/MR兼?zhèn)浯殴舱窀呖臻g分辨率和特定的高組織分辨率，同時(shí)與PET的高探測靈敏度和高特異性結(jié)合，顯著提高了臨床診斷的準(zhǔn)確性，同時(shí)減少了受檢者的輻射劑量。

3.2 多模態(tài)分子成像是未來發(fā)展的方向

分子影像設(shè)備的發(fā)展主要受到靶向性探針合成困難及人類對疾病分子理解局限性的影響，因此，多模態(tài)分子成像是以后發(fā)展的方向?，F(xiàn)在的分子影像設(shè)備成像手段各有優(yōu)勢、缺陷及不足，除了繼續(xù)開發(fā)微型設(shè)備外，通過整合各成像手段形成優(yōu)勢互補(bǔ)的多模式成像設(shè)備具有更大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用價(jià)值，這也必將成為分子影像學(xué)研究的重要成像模式。北京大學(xué)的“小動物多模態(tài)分子影像重大科研儀器及關(guān)鍵技術(shù)研究”，主旨在將計(jì)算機(jī)斷層成像（CT）、正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像（PET）、單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像（SPECT）、熒光分子層析成像（FMT）4種成像模態(tài)創(chuàng)新性地在同一系統(tǒng)中進(jìn)行整機(jī)集成和同機(jī)融合，研發(fā)相關(guān)分子影像采集、處理與數(shù)字化管理軟件系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)應(yīng)用于重大疾病新藥研制及腫瘤靶向分子探針研究，為國家新藥創(chuàng)制及生物醫(yī)學(xué)研究提供技術(shù)支撐。

3.3 多學(xué)科合作促進(jìn)分子影像設(shè)備發(fā)展

分子影像學(xué)融合了臨床醫(yī)學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)、生物工程、圖像融合等多項(xiàng)技術(shù)，而每種技術(shù)都有各自的發(fā)展。未來，我們必須要實(shí)現(xiàn)必要的知識和技術(shù)整合，過去相對獨(dú)立的各個(gè)學(xué)科要加強(qiáng)合作，建立不同學(xué)科的交流平臺，培養(yǎng)更多的綜合素質(zhì)技術(shù)人才，制造更加先進(jìn)的分子影像設(shè)備。總之，未來分子影像設(shè)備的發(fā)展是朝多功能、多學(xué)科、多技術(shù)影像設(shè)備的融合發(fā)展。

4 結(jié)語

醫(yī)學(xué)分子影像設(shè)備的不斷發(fā)展，在臨床醫(yī)學(xué)上使得許多疾病可以實(shí)現(xiàn)早期發(fā)現(xiàn)、早期治療和療效評價(jià)，它廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)生命科學(xué)研究，更好地為人類健康提供了保障。在分子影像學(xué)發(fā)展的推動下，分子影像設(shè)備更是促進(jìn)了生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)、生物物理學(xué)、生物化學(xué)等多學(xué)科的融合發(fā)展。

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（收稿：2013-09-10 修回：2013-12-27）

Development and prospect of medical molecular imaging equipment

JIA Feng-tao,YANG Xing,REN Qing-yu
（PET Center,Department of Nuclear Medicine,Bethune International Peace Hospital,Shijiazhuang 050082,China）

The definition of molecular imaging and progress of molecular imaging equipment are introduced.The advantages and disadvantages of types of molecular imaging equipment are analyzed for clinical application,and it's concluded that multi function,multi discipline and multi technique will be involved in the prospect of molecular imaging equipment,that is,multi-modal molecular imaging equipment will be dominant in the future.[Chinese Medical E-quipment Journal，2014，35（9）：113-115]

molecular imaging;equipment;development;prospect;image fusion

R318.6；TH774

A

1003-8868（2014）09-0113-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.09.113

賈峰濤（1977—），男，工程師，主要從事回旋加速器、PET/CT的質(zhì)控、使用、維修與正電子類放射性藥物制備、質(zhì)量控制方面的研究工作，E-mail：jazz_jiaft@sina.com。

050082石家莊，解放軍白求恩國際和平醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科/PET中心（賈峰濤，楊 星，任慶余）