纳米材料在现代医学影像上的应用研究

2021-04-04朱坤福

信息记录材料 2021年9期

祝蕾，朱坤福

（1菏泽市单县终兴镇中心卫生院山东菏泽 274300）

（2菏泽市单县中医医院山东菏泽 274300）

1 引言

纳米材料在医学领域有着极其活跃的成像性质和突出的治疗效果，被越来越多的研究人员关注，越来越多地应用于现代医学影像领域和肿瘤癌症的治疗。在医学影像领域，笔者选取了临床上最常用X射线断层扫描成像(CT)成像及磁共振成像(MRI)等检查方法和光热治疗方法，探讨纳米材料在医学影像中的应用。

2 纳米材料

2.1 概述

通常情况下，我们认为纳米材料指的是单元结构尺寸为纳米级别的新型材料，具有表面原子多、面积大、性能活跃的特点，且相邻的单元之间存在相互作用等关系。基于这些优势，现阶段人们通常将纳米材料应用到电子技术、生命科学、医药学等领域。当前，在医学范围内针对纳米材料的研究主要分布在影像诊断疾病和肿瘤的诊疗两个方面。影像诊断疾病方面，以纳米造影剂为基础，通过磁共振成像（MRI）、X射线断层扫描成像（CT）、正电子发射计算机断层扫描成像（PET）、光声成像（PAI）等方法技术对疾病进行有效诊断。在针对肿瘤的治疗上，对纳米生物材料进行重新构建，针对不同的部位、不同程度的肿瘤采用放化疗、光热治疗等[1]。

2.2 纳米材料的应用

当前，现代医学中常用的成像方式主要包含磁共振成像（MRI）、X射线断层扫描成像（CT）、正电子发射计算机断层扫描成像（PET）、光声成像（PAI）成像等，而纳米材料作为一种现代医学影像中成像领域常用的对比剂，发挥的作用越来越大。和传统意义上的对比剂相比较，纳米材料具有尺寸可控制、特殊的光学性能和高效的负载率等优势。近年来，随着纳米分子材料的制备工艺不断得到完善，出现了很多优良的纳米粒子对比剂，并很快在临床上得到应用。

由于纳米材料拥有极高的稳定性和抗菌性，且价格较为低廉，因此备受专家学者的关注。比如钛纳米材料就是一种具有超强催化效果，能够快速分解甲醛、苯等毒害气体，起到快速灭菌效果的物质。因此，有学者认为，纳米材料在自清洁领域具有超强的发展空间。

其次，在当前的催化领域也有很多地方运用到了纳米材料和技术。催化剂能够提高物质的反应效率、加快其反应的速度，因此，在化学领域的地位十分重要。但是，传统意义上的催化剂却存在催化效能低下、制备困难的缺陷，很容易带来原材料的浪费和污染的环境。而纳米材料具有表面原子多、面积大、性能活跃的优势，能在很大程度上提高物质反应的速率，且通过一些技术手段还能实现对物质反应的精准把控，进而给化学反应带来更多的可能。

不仅如此，纳米材料在生物医药领域的应用也较为广泛，比如生物芯片、生物探针、荧光影像诊断等。随着人们对生命科学探索进程的不断推进，一些新型药物和诊断方法相继出现，然而新药只有结合全新的输送方式，才能保证药物的疗效，降低副作用。在将纳米技术应用到药物输送的这一过程中，可以将药物分子直接输送到病变的组织中，实现靶向治疗[2]。

3 医学影像

3.1 简介

当前，医学影像技术是我国医学领域发展速度较快的一个重要组成部分。理论意义上，医学影像学是一种需要借助X射线、电磁波、超声波等媒介作用到人体上，将组织器官的结构和密度用图像的方式表现出来，为医生诊疗疾病提供辅助的一种技术。随着医学与计算机技术的不断融合，我国的医学影像技术得到快速的发展，且已基本完成了从辅助学科向支撑性学科的角色转换，应用范围也越来越广泛。

3.2 X射线断层扫描成像（CT）成像

X射线断层扫描成像（CT）是现代医学影像的一个重要组成部分，在临床医学的实践中发挥着重要作用。目前，部分高分辨率的CT能实现对各种人体组织和器官系统（如心脑血管系统、主要器官、骨骼、病变组织等）的高清成像。基于此，在现代医学体系中，CT凭借超高的使用频率和便捷性、实用性及辅助性，已经成为一种比较常见的临床诊断工具。尤其是在新冠疫情的冲击下，CT的使用量出现飙升，CT扫描仪的工作人员需求量激增，有材料学专家预测，全球范围内操作CT扫描仪的工作人员数量已接近百万人大关[3]。

3.3 磁共振成像（MRI）

随着医疗技术手段的持续发展，人们对医学的需求不断提高。当前，在临床医学领域，如何提升医学影像技术的灵敏度成为了一个热点话题，作为医学影像技术的一种，磁共振成像（MRI）也得到了更多专家学者的关注。MRI常被人们用在软组织的结构高分辨成像领域，是医学领域中一种非侵入性的诊断手段。MRI的优点主要包含成像的灵活性高、患者的接受能力强、能对生理参数进行评估等。现阶段，随着MRI技术的不断发展，相关研究人员纷纷尝试利用互补成像探针和造影剂来提高其成像的灵敏度和检测能力。

4 纳米材料在医学影像诊断中的应用

近年来，专家学者在纳米材料的合成与应用领域的研究越来越多，尤其是在将纳米材料应用到医学影像领域以及对肿瘤的临床诊断研究。

4.1 X-射线CT成像在医学影像领域的应用

X射线断层扫描成像（CT）实现成像主要依托于X-射线和机体组织之间的相互作用。通过不断旋转X-射线和光波探测器，X-射线就能从多个角度作用到机体组织，其产生的折射光线会被光波探测器接收，通过计算机技术和终端的处理，最终形成断层图像。CT以其成像空间辨析度较高、采集速度快等优势，成为当前应用最广泛的医学影像技术之一。

在现代医学影像诊疗疾病的过程中，CT常见于辅助观察人体器官或机体组织的结构解剖，如脑部、心、肺部和腹部器官等。但是和MRI成像技术相比，CT对软组织的分辨能力不到位，针对一些疾病的诊断还需要造影剂的介入才能提高对软组织的观察效率。因此，临床检查中，相当一部分的患者必须注射造影剂才能辅助CT检查。

人们通过研究发现，当X射线照射到机体组织时，组织会将X射线光子吸收，使得X射线的密度降低到一定的范围，医学界称这一现象为质量衰减系数。而因为物体之间的密度不同，不同组织的衰减系数值也不相同。将X-射线CT成像相结合，X射线照射到组织，其产生的衰减系数值越大，对CT强化效果就会越好，也就取得了更好的CT成像效果[4]。

4.2 荧光成像在医学影像领域的应用

MRI、CT等成像技术有着分辨率高、穿透力强的优势，因此在医学影像领域发挥着十分重要的作用。但是，这类成像技术也有一定的弊端，比如：采集图像信息时候需要耗费的时间比较长等。这也是长期以来困扰影像学发展的一个难题，直到荧光成像的出现，这种局限性才被突破。在特定的情况下，荧光成像拥有更高的空间分辨率以及超强的灵敏度。但是，受到光的传播特性，光线穿透组织的能力较弱，再加上光线散射引起的成像辨析度降低，机体组织内的内荧光成像就很容易被阻碍，降低了实用性。所以，今后需要研发新的荧光成像技术。

4.3 光声成像技术在医学影像领域的应用

当纳米材料接收到光源信息之后，会将光能吸收并发生膨胀，进而转换成特殊的声波，我们称这一现象为“光声效应”。在这一效应中，由于光源照射到组织之后产生的波长不同，光线抵达组织的深度也会有所不同。同时，在这一过程中，光束会产生多重吸收和散射的现象，出现一种能够吸收光波的物质（生色团），这一物质在吸收了光能后，会发生分子的振动和热弹性膨胀，迅速将光能转化成热能，这一现场会增加组织局部的压力，并产生特定的声波源，同时超声传感仪器就能探测到组织表面的声波，转换成电信号并生成光波图。因为光声图像需要探测的声光信号来自不同空间和不同的机体组织，光线的能量积聚很容易受到机体组织物理性能的影响，且产生的热量能直接影响到超声信号的波长，所以通过观察超声信号的波长变化能判断组织的物理特征变化。

4.4 PET/CT成像在医学影像领域的应用

PET指的是把具有放射性的核素标记化合物载体上，并确保这一化合物顺利参加组织内部代谢的过程。当这些核素进入并作用到机体组织后，在新陈代谢的作用下，放射性核素会进行自我衰变，其产生的电子辐射会转变成能量相同但方向相反的光子。CT则是采用特定的算法，对X射线通过组织时射线衰减的系数进行计算处理，再将得出的数据转变成灰度分布成像的过程。PET/CT不仅兼具了PET成像和CT成像的功能，更对两者进行有机统一，实现了二者共用一个影像检查系统，使其检查结果既能对病患部位组织的生理形态进行评估，又能评估其生理功能和代谢情况。不仅提高了医疗诊断的质量，也能提高诊断的精准度。