医学分子影像设备的发展与展望

2014-03-23贾峰涛任庆余

医疗卫生装备 2014年9期

关键词：磁共振影像学分子

贾峰涛，杨星，任庆余

医学分子影像设备的发展与展望

贾峰涛，杨星，任庆余

介绍了分子影像学的定义及分子影像设备的发展现状，通过分析各类分子影像设备在临床中应用的优势与不足，得出分子影像设备的发展方向是多功能、多学科、多技术的影像融合，即多模态分子影像设备是未来的发展方向。

分子影像；设备；发展；展望；图像融合

0 引言

临床上，影像学诊断是以人体结构的病理特性改变为基础进行研究的，这仅仅局限于身体解剖结构发生改变，对分子水平的病变却束手无策[1]。随着医学事业的快速发展，医学影像学已经由传统的以解剖结构为主的影像学，发展到以组织代谢、功能成像、受体及基因表达为主体的分子影像学[2]。在此基础上，分子影像设备也得到了迅猛发展。其中，以核医学成像技术为主的正电子计算机发射断层扫描仪（PET/CT）等分子影像设备已广泛应用于临床研究。

1 分子影像学的定义

分子影像学是一门新兴学科，是随着医学影像技术及分子生物学的发展而逐渐出现并发展起来的，它已经日益成为将基础医学研究成果迅速向临床应用转化的重要工具[3]。它为疾病的早期发现、早期治疗提供了科学依据，为临床诊疗工作带来了新的突破。

分子影像学的概念最早是由美国哈佛大学Weissleder教授在2001年提出的，即用影像学的方法在活体的条件下反映细胞和分子水平的变化。也就是说，无论采用何种成像技术，只要是对发生在细胞内的生物学过程进行成像和量化的技术都可称为分子影像[4-6]。其基本原理就是运用分子探针技术对活体生物和人体分子的细胞事件进行实时成像，即把分子探针注入人体后，参与体内的正常代谢活动，同时利用专业的检测设备进行数据采集，将采集到的信号经过处理得到最终的影像结果。

分子影像是应用现代成像技术，在生理状态下显示正常及病变组织与细胞生理、生化变化信息的科学。分子影像学的发展使人们对疾病的诊断由解剖结构阶段进入到了分子水平阶段[7-8]。

2 分子影像设备的发展

随着分子影像技术的不断发展壮大，分子影像设备也不断推陈出新。其中最具有代表性的有核医学成像设备、磁共振成像设备、光学成像设备和超声成像设备等[9]。

2.1 核医学成像设备

核医学成像的基本原理是将放射性同位素标记在人体所必需的一种或者多种物质上制成分子探针，将这种分子探针注入人体后，观察它在体内的分布、代谢等基本情况，用于了解人体内某种特定的功能[10]。核医学分子影像是现在最为成熟的分子影像，它灵敏度极高。目前最具有代表性的设备是PET/ CT，在临床上主要应用于肿瘤疾病。由于大多数肿瘤都具有高代谢的特征，因此临床上恶性肿瘤在PET/CT上的表现多为局部氟代脱氧葡萄糖（18F-fluorodeoxyglucose，18F-FDG）摄取增高、标准摄取值（standard uptake value，SUV）增高。根据这个特点就可以在早期发现和确定良恶性肿瘤[11]。PET/CT通过一次检查就可以获得全身的三维显像，这样就可以对全身各个器官脏器等进行肿瘤原发灶及肿瘤转移情况的分析，从而对肿瘤的临床分期进行判断。同时，还可以在肿瘤手术放疗定位方面起着极其重要的作用，以及对肿瘤经过放化疗治疗以后的情况如放射性坏死、肿瘤残存组织复发等进行分析判断。PET/CT设备在心血管疾病和神经系统疾病中也有着广泛的应用。它可以反映心肌血流灌注情况，实现冠心病的早期诊断，还可以直接反映心肌的脂肪酸葡萄糖代谢情况，判断心肌是否存活[12]。PET/CT利用18FDOPA显像剂，可以对帕金森氏病的早期进行诊断与治疗[13]，同时在吸毒成瘾评估、戒毒治疗及癫痫灶的诊断等多方面也有着较广泛的应用。

目前，核医学分子影像设备依旧存在空间分辨力较差、解剖定位能力差等不足之处，在与其他解剖影像设备进行图像融合后[14]，大大提高了核医学分子影像设备的性能。

2.2 磁共振成像设备

磁共振成像的基本原理是把人体放在磁场中，人体内氢原子核在一定条件下吸收射频电磁波的能量，氢质子获得能量后从低能级跃迁到高能级，而位于高能级的质子不稳定，会向低能级跃迁，在跃迁过程中将获得的能量以电磁波的形式释放出来。然后将此信号接收，经过空间编码和计算机重建处理，则得到最终的磁共振图像[15]。

磁共振成像系统主要由磁体部分、谱仪部分及计算机部分组成。目前，磁共振的磁体主要分为永磁型、常导型和超导型，其提供的磁场强度由最初的0.02 T一直发展到现在的3.0 T；谱仪部分主要包括射频发射单元、信号接收单元、脉冲梯度单元和脉冲序列控制单元；计算机系统主要是进行图像重建和处理等。

近年来，随着磁共振设备硬件及软件的不断改进和发展，它的显像方式及功能参数也逐渐增多，目前除了常规成像之外，还可进行弥散成像、弥散张量成像、灌注成像、磁共振波谱分析等新技术[16]。

磁共振设备对人体不存在电离辐射的损害，而且无骨性伪影，对软组织具有高分辨率，因此在临床应用中具有较明显的优越性。

2.3 光学成像设备

光学成像技术是根据软组织对光波的吸收与散射的不同获得功能信息，它对浅表的软组织分辨率比较高。由于光学成像技术没有辐射危害，对人体没有什么伤害，所以它可以重复曝光。光学成像的方法较多，主要有弥散光学成像、多光子成像、活体显微镜成像、近红外线荧光成像及表面共聚集成像等，是分子生物学基础研究最早、最常用的成像方法[17-18]。

光学成像设备面临的最大困难是如何克服组织对光线的衰减和散射。对于可见光而言，每通过1 cm组织光波信号会减少为10%，因此，光学成像设备很难大范围应用于临床，主要用于小动物模型的研究。最近研发的近红外荧光发射出的波长为650～900 nm，一些组织对该波长光波的吸收率很低，因此灵敏度大大提高，可应用于7～14 cm的组织[19]。

2004年，申宝忠开发出国内第一台活体GFP（绿色荧光蛋白）光学分子成像仪。该设备的成功研发为我国分子影像研究提供了世界级研究水平的平台，对我国分子影像研究领域及肿瘤学研究领域均具有开创性的意义。

光学分子影像在肿瘤研究、基因报告等科研方面有着较为广泛的应用。在临床医学上，一些近红外光学成像设备正在被开发，用来导向手术中的细针组织活检和淋巴点监测。

2.4 超声成像设备

超声成像设备是通过对超声波的发射以及其在人体内的反射、折射、散射后，经过计算机系统对信号进行接收和转换并分析、处理、显像，实现对人体组织和器官的形态结构和功能状态检查，是一种无创检查设备[20]。超声设备分为很多种类型，主要类型有A、B、C、F、M和彩色多普勒等，其中B型超声和彩色多普勒最为常用。

超声分子成像主要是指将微泡造影剂打入人体内的组织器官，观察微泡造影剂在组织器官的成像，通过影像反映病变组织在分子方面的变化。

在临床应用方面，超声联合微泡介导肝细胞生长因子（hepatocyte growth factor，HGF）修饰骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymol stem cells，BMSCs）、新型超声微泡载体系统、纳米靶向微泡等多项应用技术逐步发展起来，但是受到靶向造影剂即特异性分子探针等因素的制约，超声分子成像设备的发展受到了很大的限制[21]。

3 分子影像设备的展望

医学分子影像被誉为21世纪的医学影像学，美国医学会评价其为未来最具有发展潜力的10个医学科学前沿领域之一。医学分子影像技术近年来发展迅猛，医学分子影像设备也给临床医学带来了革命性的进展。

3.1 PET/MR的发展

2006年，北美放射学年会报道了首例西门子公司PET/MR一体机同步采集的人脑图像，取得了很好的效果。随着科技不断进步，PET/MR也进一步改善了图像质量。PET/MR兼备磁共振高空间分辨率和特定的高组织分辨率，同时与PET的高探测灵敏度和高特异性结合，显著提高了临床诊断的准确性，同时减少了受检者的辐射剂量。

3.2 多模态分子成像是未来发展的方向

分子影像设备的发展主要受到靶向性探针合成困难及人类对疾病分子理解局限性的影响，因此，多模态分子成像是以后发展的方向。现在的分子影像设备成像手段各有优势、缺陷及不足，除了继续开发微型设备外，通过整合各成像手段形成优势互补的多模式成像设备具有更大的发展潜力和应用价值，这也必将成为分子影像学研究的重要成像模式。北京大学的“小动物多模态分子影像重大科研仪器及关键技术研究”，主旨在将计算机断层成像（CT）、正电子发射计算机断层成像（PET）、单光子发射计算机断层成像（SPECT）、荧光分子层析成像（FMT）4种成像模态创新性地在同一系统中进行整机集成和同机融合，研发相关分子影像采集、处理与数字化管理软件系统，并将该系统应用于重大疾病新药研制及肿瘤靶向分子探针研究，为国家新药创制及生物医学研究提供技术支撑。

3.3 多学科合作促进分子影像设备发展

分子影像学融合了临床医学、生物化学、分子生物学、生物工程、图像融合等多项技术，而每种技术都有各自的发展。未来，我们必须要实现必要的知识和技术整合，过去相对独立的各个学科要加强合作，建立不同学科的交流平台，培养更多的综合素质技术人才，制造更加先进的分子影像设备。总之，未来分子影像设备的发展是朝多功能、多学科、多技术影像设备的融合发展。

4 结语

医学分子影像设备的不断发展，在临床医学上使得许多疾病可以实现早期发现、早期治疗和疗效评价，它广泛应用于基础生命科学研究，更好地为人类健康提供了保障。在分子影像学发展的推动下，分子影像设备更是促进了生物医学工程学、生物物理学、生物化学等多学科的融合发展。

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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

1003-8868（2014）09-0113-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.09.113