下一代醫(yī)學成像技術(shù)展望

馮詩齊/編譯

洛馬琳達大學醫(yī)學中心：計算機化的質(zhì)子層析成像記錄了質(zhì)子束在橫貫病人身體時的位置、方向和能量損失

●從磁標記糖、煙霧傳感手術(shù)刀以及高能質(zhì)子束，加之國際團隊的協(xié)作攻關，下一波的醫(yī)學成像技術(shù)將為人們呈現(xiàn)更為清晰的人體圖像。

在21世紀的最初幾年，醫(yī)學影像學已有迅猛的進步。如今，醫(yī)生可以在分子水平上觀察病情、檢查個體的心跳特征，和研究大腦工作的微小細節(jié)——所有這些工作在十年前是根本不可能的?！拔覀冋谶M入精密醫(yī)學的時代，”美國國家生物醫(yī)學成像和生物工程研究所（NIBIB）主任羅德里克·佩蒂格魯(Roderic Pettigrew)說，“并盡力做到精準診斷、靶向治療、提高護理和監(jiān)控治療的成效?！?/p>

大量的進步來源于對現(xiàn)有技術(shù)的改進，比如，計算機斷層掃描(CT)、超聲以及磁共振成像 (MRI)?！把刂w維途徑(fibre pathway)，現(xiàn)在的MRI可以追蹤大腦中水分子的擴散，并可計算其運動軌跡?！迸宓俑耵斦f。

最新的成像方法來自于一些實驗室的成果，這些設備能檢測或監(jiān)測癌癥，包括定位單個細胞以投送藥物，或為心臟疾病手術(shù)提供前所未有的精度。其中一些技術(shù)尚未達到臨床階段，但有些已開始進入臨床試驗。與傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比，它們進度更快、更精確和更安全。

“一匙糖”療法

進展之一涉及腫瘤的識別方法。腫瘤是葡萄糖的貪婪消費者，患者通常要進行葡萄糖類似物的放射性標記（標記聚集到腫瘤上），由正電子發(fā)射斷層掃描(PET)進行檢測。但放射性檢測不適宜對兒童、妊娠婦女，或?qū)┝坑邢拗频钠渌颊?。為繞開這一障礙，由西蒙·W·塞繆爾(Simon W.Samuel)領銜的倫敦大學學院團隊，開發(fā)出一種非損傷性的無線電波脈沖方法來標記葡萄糖——患者只需一杯含糖飲料，而不是放射性同位素——然后用MRI進行檢測，這種方法更為安全。同時，這一方法還能區(qū)分腫瘤的不同類型，可以有效地制定治療方案和評估其效果。

這種被稱為glucoCEST技術(shù)——即葡萄糖化學交換飽和轉(zhuǎn)移——主要測量葡萄糖分子中的羥基組和生物組織中的水分子之間質(zhì)子的交換。無線電波脈沖改變羥基組中質(zhì)子的磁特征，屏蔽由MRI檢測到的來自水分子的信號?！坝绊懯呛苄〉模绻覀冎貜驮S多次，還是可以檢測到?！眻F隊成員沙維爾·格雷(Xavier Golay)說。

對移植到小鼠體內(nèi)的兩種人類結(jié)直腸腫瘤，研究人員通過glucoCEST，對腫瘤注射葡萄糖前后一小時所拍攝的MRI圖像進行研究后，清楚地顯現(xiàn)出不同類型的腫瘤——不同的腫瘤對葡萄糖的吸收始終是不同的。目前，研究人員擬將glucoCEST用于人類臨床試驗，開始招募頸部接受過十多次掃描的腫瘤患者，與將葡萄糖注入小鼠腫瘤不同，患者則采用飲用的形式。格雷認為，未來glucoCEST可能不只局限于頸部腫瘤?！翱梢韵胂?，它可以評估任何與高糖消耗相關的器官，心臟或大腦，”

約翰·霍普金斯大學的放射學家彼得·范·茲爾(Peter van Zijl)對這項技術(shù)表示謹慎的樂觀。“我們覺得它是可行的，但需要一些更多的 MRI顯影，因為對人類使用的磁場要比動物低得多?！蹦壳埃膱F隊也在進行人類glucoCEST研究。

包括2001年由德國漢堡菲利浦研究所開發(fā)的磁性粒子成像(MPI)技術(shù)，其快捷、靈敏且安全等優(yōu)點，尤其在同步成像操作上，很可能替代目前用于評估心臟疾病的血管造影術(shù)。這一技術(shù)采用磁性示蹤劑，而不是通常用于血管造影術(shù)中的化學造影劑——因為某些患有慢性腎臟疾病的患者，不能安全排泄掉血管造影示蹤劑：碘或釓。

相反，磁性粒子成像依靠注入血液中的氧化鐵納米顆粒。由于納米顆粒是超順磁的，意味著它們的平均磁性為零，但可通過外部磁場磁化——即使是由掃描設備產(chǎn)生的弱磁場——這一進程導致粒子發(fā)出微小的可被檢測到的電磁信號。當納米粒子傳遍血流時，其濃度變化可令其成為對心臟供血、心臟中的血的流速，以及對冠狀動脈手術(shù)具有重要意義的關鍵監(jiān)測數(shù)據(jù)。

迄今，雖然研究人員開發(fā)了只適合于小型動物的原型掃描機，但伯克利加利福尼亞大學從事磁共振成像的史蒂芬·康諾利(Steven Conolly)認為，這項技術(shù)有可能令生物醫(yī)學成像產(chǎn)生根本性變革；包括克利夫蘭凱斯西儲大學的納米材料學家安娜·薩米亞 (Anna Samia)也認為，就對比度和靈敏度而言，MPI將超過MRI、超聲波、PET和CT掃描等成像方法，最終可用于活體內(nèi)追蹤干細胞以及炎癥的成像。

帶煙的利器

為了準確地在手術(shù)切口邊緣工作，英國-匈牙利合作開發(fā)了一種設備，可以探測或分析手術(shù)過程中產(chǎn)生的煙霧（熱量），即顯示穿過切口的煙是癌組織還是正常組織?！艾F(xiàn)代手術(shù)的理念是要切除所有的腫瘤組織，”倫敦帝國學院的詹姆斯·金羅斯(James Kinross)說，“但是，在手術(shù)期間仍然沒有辦法確保安全?！鳖A估的數(shù)字表明，在乳腺腫瘤切除手術(shù)中，有超過五分之一的患者，可能未能清除所有的惡性細胞。

這款稱為iKnife的“煙霧傳感手術(shù)刀”，在通過電加熱切除組織的同時，用質(zhì)譜法分析手術(shù)中產(chǎn)生的煙霧，包括對組織代謝物的類型和濃度加以標記，并參照庫中的讀數(shù)匹配，完成所有這些步驟不超過3秒鐘（相比之下，傳統(tǒng)的組織學方法完成這些步驟需要20～30 分鐘）。 不僅結(jié)果準確，還縮短了病人麻醉的時間。

在臨床試驗中，由倫敦帝國學院的佐爾坦·塔卡茲 (Zoltan Takats)和杰里米·尼克爾森(Jeremy Nicholson)領銜的團隊，在手術(shù)中用該設備實時標記91片從病人身上切除、不符合參照庫且未被外科醫(yī)生發(fā)覺的腫瘤組織。在上述情況下，iKnife所標識的腫瘤類型——包括腦、肺、乳腺、胃和肝的腫瘤——與那些由傳統(tǒng)方法確定的相匹配。

塔卡茲團隊正在對三家醫(yī)院涉及結(jié)腸、乳腺、肝、婦科和泌尿科手術(shù)的觀測試驗進行監(jiān)督?！跋乱浑A段將進行隨機試驗，一些醫(yī)生將基于這些數(shù)據(jù)作出判斷，”金羅斯說，“據(jù)此，我們將確定該設備在長期意義上對腫瘤學療效的影響?！敝?，有許多外科醫(yī)生希望在開刀前獲知腫瘤邊界的影像，而不是手術(shù)時才用iKnife來感知腫瘤的邊界。

倫敦大學學院（UCL）高級生物醫(yī)學成像中心：由葡萄糖化學交換飽和轉(zhuǎn)移技術(shù)(gluco-CEST)觀察到的腫瘤：相比深色區(qū)域，淺色區(qū)域有更高的對葡萄糖的攝取

國際間協(xié)作

現(xiàn)有的使用X光的成像技術(shù)之一CT，但并非必須使用X光。目前正在開發(fā)的兩種方法依賴于更為奇特的輻射：質(zhì)子束和同步輻射。

質(zhì)子CT，記錄質(zhì)子束在穿越患者身體的位置、方向和能量損耗，經(jīng)過適當?shù)奶幚?，即由?shù)據(jù)產(chǎn)生出人體三維圖像，可以供醫(yī)生診斷諸如癌癥等疾病，以及規(guī)劃下一步的醫(yī)療方案。美國北伊利諾伊大學(NIU)的喬治·庫塔肯(George Coutrakon)說，采用質(zhì)子束而非X光來提供人體密度更詳細的圖像，是因為質(zhì)子可在人體內(nèi)預測的深度釋放其能量(X光則以連續(xù)的方式發(fā)射能量)，放射科醫(yī)師可以精準地對患者實施治療，以減少暴露于輻射下的健康組織。

2010年，北伊利諾伊大學、加州洛馬琳達大學，以及圣克魯斯加州大學合作完成了第一代質(zhì)子束成像系統(tǒng)。目前，北伊利諾伊大學、費米國家加速器實驗室和阿貢國家實驗室，正在合作建立第二代質(zhì)子束成像系統(tǒng)，即在幾分鐘內(nèi)生成人頭般大小物體的三維圖像。

正當上述團隊在圍繞質(zhì)子束開展研究時，一項國際性的協(xié)作，即一種基于同步加速器X光的CT成像系統(tǒng)正在開發(fā)：當帶電粒子圍繞環(huán)形路徑被加速，會具有比常規(guī)產(chǎn)生的X光高得多的光能量。包括慕尼黑路德維格-馬克西米利安大學和洛杉磯加利福尼亞大學，對位于法國格勒諾布爾的歐洲同步輻射裝置光束產(chǎn)生的圖像應用申請了一種新奇的算法：他們通過比典型的二維成像更少的輻射曝光，得到了人體乳腺三維CT圖像。由于乳房對輻射高度敏感，而避免過度暴露是一個很重要的步驟。盡管該算法仍處于初級研究階段，但該團隊報告稱，它能“成為診斷乳腺癌的強有力的工具，使臨床醫(yī)生能更有效地應對這一疾病。”

醫(yī)學影像學的進步并不總是在如此大的范圍發(fā)生，佩蒂格魯援引一個NIBIB 9年前研制的具有獨創(chuàng)性的低成本成像儀Vscan舉例 （一個以電池供電、手持式的超聲設備，于2009年公布）。“一些著名的心臟病學家認為，Vscan有可能會成為未來的聽診器，”佩蒂格魯說，“不僅僅是因為它更小且十分輕便，它的成本還比常規(guī)超聲設備低20倍?！备鶕?jù)同樣的獨創(chuàng)性，賴斯大學的麗貝卡·R·科圖姆(Rebecca R.Kortum)正在與他人合作開發(fā)微型顯微鏡，旨在實現(xiàn)其小到足以放入實時診斷活組織的檢查針孔內(nèi)。

如此多的研發(fā)工作在進行，目標是開發(fā)更快捷、更清晰、更安全的成像技術(shù)——或許，由這些新技術(shù)開發(fā)的產(chǎn)品很快會在你家附近診所出現(xiàn)。佩蒂格魯說：“我們推崇那些以變革性方法做出新的發(fā)現(xiàn)，并獲取有關生命的本質(zhì)、或生理學以及疾病的知識的科學家。”在談及NIBIB以及生物醫(yī)學成像領域的方方面面，他如數(shù)家珍，目標是“我們著力要開發(fā)診斷和治療疾病的新方法。”