超声分子影像论文（共5篇）
超声分子影像论文 篇1
0概述
尽管在过去的20多年里，医学影像学的设备和技术有了显著的进步，但都是通过非特异性的成像手段进行疾病的诊断，如组织的物理特性(组织的吸收、散射、质子密度等)的不同，或者从生理学角度(如血流速度的变化)来鉴定疾病，图像不能显示分子生物学的改变与疾病的关系。只有当机体发生明显的病理或解剖结构的改变时才能发现异常，此时往往已错过了治疗的最佳时机。
1999年美国哈佛大学Weissleder等人首次提出了分子影像学(molecular imaging)的概念，即应用影像学方，在特异的分子探针的帮助下，对活体状态下的生物过程进行细胞和分子水平的定性和定量研究。分子影像学是从生理、生化水平显像,从而达到认识疾病、阐明病变组织生理过程的变化、病变细胞的基因表达、代谢活性的高低、病变细胞是否存活以及细胞内生物活动的状态等目的。这不仅可以提高临床诊治疾病的水平，更重要的是有望在分子水平发现疾病，真正做到早期诊断和治疗[2,3]。分子影像学代表了未来医学影像学的发展方向，其巨大潜力和不断发展将对现代和未来医学模式产生革命性的影响。
按探测方式的不同，分子影像学设备可以分为核素成像、磁共振成像、光学成像和超声成像四种。这些影像技术均有各自的利弊，但以PET的分子显像研究最具活力。
2 单一模式
在分子影像学发展的初期，通常采用单一设备进行成像。这样由于信息收集不充分，所得结果的可靠性不高。但这毕竟是分子影像学的开端，至今仍是分子生物学检查不可缺少的工具。
2.1 核素成像
核素成像的基本原理是将放射性同位素标记在人体所需的某种代谢产物上制成探针，将这种探针注入人体后，观察一定时间内同位素在体内的分布、代谢、排泄情况，以了解人体组织的某种特定功能。根据感兴趣分子与探针的不同，核医学显像可以分为代谢显像、抗体显像、受体显像、报告基因显像和反义显像。就设备本身而言，正电子发射断层成像术(Positron Emission Tomography,PET)和单光子发射计算机断层成像术(Single-Photon Emission Computed Tomography,SPECT)是两种重要的成像手段。
PET成像在目前分子影像学研究中占据着极其重要的地位。按照放射性分布的绝对量用PET进行连续性扫描，根据动力学模型和图像数据，可对活体组织中的生理生化过程做出定量分析，如血流量、能量代谢、蛋白质合成、脂肪酸代谢、神经递质合成速度、受体密度及其与配体结合的选择性和动力学等。
PET设备由PET扫描仪、回旋加速器及放射性探针组成，经历了近一个世纪的缓慢发展过程。1976年专用PET开始正式进入全球医疗市场，用于基础科学研究。80年代开始，PET生产厂家CTI和Scanditronix分别与Siemens和GE公司合作，大公司的介入使PET扫描仪的发展进入了新的发展阶段。进入90年代后，随着分子生物学和分子医学的进步，正电子类示踪剂的独特生物学优势逐渐显露。多环探测器、模块化晶体、3D结构等多种新技术及新型的晶体材料的应用，使PET的射线探测能力和分辨率都有了明显的提高，促使了PET在临床的推广应用。PET开始走出研究室、实验室，成为临床医学影像技术之一，其临床检查主要集中于肿瘤、心脏和中枢神经三个方面。
在扫描仪发展的同时，回旋加速器的研制和正电子显像剂的临床应用也同样取得进展。小型回旋加速器的自动控制和显像剂的自动合成，使正电子核素的产生及正电子显像剂的合成更加简单、方便，机器的操作更加人性化、合理化和程序化，工作人员的辐射剂量也明显降低。18F-FDG在脑显像和心肌存活显像，尤其是在恶性肿瘤显像中的成功应用，使PET逐渐受到临床的青睐。1997年，美国FDA批准了18F-FDG的临床应用。1998年，美国健康卫生财政管理局(Health Care Financing Administration,HCFA)同意将多种18F-FDG PET适应症纳入了医保范围，获得了一张广泛临床应用的“绿卡”。
PET最重要的优势在于正电子核素是人体固有组成元素的同位素。这种核素可标记在生物活性中占主导地位的多种生物分子中，而不会改变标记分子的生物特性和功能，因此比一般SPECT所用的示踪剂更具生理性，其结果能更客观准确地显示活体的生物信息。SPECT和PET同为核素示踪的显像技术，但其空间分辨率和敏感性明显不及PET。由于扫描需要准直器，SPECT只能检测到身体发射的小部分γ—射线，影响了其探测的敏感性。另外，散射也降低了PET图像的空间分辨率。
2.2 磁共振成像
MR成像的优势在于高组织分辨率，同时可获得三维解剖结构及生理信息，正是核素成像所不具备的。但是MR分子影像学也有其弱点，它的敏感性较低，只有微克分子水平，与核医学成像技术的纳克分子水平相比低了几个数量级[4]。传统的MR是以组织的多种物理、生理特性作为成像对比的依据，分子水平的MR成像是建立在上述传统成像技术基础上，以在MR图像上可显像的特殊分子作为成像标记物，对这些分子在体内进行定位。
目前广义的磁共振分子成像包括扩散成像、灌注成像、狭义的磁共振功能成像和波谱成像四种，均能够显示活体状态分子水平的微观运动情况。
2.2.1 扩散成像
反映的是水分子扩散运动的状况，利用脉冲梯度磁场自旋回波技术，通过改变b值来改变水分子扩散运动的自由度，从而改变所得到的扩散加权相图像的信号强度，显示组织扩散程度的差异。目前，扩散成像在早期脑梗死的诊断价值已得到公认，在肝脏、肾脏的应用价值也不同程度地得到认识和研究。
2.2.2 灌注成像
使用对比剂团注首过法的起始强化时间、强化梯度、最大信号强度及最大强化时间等定量、半定量参数，分析毛细血管水平的血流灌注情况，反映生理与病理情况下组织的血流动力学改变，评估局部组织活力及功能。此多用于中枢神经或腹部肝脏系统的功能评价。
2.2.3 狭义的磁共振功能成像
这是以血氧水平相关效应为基础的磁共振成像。它的原理是局部组织受到相应刺激后，氧合血红蛋白与去氧血红蛋白相对含量发生改变，进而导致局部磁化率的相应变化，利用对磁感应敏感的成像序列，通过探测MR信号的变化来反映这种局部血氧变化的空间分布及动态过程。此种MR功能成像已用于中枢神经系统中，对人类感觉、认知等方面的探索。
2.2.4 磁共振波谱成像（MRS)
能用于观察活体从原子到分子结构。在组织细胞发生病变的过程中，在组织细胞本身及周围均会出现一些组织细胞代谢变化，酶或受体活性的改变，可以通过MRS监测活体组织细胞的这些变化，为疾病诊断和鉴别诊断提供依据。目前应用于基因表达的定量研究、肿瘤血管生成情况的评价和脑功能的研究。
磁共振成像通常根据磁场强度的高低，划分不同的档次。3T磁共振以其超高信噪比和日益稳定的运行性能，逐渐成为高端临床研究的主体手段，在分子影像学领域尤其受到青睐。
2.3 光学成像
光学成像是一种快速发展的生物医学影像技术。它可以利用生物自发光或荧光蛋白及荧光染料，在分子和细胞层面上对载体的特定生物过程进行定性和定量研究。光学成像目前主要有弥散光学断层成像、表面加权成像、共聚焦成像、近红外线光学断层成像、表面聚焦成像及双光子成像等。这些成像技术已广泛用于各种生物学研究，包括肿瘤学的研究中，实现对肿瘤生长、分布的在体跟踪，快速评价各种治疗方法的疗效。
光学成像是分子生物学基础研究最早、最常用的成像方法。由于光学成像设备相对简单，成像过程快，是临床前期分子影像设备重要组成部分。同MR、PET成像等技术相比，光学成像具有无创伤、高敏感性、成像价格低和近红外荧光穿透力强等优点。但光学成像技术穿透力有限，为数毫米到数厘米，目前仅用于小动物模型的研究。
2.4 超声成像
超声成像也是分子影像学方面的研究热点。在分子成像中，通过单克隆抗体、多肽分子等靶向微泡对比剂，用于心血管、肿瘤等的靶向诊断，血栓、粥样硬化斑块等的治疗，以及药物、基因的输送。靶向性造影剂是一种特殊类型的超声造影剂，是超声分子影像学发展的重要标志。微泡和声学活性物质，可作为超声成像靶向对比剂携带靶向配基，与活体细胞结合，用于分子成像或加入治疗。超声成像可发现早期疾病在细胞和分子水平的变化，有利于人们更早、更准确地诊断疾病，有助患者早期进行基因治疗或药物治疗等，以期从根本上治愈疾病。
3 复合显像模式
为了既能够早期发现疾病，又能够准确为临床提供定位、定量、定性和分期的资料，临床上逐渐出现了双模式或多模式的复合分子成像技术。
3.1 PET/CT和SPECT/CT
最具有代表性的复合模式，是将具有高分辨率的X射线多排螺旋CT和反映人体细胞、分子代谢功能的单光子或正电子发射型电脑断层仪有机结合在一起的设备，即SPECT/CT或PET/CT。这种联合型显像设备不但为SPECT和PET提供高分辨率的解剖结构图像，更主要的是提供了脏器功能和血流灌注的图像，从而提高了整个系统的检测灵敏度和图像分辨率[5]。SPECT/CT和PET/CT并不是简单的将CT和SPECT或PET简单组合，而是完全不同的全新的设备。
PET/CT全称正电子发射断层显像/X线计算机体层成像，是一种无创的分子显像技术，可在分子水平上显示全身器官和病灶的代谢特点。同时应用多层螺旋CT进行精确定位和辅助诊断，通过图像融合，同步取得人体解剖结构和代谢功能信息，进一步提高了影像诊断的准确性。国内自2002年引进第一台PET/CT分子影像设备以来，此设备拥有的数量迅速增长，到目前已经有近300台装机。
实际上PET-CT中的CT不仅起到衰减校正的作用，而且弥补了PET的解剖结构显示不清、特异性不高和空间分辨率低的不足，实现了对核医学影像的从“不清晰”到“清晰”的变化，提高了诊断医生对影像信息内涵的理解和信心。在此基础上进一步应用诊断性CT，能更加精确定位和定性，减少PET假阳性的误诊和假阴性的漏诊，提高了诊断的准确性
由常识可知，SPECT的平片表现不出投影线上各点的前后关系。要想知道人体在纵深方向上的结构，就需要从不同角度进行观测。可以证明，知道了某个断层在所有观测角的一维投影，就能计算出该断层的图像。这种断层成像术离不开计算机，所以出现了SPECT/CT。该设备中CT的主要功能是获取投影数据和重建断层图像。
3.1.1 复合显像德尔应用研究
PET/CT和SPECT/CT的发展，以及放射性药物的创新和开发，使核医学显像技术取得突破性进展，目前主要的研究方向包括：
(1)代谢显像目前研究较多的是己糖激酶和葡萄糖转运子表达显像、胆碱激酶显像、细胞增殖和内源性胸腺嘧啶激酶显像等。其中2﹣18F﹣2﹣脱氧﹣D﹣葡萄糖(FDG)显像是目前临床应用最广的PET/CT显像。FDG在结构上类似葡萄糖，如果细胞中的葡萄糖摄取增加，那么FDG的摄取亦随之增加。FDG PET CT目前已广泛用于临床肿瘤诊断。18F﹣3'﹣脱氧﹣3'﹣氟代胸腺嘧啶(FLT)是反映细胞增殖最常用的正电子显像剂，用于肿瘤、慢性炎症的鉴别诊断。11C﹣胆碱、18F﹣乙基胆碱和18F﹣甲基胆碱可用于肺部、头颈部、结肠、膀胱和前列腺癌的诊断。
(2)基因表达分子显像主要包括反义PET显像和报告基因显像。反义PET显像是利用正电子核素标记某一特定序列的反义寡脱氧核苷酸作为PET显像剂，经体内核酸杂交与相应的靶mRNA结合，通过PET显像，显示基因异常表达组织，反映目标DNA转录情况。反义显像是一种内源性基因表达显像。报告基因PET显像主要有酶报告基因PET显像和受体(或转运蛋白)报告基因PET显像两种方法。
(3)受体显像研究较多的受体系统有多巴胺能神经系统、5-羟色胺能神经系统、乙酰胆碱能受体、肾上腺素能受体等，其中研究最多的是多巴胺能神经系统。受体显像主要用于神经精神系统疾病(如帕金森氏病、阿尔茨海默病等)的鉴别诊断及治疗监控。PET/CT显像发展非常迅速，已成为分子影像学发展的重要标志[6]。
3.1.2 复合显像的优势
PET/CT和SPECT/CT的优势主要在以下几个方面：
(1)早期诊断疾病疾病的发展过程是首先出现代谢功能的改变，然后形成病灶，导致解剖结构异常，最后病人出现临床症状。PET/CT能从分子水平上反映人体存在的生理或病理变化，非常灵敏的探测到疾病早期的代谢异常，所以能早期作出诊断。
(2)结果更准确PET/CT一次检查就可以同时获得PET、CT以及PET/CT的融合图像。其中PET图像能提供有价值的功能和代谢方面的信息，CT图像能提供精细的解剖信息，医生可以同时从形态和功能两个方面进行诊断和鉴别诊断，这是以往的CT、MRI和单一的PET所不能比的，因此诊断结果更准确。
(3)全身快速检查大约20 min的检查过程，就可以了解全身各个器官的解剖和代谢情况。
(4)安全无痛苦PET/CT检查所用的核素主要是C、N、O、F等，他们大多为人体必需元素，在体内的代谢过程完全符合人体的生理状态，排泄快，安全无危害。
由于技术本身的成熟性和在临床上应用的时间足够长，各厂家的PET/CT或SPECT/CT均具备了比较完备的技术，之间差别并不明显[7]。
3.2 MR-PET
随着PET/CT在临床应用中的不断广泛和深入，设备本身的特点也越来越多地为专业人员所了解。C T本身存在大剂量的X线辐射，对软组织的分辨能力较差，在功能成像方面更是几乎一无所长。业内有识之士开始尝试研发更为先进的分子影像学设备，以进一步满足临床工作各方面的需求，MR-PET应运而生。
MR成像利用人体自身组织特性，不存在任何辐射损伤，具有极佳的软组织对比度，在反映解剖学和生理学信息方面具有其他影像学设备无可比拟的优越性，其波谱技术更是分子成像的重要组成部分。从这一角度而言，MR和PET彼此互补、相辅相成，能够全面了解人体结构、功能和代谢等的全方位信息，对于改进疾病的诊断和治疗具有重要价值。
最早将这一理念付诸实施的是Siemens公司，在2006年推出了BrainPET设备，将PET内核集成于MR磁体内，二者融为一体，能够对全脑的MR和PET信息进行同步采集。此设备先后在全球多个神经功能研究中心安装使用，为以后全身MR-PET的研发工作提供了重要的参考经验。
3.2.1 MR-PET组合全身显像技术的难点
尽管具有令人极为振奋的应用前景，但由于存在一些技术上的挑战，全身MR-PET的开发与PET-CT相比要缓慢得多。设计难点主要体现在以下几个方面：
(1)设备的整合空间MR-PET要求将PET内核整合入MR的磁体孔径内，然而常规MR设备均采用60 cm孔径，根本无法提供足够空间来容纳PET相对而言巨大的探测器。如果强行整合，则会导致扫描孔径过小，人体不能通过。如何进一步扩充MR的磁体空间，或者明显减小PET探测器的尺寸，成为首先需要解决的问题。
(2)磁场对PET的不良影响传统PET的探测器多采用光电倍增管(PMT)，即使很微弱的磁场也足以改变PMT的增益，使电子偏离原先的运动轨迹，导致PMT探测电子的损失。因此，常规的PMT在磁场中不能正常工作，必须开发一种新的PET探测模块，能不受磁场和射频场的影响，同时还不会影响到磁共振信息的采集。
(3)扫描范围的限制PET有一个很重要的优势，那就是全身快速显像。而常规的MR由于线圈及扫描野的限制，一次定位只能扫描一个部位;如需全身检查，则需对多个部位重新摆位和放置线圈，浪费时间暂且不提，更会导致扫描层面的错位。如何设计出全新的线圈和定位系统，完成快速、准确、高效的全身信息采集，成为MR方面遇到的最大挑战。
(4)衰减校正技术PET通常采用68 Ge柱状穿透源衰减校正技术，PET/CT则以CT穿透人体的射线吸收率作为衰减校正的计算工具。如何在没有穿透源和X线的环境下实现准确的PET信号衰减校正，以及如何最大程度的减少设备本身材料对于PET信号的吸收，也是亟待解决的技术问题。
由于以上所提到的众多困难，实现MR-PET设备全身显像几乎为不可能。正因为如此，在过去很长一段时间里，有的厂家给出了“妥协”的解决方案，实际上只是MR和PET两次完全不相关的扫描。
GE公司采用MR和PET的独立式设计，将二者安装在完全不同的两个房间，之间通过一张移动床进行患者转运，分别进行MR和PET的扫描。该方案2006年出现，没有独立的产品名称，不存在任何技术创新，只是简单的产品组合，无法为临床和科研提供新的支持。
Philips公司采用MR和PET的分离式设计，将二者安装在同一个房间，彼此相隔约3 m的距离，共用一张可180o旋转的检查床，分别进行MR和PET扫描。该方案同样不是新的产品设计，而且由于存在磁场屏蔽等问题，还可能影响到PET信号的正常采集。该产品2006年面世，命名为Gemini双子星，实际上只是PET和3T MR的简单组合。
3.2.2 MR-PET组合全身显像技术成功实现
在2010年11月底，在芝加哥举行的第96届北美放射学年会(RSNA)的会展上，Siemens推出了全球首款全身型MR-PET设备——Biograph mMR成像系统。该设备以3T MR和PET作为主体整合成一体化架构，以同一个设备、在同一个房间、用同一张检查床、同时进行MR和PET的扫描，成功实现了全身MR和PET数据的同步采集。由于不存在任何定位偏差，且具备MR优秀的导航技术，Biograph mMR可以提供完全准确的解剖、生理和新陈代谢信息，其涵盖的技术创新主要包括：
(1)70 cm超大孔径磁体整合空间较60 cm孔径增加了30%，为PET内核的嵌入提供了保证。结合TrueForm技术，同时保证获得均匀的射频场和圆柱形成像空间。由于具备超过5年的70 cm孔径产品生产经验，设备稳定性和临床表现比较有保证。
(2)紧凑型P E T探测器研发全新的光子探测器——雪崩式二极管(APD,Avalanche Photo Diodes)，将传统使用PMT时的体积减小了97%，完全可以植入MR磁体内。APD对磁场不敏感，经高达9.4T磁场的测试未出现任何性能降低，为PET-MR的组合成功提供了可能。
(3)Tim全景矩阵成像采用Tim(total imaging matrix)矩阵线圈，实现多线圈的自由组合和并行采集数据。通过并行接收通道来完成自动病床移动、自动线圈开关控制和实时在线处理等工作，无需患者或线圈重新摆位，一次定位完成全身精确的成像。
(4)基于MR的衰减校正基于MR分段及节断矫正方法，建立全新的衰减校正标准数据库，所得图源于MR数据。可在常规扫描的同时进行采集，用户可自定义图。为了获得足够充分的PET信号，相关组件(例如线圈和扫描床)被再次设计，全部使用低衰减材料。
3.2.3 全身MR-PET设备的先进性
由于同时具备了MR和PET的技术优势，与常规的PET/CT相比，真正同步采集的全身MR-PET的先进性非常明显：
(1)减少辐射剂量与CT相比，MR不会产生额外的辐射剂量，对于儿童扫描、治疗随访、体检等任务来说，MR-PET大大减少了PET-CT对于受检者的辐射损伤，更加体现了以人为本的理念。
(2)真正同时扫描Biograph mMR以同一参照系为标准，不存在二次扫描所带来的定位偏差，提高了显像的分辨率，变化都能清晰地显示出来，对早期病变的诊断价值巨大。另外，人体始终处于变化的常态，Biograph mMR的同时采集有助于对疾病的精确诊断。
(3)冻结运动伪影由于MR和PET的数据是同时采集，MR呼吸门控的信息可同时用于PET，因此呼吸导致的组织运动就可以被完全冻结。对于肺部、心脏和腹部成像来说，MR-PET的优势比较明显。当然，呼吸门控也可在PET/CT上通过使用呼吸带来实现，但是效果会大打折扣。
(4)软组织对比度MR有比CT更好的软组织对比度，利于显示软组织肿瘤或肺癌的脑转移，同时也可以清晰地反映出肿瘤内部的出血、坏死等具体细节，有助于治疗方案的制定。对于其他病变，例如肺部病变，MR还可以分辨正常肺组织和纤维化的肺组织，而后者常常是放疗的副作用。
(5)诊断的准确度由于存在基于MR的衰减校正数据和优秀的空间吻合度，因此不会产生类似于PET CT上图谱失真所导致的假阳性和假阴性。
MR和PET同是临床医学成像的重要设备，二者的同步采集为疾病的早期诊断和准确治疗打开了一扇崭新的大门。可以明确地讲，全身MR-PET的出现是分子影像与临床解剖最令人鼓舞的完美融合，体现了当今最为先进的影像产品技术水平，对整个医学影像学的发展具有划时代的意义。
4 总结
分子影像学的发展使医学影像不同学科的联合成为可能，真正实现了“强强联合”，并已经显示出巨大的研究潜力。全身MR-PET的出现，使医学影像学科体系更加完备、科学和合理，有助于进一步促使影像学科和影像技术形成良性互动、相得益彰。对于复合型影像人才的培养，学科科研实力和学术水平的提高，起到有力的推动作用，是医学影像学未来的发展方向。
参考文献
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超声分子影像论文 篇2
张禄鹏
摘要：本文回顾了医学超声影像技术的发展历史，阐述了A型、B型、M型和D型超声诊断方法的历史、原理、特点、用途和发展状况，总结了医学超声影像技术的局限性，介绍了三维超声和超声造影等医学超声影像技术的新进展。
关键词：医学超声影像技术，超声诊断法，三维超声，超声造影
Abstract：This paper reviews the development history of medical ultrasound imaging technology.The history, principles, characteristics, uses and development status of A model, B model, M model and D model ultrasonic diagnostic method.This paper also sums up the limitations of medical ultrasound imaging technology and introduces three-dimensional ultrasound and ultrasound contrast and other new medical ultrasound imaging technology advances.Keyword：medical ultrasound imaging technology，ultrasonic diagnostic method，three-dimensional ultrasound，ultrasound contrast
医学超声影像技术和X-CT、MRI及核医学影像（PET、SPECT）一起被公认为现代四大医学影像技术，成为现代医学影像技术中不可替代的支柱。医学超声影像技术是指运用超声波的物理特性，通过电子工程技术对超声波发射、接收、转换及电子计算机的快速分析、处理和显象，从而对人体软组织的物理特性、形态结构与功能状态影像一种非创伤性技术。目前，由于超声显像技术具有实时动态、灵敏度高、易操作、无创伤、无特殊禁忌症、可重复性强、费用低廉和无放射性损伤等优点。从而使这一诊断技术成为了现今临床各学科疾病的检查、诊断和介入治疗中所不可缺的重要手段之一。
1.超声影像技术发展历史
1880年，两位法国科学家Jacques和Pierre Curie发现了压电现象，成为超声探头的基础。某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。根据压电效应，用压电晶体可以用来作为声波的产生器与接收器，压电效应是可逆的，这奠定了用同一超声波换能器既能发射又能吸收的基础。
直到第一次世界大战，随着声纳在军事上的应用，压电效应才得到重视。1915年，法国科学家Paul Langevin发现了超声的第一个用途：水下声波测距法探测水下目标，也就是今天大家熟知的声纳。正常人的耳朵可接听到声波频率的范围为16-20000Hz，高于2万赫兹的声波就称为超声波。
超声医学影像所用的声频率通常是300万-750万次/秒（3MHz-7.5MHz）。超声波是一种机械波，其传播是通过介质中粒子的机械振动进行的，它不同于电磁波，在真空中不能传播，但在人体复杂的介质中传播较好，同时它属直线传播，因此有良好的方向性[1]。超声诊断技术出现后获得了迅速的发展，上世纪40年代末，A型(Amplitude Mode)超声诊断仪开始应用于临床，常用A型法测量界面距离、脏器径值以及鉴别病变的物理性质，结果比较准确，为最早兴起和使用的超声诊断法，目前已多被其他方法取代，只在脑中线测量等方面还在应
用。
随后B 型(Brightness Mode)和M型(Motion Mode)和超声诊断仪相继问世。70年代灰阶和实时技术取得重大突破超声技术日趋成熟。二维灰度显示的 B 型超声诊断仪取得迅速发展，它们显示的均为人体内结构形态信息，成像基础为人体内的声阻抗变化。所谓的B超，此法是将回声信号以光点的形式显示出来，为辉度调制型，回声强则光点亮，回声弱则光点暗。B超向人体发射一组超声波，按一定的方向进行扫描。根据监测其回声的延迟时间，强弱就可以判断脏器的距离及性质，经过电子电路和计算机的处理, 形成了我们今天的B超图像。按扫描方式分类，B超已经发展了四代，包括手动直线扫描、机械扫描、电子直线扫描和电子扇形扫描。M超声诊断法是在辉度调制型中加入慢扫描锯齿波，使回声光点从左向右自行移动扫描，故也称超声光点扫描法，它是B型超声中的一种特殊的显示方式[2]。80年代出现的彩色血液显像(Color Flow Imaging , CFI)，则是在实时B 型超声图像中，以彩色表示心脏或血管中的血液流动，利用多次脉冲回波相关处理技术来取得血液运动信息。
1982年，日本Aloka公司研制第一台二维彩色多普勒显像仪，建立在多普勒效应基础之上的，显示血流及心脏等运动信息D型(Doppler Mode)超声诊断仪开始出现。继而出现B型和D型相结合的双功型(Duplex Mode)超声诊断仪，它用同一探头既显示B 型图，又在图像中任一处取样显示其多普勒频谱。通常称为彩超的彩色多普勒血流成像系统是一种能同时显示 B 型图像和多普勒血流数据(血流方向、流速、流速分散)的双重超声扫描系统。超声频移诊断法，即D型超声诊断法，通称为多普勒超声，此法应用多普勒效应原理，当超声发射探头和反射体之间有相对运动时，回声的频率有所改变，此种频率的变化称之为频移。多普勒超声最适合对运动流体做检测，所以多普勒超声对心脏及大血管血流的检测。目前常用的超声多普勒有脉冲式多普勒（Pulse Waveform Doppler, PWD）、连续式多普勒(Continual Waveform Doppler, CWD)彩色多普勒显像(Color Doppler Flow Imaging, DFI)。
2.超声影像技术发展现状
随着科学技术的飞速发展，超声技术与计算机技术紧密结合，探头高频化，线路数字化。上世纪90年代经颅多普勒(Trans Cranial Doppler，TCD)诊断仪应用低频多普勒超声，通过颞部、枕部、眶部及颈部等透声窗，可以显示颅内脑动脉的血流动力学状况。而新型的彩色三维TCD则采用独特的颅脑血管扫描技术，同步对颅内血管的X、Y、Z三维空间坐标参数进行检测并馈入计算机，重建颅内血管的三维图像，并可以在颅内血管多普勒信号模拟三维图上选择样点，显示脑血管血液的流速和流向。该技术用于脑血管疾病的诊断、功能评论、危重病人的监护和预防保健等[3]。其后发展的具有三维空间超声技术的诊断仪可显示三个截面：纵截面、横截面和水平截面，并可对空间的所有平面的结果进行扫描、存储、分析。随着全自动三维超声扫描和三维图像存储技术的应用，使人体受检脏器的解剖学分析更加完善。
超声检查不是万能的，对于含气体和受骨骼遮挡的器官检查不如其它器官，对于过小目标的检查也受到仪器分辨率的限制。超声检查受检查孕周、胎儿体位及羊水影响并不能排除所有胎儿的畸形[4]。有些超声检查需要空腹，必须要空腹检查的器官：胆囊。正常胆囊在夜间空腹状态下储存了肝脏分泌的胆汁，这时胆囊呈充盈状态、壁薄光滑张力大、胆囊内无回声。餐后（尤其食用奶制品、脂肪类食物）会收缩使胆汁排出参与消化，如果餐后胆囊收缩了，难以确定是否为病理状态的超声征像，而结石息肉等可能显示不出或难以辨别。
3，超声影像技术发展趋势
近几年来 医学超声成像系统向更高层次发展 其目标主要是利用更多的声学参数作为载体以获取体内更多的生理病理信息，提高图像质量，使图形清晰显示更为细微的组织结构
[5]。从工程技术角度看，医学超声成像在三维超声等方面的发展特别引人注目。
最近几年，三维超声图像重建是超声图像处理方面的热点 已成为超声成像技术的一个
发展趋势。三维超声和实时三维超声三可以弥补二维超声检查的空间关系不强的缺点，同时可以减少因为二维超声检查过快造成的漏诊，扩大超声的观察视野。利用三维超声可以快速、全面地对各检查脏器进行评价。目前，三维和实时三维超声的应用价值已经得到临床和超声医师的认可。但随着对该技术应用的深入，其应用范围会不断的被发现，从而在产前检查中发挥更大的作用。
超声造影(Ultrasonic Enhanced Contrast)是利用造影剂使后散射回声增强，明显提高超声诊断的分辨力、敏感性和特异性的技术。借助于静脉注射造影剂和超声造影谐波成像技术，能够清楚显示微细血管和组织血流灌注，增加图像的对比分辨力，大大提高超声检出病变的敏感性和特异性。随着仪器性能的改进和新型声学造影剂的出现，超声造影已能有效的增强心、肝、肾、脑等实质性器官的二维超声影像和血流多普勒信号，反映和观察正常组织和病变组织的血流灌注情况。有人把它看作是继二维超声、多普勒和彩色血流成像之后的第三次革命。超声造影作为一种全新的影像学检查技术，目前在临床上的普及程度远远不如CT和MRI，和传统超声一样受体形影响和气体干扰大，穿透力较X线弱，空间分辨力也低于CT和MRI,但超声造影剂进行超声检测，简便、耗时短而且实时无创、无辐射，具有其他检查方法无法比拟的优点，已成为超声诊断的一个十分重要和很有前途的发展方向。
总之，三维或实时三维超声、超声造影技术在临床的应用才刚刚起步，更多的应用价值有待广大的超声医务工作者不断地探索和发现，相信随着这些新技术在临床的不断应用，其 可适用的领域会不断地扩大，并适应新的发展趋势。
参考文献：
超声分子影像论文 篇3
【关键词】前置胎盘；超声诊断；影像表现
胎盘的正常附着处在子宫体部的后壁、前壁、侧壁或宫底。如果妊娠晚期胎盘附着于子宫下段或覆盖在子宫颈内口处，称为前置胎盘。前置胎盘是妊娠晚期出血的主要原因之一，为妊娠期严重并发症，如处理不当，则危及母儿生命[1]。对2012年10月～2014年10月收治的前置胎盘患者30例超声诊断影像表现进行分析如下。
1 资料与方法
1.1 一般资料 所有30例患者均为本院收治的发生前置胎盘产妇，年龄22～43岁，平均37岁。初产妇10例，经产妇20例，有流產史24例。均经腹行胎儿超声常规检查，对可疑病例12小时内阴道无流血者，进一步做阴道超声检查。
1.2 方法 经腹检查腹部探头频率3.5～5 MHz，阴道探头频率5～7.5 MHz。膀胱充盈法要求患者在受检前最好排空粪便，取仰卧位暴露下腹部，以充盈之膀胱为透声窗，根据局部解剖结构及子宫体表投影多切面扫查。经阴道探查受检者无需膀胱充盈，取膀胱截石位，采用5～7MHz的高频探头。将套有安全套的阴道探头轻柔放人阴道内，可根据需要将探头进、退或旋转（可360°转动）。由于探头距子宫、附件较近，不受腹部脏器的干扰，图像更为清晰。选择子宫、附件最佳画面，记录显示各切面子宫、卵巢结构（纵、横、左、右）及异常回声。
2 结果
2.1超声表现 显示子宫颈，明确宫颈内口位置 应用TAS时，通常在适度膀胱充盈下显示子宫颈（妊娠中正常子宫颈长度约为35mm±8mm）。如膀胱充盈过度，可压迫子宫下段而产生“前置胎盘”的假象；但若膀胱排空，子宫颈与声束间显示角度不良，则又辨认困难。因此，也有人在膀胱充盈与排空时各作一次超声检查，加以对比鉴别。先在耻骨上方作纵切检查。由于子宫的真正的长轴常有轻微偏移，故可轻微移动探头上端，找出子宫颈的真正长轴。子宫颈管在矢状切面中显示为一线状回声，乃宫颈黏膜表面与黏液栓形成。其周围为等厚度的宫颈黏膜下腺体所形成的低回声[2]。阴道黏膜表面形成的断续线状强回声，也是寻找子宫颈回声的有用参考标志。然后在子宫颈管头端寻找呈“漏头状”或“V”形的宫颈内口所在。如膀胱充盈过度，子宫颈可因受压而延长，子宫颈内口也可紧闭而显示为线状回声。前壁胎盘因其下缘可显示良好，故胎盘下缘位置判断较易。后壁胎盘因常被胎体掩盖，而下缘显示模糊或不能。此时可增大仪器灵敏度观察，但这可使回声增多而声像模糊；也可利用胎动，待胎儿位置移动时，抓住时间观察胎盘下缘；再不然嘱病人作肘膝位行超声检查，或轻柔推动胎儿，使之上移。利用膀胱、胎先露与胎盘共同构成的羊水三角形暗区（称Gucial区），观察胎盘下缘位置。但当病人有活动性出血时，则不应进行此种操作。胎盘侧壁前置时，胎儿先露部有可能很靠近骶骨岬，或密接子宫前壁与充盈的膀胱，且在子宫前或后壁均不能发现胎盘声像。因这种情况很少见，故大体上可排除胎盘前置。但尚应侧动探头及斜行扫查，观察有无侧壁前置的存在。
2.2 诊断结果 30例前置胎盘患者，完全性前置胎盘10例，部分性前置胎盘11例，边缘性前置胎盘7例，低置胎盘2例，均有不同程度阴道出血。
3 讨论
前置胎盘的围产死亡率可高达40%，但在70年代后已下降至5%以下。这是由于本病的产前诊断及围产处理改进而取得的。如果超声检查在孕20周前，胎盘前置的发现率可高达20%（有报道甚至高至70%）；但如在足月时检查，则胎盘前置发生率仅0.5%。这种在早孕与晚孕中不同的超声所见的原因，多认为系子宫峡部在妊娠中增长显著所致。未孕者子宫峡长约1 cm，而在妊娠中可增长至8～10 cm，再加上子宫下段增长并向侧方扩张及轻度旋转，胎盘就向上移动。至足月时，原位置较低者可变为正常，称“胎盘迁移”，但这种情况不出现在完全前置的胎盘中。前置胎盘的误诊率不低，为5%～7%。特别是假阳性率高，这多发生于早或中孕时。假阴性率虽低（<2%），但如漏诊，可造成母婴的不幸。笔者意见：胎盘定位超声检查时间最好在20孕周前，因其后可因有胎儿掩盖，而宫颈口位置显示不清。虽在20孕周前假阳性率高，但可减少漏诊[3]。对无出血症状的孕妇，不必告以阳性所见，但须嘱其晚孕期务必复查。
胎盘完全前置时常可见胎儿横位或臀位，这可能系因前置的胎盘妨碍胎头入盆之故。如子宫前壁未能发现胎盘声像，而胎先露与骶骨间距离大于1.6 cm时，则胎盘后壁前置可能很大；反之，如其间距离小于1.6 cm，则后壁前置发生机会甚小。有时子宫下段的宫缩也可造成胎盘前置假象。这时宫壁厚度多大于1.5 cm，呈半圆形向内隆起和突出。可在30～60 min后复查。通常宫缩可以消失，必要时还可延长观察时间。两者鉴别不难。在一些胎盘完全或部分前置，且有阴道出血患者中，往往在子宫颈内口上方常可发现有血凝块回声。正常子宫颈管长度一般不大于6 cm。如子宫颈外口与胎盘下缘的距离大于6 cm，则胎盘前置的可能不大。若TAS法子宫颈显示不满意，可试行经阴唇（经会阴）检查。采用凸阵或扇扫探头，在阴唇（会阴）上，循阴道方向作矢状切面扫查，对本病诊断或有帮助。若此法因直肠气体掩盖也不能取得良好效果，必要时可考虑TVS检查。这虽对胎盘前置类型鉴别很有帮助，但易致出血，当尽量避免应用。低位帆状胎盘或有副胎盘时，脐带或联结主胎盘间的血管可横越子宫颈内口，而形成血管前置。声像图中在子宫颈内口上方可显示有横越的血管的管状暗区。产时或产前破裂可引致阴道大量出血和危及胎儿。
【参考文献】
[1]周永昌，郭万学.超声医学，第4版.北京：科学技术文献出版社，2002，1421-1424.
[2] 李 威，文玉霞，尤 丽，等.经阴道超声诊断前置胎盘[J].中国超声诊断杂志，2003，4（1）：61.
分子医学影像研究进展(上) 篇4
分子影像学(Molecular Imaging,MI)的概念是美国哈佛大学Weissleder[1]于1999年首次提出,即应用影像学的方法对活体状态下的生物过程进行细胞和分子水平的定性和定量研究。分子影像学利用影像探针,对分子生物学和生物化学层面的信息进行在体成像和综合分析。从临床角度看,分子影像学的内涵是借助现代影像学技术,从分子水平研究和观察疾病的发生、发展中病理生理变化和代谢功能改变。它使得传统的医学诊断方式发生了革命性变化,已成为预警、早期诊治疾病最具有应用前景的医疗新技术、新方法和新手段。
分子医学影像涉及多方面技术,本文主要对分子医学成像设备、分子探针以及靶点筛选技术的研究概况进行综述概要,并对其临床和研究中的应用做初步的分析与探讨。
2 分子医学影像设备的研究进展
在过去的几十年里,分子医学影像设备有了突飞猛进的发展。针对不同研究目的,也有多种新兴的成像模态应运而生。这些模态主要包括:计算机断层成像技术、磁共振成像技术、核医学成像技术及光学成像技术。下面,将对这几种主要的成像技术发展及其临床应用进行综述和探讨
2.1 计算机断层成像技术
计算机断层成像技术(CT)依赖于不同组织器官对X射线的衰减系数不同而成像。世界上首台临床应用的CT设备于1971年9月安装在Atkinson-Morley医学院[2],此后的数十年间,计算机断层成像技术经历了五代改进发展,不断缩短扫描时间和提高性能。1987年,西门子推出了第一台螺旋CT,实现了连续扫描,把CT技术推上了一个新的水平,目前已成为CT的主流技术。在20世纪90年代末,多排CT(MDCT)问世[3],较高的时间分辨率和轴向分辨率使其在心脏成像中独具优势。但其高辐射剂量仍是限制它应用的一个主要因素,相关技术有待改进。在多排CT设备基础上,CT技术上又有一新突破,即双能CT,通过两种不同能量的X射线穿透物体成像,根据不同物质能量吸收曲线的差异,准确地推算出该物体的成分构成[4]。它能够根据物质成分的不同,有区分性进行组织成像,而不再是仅依赖于衰减系数。目前双能CT主要用于肾脏病变诊断[5]、尿路结石与钙化的区分[6]和骨密度成像[7]。
CT成像具有分辨率高(临床CT:0.5～1.0 mm,小动物CT:0.05～0.2 mm)、成像速度快、设备简单等特点,在人体成像与小动物成像中均得到了广泛应用。然而,CT成像过程中的高辐射剂量,是限制它在临床应用中的一个主要因素。此外,它对软组织成像的分辨率较MRI相比仍有较大差距,且需要借助碘造影剂,因此对肾脏功能有毒性作用,不能适用于所有患者[8]。
2.2 磁共振成像技术
磁共振成像技术(MRI)利用生物体内原子核在磁场内共振产生的电磁信号,对生物体的内部结构和软组织形态进行重建。通过应用不同的脉冲序列,可提供软组织的多种图像信息,例如动态增强磁共振成像技术(DCE-MRI)、弥散加权磁共振成像技术(DW-MRI)、血氧依赖水平磁共振成像技术(BOLD-MRI)等。除了能够对组织结构成像,在磁共振成像设备基础上发展而来的核磁共振波谱技术(MRS),可以测定物质的分子结构和成分,在临床中能够物质的获得人体多种生化物质的核磁共振波谱信息,测定其成分及含量变化,例如,胆碱、乳酸盐、磷脂等。临床主要用于研究中枢神经系统疾病[9]、肿瘤[10]及骨骼肌肉失调[11]等。
磁共振成像技术的空间分辨率较高,临床磁共振成像可达到1 mm分辨率。与CT成像相比,磁共振图像无需增强造影剂,即可对软组织成像有较好的对比度;相比CT和2.3章节中的核医学成像技术,磁共振成像是一种无损伤性检查,使患者免于电离辐射和同位素辐射的危害;相比光学成像技术,磁共振成像技术不受成像深度限制[2]。但是磁共振成像技术的灵敏度较低,需要大量成像介质和较长的扫描时间;其时间分辨率较低,难以实现动态成像。
2.3 核医学分子医学影像技术
核医学成像技术主要包括正电子发射计算机断层成像技术(PET)和单光子发射计算机断层成像术(SPECT),可以提供实现全身三维成像,观测分子水平的生理代谢变化。
2.3.1 正电子发射计算机断层成像技术
正电子发射计算机断层成像技术(PET),将正电子放射性核素标记的示踪剂注入体内或器官,核素发生衰变和湮灭,对符合事件记录,从而进行代谢成像。目前对PET的研究主要集中在发展新的探测器技术,以获得较高的空间分辨率。近年来,随着新型闪烁晶体和光电器件的使用[13,14],飞行时间技术(TOF)成功应用于PET系统,提供更多的准确信息,减少了重建图像噪声[15];同时,电子学技术的精进,能够获取多晶体探测器中深度作用信息(DOI),提高了对核素作用定位的精确性[16]。
PET通过响应线(LOR)进行电子准直,具有较高的空间分辨率:临床PET的空间分辨率为4～6 mm,用于脑部成像的PET分辨率约为2.5 mm;预临床研究的小动物PET空间分辨率可达到1～2 mm[17]。临床PET主要通过18F标记的FDG进行肿瘤检测、分期和预后。
2.3.2 单光子发射计算机断层成像技术
单光子发射计算机断层成像技术(SPECT)检测放射性核素在人体或器官中的分布并对其进行成像。SPECT是由伽马相机发展而来,用99Tcm、123I等同位素药物进行平面成像、断层成像或全身成像。
为了突破像素尺寸对空间分辨率的影响,1999年Weber设计的针孔准直器用于小动物SPECT设备[18]。但是单针孔准直器的灵敏度比较有限,在此基础上Ochoa、Meikle[19,20]等人设计了多针孔方案和针孔编码算法,在提高分辨率的同时保证较高的灵敏度。近十年来,晶体制造和半导体工艺的成熟,使得像素化的晶体在SPECT中广泛应用,许多课题组在研制基于新型晶体的探测器设备,例如可以直接探测射线、无需光电信号转换的碲锌镉(CZT)探测器[21],利用康普顿效应直接记录γ射线的多晶体探测器[22]等。
在临床诊断中,SPECT因其价格低廉、设备结构相对简单、特异性高,且适用于多种核素标记探针,在全身骨扫描、脑灌注成像和心肌灌注成像等检查中得到广泛应用。
2.4 超声成像
超声成像设备发射高频声波,通过采集生物组织反射回来的超声波,并结合重建算法,来进行成像。超声技术既可以作为诊断设备用于成像,也可以用作治疗工具。提高发射的声波频率越高,可以提升分辨率,但是其成像深度随之降低,超声成像主要适用于软组织成像,反应不同组织的机械性质差异,图像的对比度比较低,并受到超声散斑的影响。但在临床,超声成像仍是普遍使用的检查手段,其优势在于时间分辨率高,能够实时成像,提供定量信息,借助微泡造影剂具有较好的灵敏度,无放射性危害。目前用于超声成像的微泡主要有两类:气体微泡和磷脂微泡[23],用以对微脉管系统显像。在预临床研究中,靶向微泡研究主要集中在炎症[24]和血管生成[25]。Willmann课题组[26]使用双靶向微泡造影剂,靶向血管生成过程中的两种不同抗体标记,在卵巢肿瘤研究中取得较好结果,明显优于单靶向成像结果。随着分子合成技术的发展,通过在微泡造影剂表面附着上特定的抗体、多肽或者其他靶向分子,使用超声成像技术即可以对特定的生理过程进行成像,达到分子医学成像的效果。
2.5 光学分子影像技术
光学分子医学影像主要包括荧光成像、切伦科夫成像等。光学成像设备对光学分子探针发出的光信号进行分析处理,得到光学分子探针的位置与浓度信息,从而实现对光学分子探针相关的生理过程成像[27,28]。
2.5.1 荧光分子成像
荧光分子成像利用荧光探针对体内标定的蛋白进行成像,基于发光方式可分为自发荧光[29]和激发荧光[30]。20世纪90年代起,随着荧光蛋白在基因表达中的成功表达与复制,使得荧光成像在分子医学领域中开始了一个崭新的发展阶段,主要应用包括基因在细胞中的表达[31]、标记蛋白的表达与作用过程[32]、监测肿瘤发展与转移[33]。
随着研究的发展,二维荧光分子成像已经不能满足对深层组织分子影像的要求。20世纪90年代后期出现的荧光分子层析成像(FMT),是一种对生物组织光学特性参数进行成像的近红外光学散射断层成像技术。2002年哈佛医学院/麻省总医院首次利用激发荧光层析成像对裸鼠脑部神经胶质瘤进行了在体观测[34],显示了利用荧光成像进行分子影像研究的诸多优点,从此荧光层析成像成为分子影像中的一个重要手段。
荧光成像技术虽然具有灵敏度较高、成本低、无电离辐射、能进行长期定量监测等诸多优点,但是由于成像深度受限,荧光蛋白毒性仍有待研究,目前在临床应用中并不广泛,主要用于动物模型研究。近几年,随着成像设备技术的改进,荧光成像在逐步向临床转化,例如将双轴内窥镜[35]和手持式光学成像仪[36]与荧光显像剂的结合,可以用来疾病筛查和早期诊断。
2.5.2 契伦科夫荧光断层成像
契伦科夫荧光断层成像(CLT)是基于契伦科夫效应的分子影像技术,继承了分子核医学的高灵敏和光学分子影像的低成本特征,使用同一探针同时进行功能与结构信息成像[37],具备临床应用价值。CLT的基本流程是光学分子影像设备多角度采集医学同位素诱发的契伦科夫光子,基于解剖结构信息进行三维图像的重建。虽然契伦科夫效应早在20世纪初就已经发现[38],直到2009年Robertson课题组通过18F-FDG对小鼠进行契伦科夫荧光断层成像,通过与PET结果对比,验证了契伦科夫成像。同时一系列放射性同位素在CLT的应用仍在研究中[39]。
2.6 光声层析成像
光声层析成像(PAT)是一种新兴的生物医学成像模态,结合了传统光学的高对比以及超声成像深层高分辨率,探测组织吸收激发电磁波后热膨胀所产生的超声信号。PAT有主要两个子模态:光声显微成像(PAM)和光声计算机层析成像(PACT)。在PAT成像中,生物组织吸收光子后能够对外发射超声波,而生物软组织对超声波的散射要远小于对光的散射,因此PAT能够突破光散射对高分辨率光学成像的壁垒[40]。用光声成像的对比造影剂类型广泛[41],实现了多尺度高分辨率的生物结构成像;成像深度相比光学成像有明显的优势,有较高的信噪比;同时PAT具备光谱成像能力,对组织光吸收具有很高的灵敏度。作为一种新兴的小动物层析成像模态,PAT很好地完成了小鼠、斑马鱼等小动物的层析成像。但是相比CT、核医学等典型成像技术,PAT的成像深度仍比较有限,目前还未能广泛用于人体成像。Wang等课题组最近研究发现PAT可以测定活体组织局部环境参数,包括pH值[42]、含氧量[43]等,未来可以向临床应用的血氧监测、血流多普勒测量和多尺度活体成像等方面进行转化与应用。
3 多模态分子医学成像
为了能够得到包括解剖结构、生理过程、遗传信息等在内的综合图像信息,同时提高疾病诊断的准确性和精确性,多模态分子医学影像技术应运而生。多模态分子影像技术可实现不同影像设备的优势互补,使获取的影像结果更精确、更可靠。临床实践已证明,多模态分子医学影像设备在重大疾病的早诊早治、治疗方案的制定、治疗效果的验证与评估中发挥着重要作用[44]。因此,研发多模态分子影像设备逐渐成为业内的研究热点,主要是将较为成熟的成像模态如CT、PET、SPECT、光学分子影像、MRI进行结合,研制开发信息更全面的多模态分子医学影像设备。以下对典型的多模态分子医学影像系统进行简述。
3.1 核医学与解剖成像融合系统
1992年,Beyer T等人首次实现了PET/CT两模态融合[45],在短短三年内完成了从研究设想到临床应用的过程,于2001年正式推出成熟的临床PET/CT产品[46]。截至2008年,全球临床PET/CT设备已多达3000台,主要用于重大疾病的分期诊断和预后评估,成为临床广泛认可的多模态分子医学影像[47]。在此期间,SPECT与CT的同机融合技术也日趋成熟。2005年6月Gamma Medica在加拿大多伦多召开的核医学年会上推出了世界首台专门用于小动物成像的Triumph Micro PET/SPECT/CT三模态成像设备,提供了一个灵活性高、可扩充性、可组合性的三模态分子影像平台。几乎同时期,Christensen等人提出将PET与MR融合成像,但由于PET探测器对强磁场极敏感,其发展远慢于PET/CT和SPECT/CT,直到2006年,第一幅人脑PET/MRI图像诞生[48],PET/MRI开始成为临床多模态分子成像领域的焦点。
3.2 光学与解剖成像融合系统
2008年,Davis等人通过光纤将FMT系统耦合到一台飞利浦MRI设备,能够同时获取FMT和MR采集的数据,验证了MRI提供的先验结构信息可以提高FMT的重建质量[49]。2010年,Shulz和X.L.Guo分别成功将FMT与CT融合为一体,实现了FMT/CT双模态集成成像。近年,中国科学院自动化所田捷教授课题组研发的小动物光学多模融合分子医学影像设备,将BLT/CLT/CT/FMT/PET五种模态进行集成[50],实现了反映细胞分子水平生理病理变化的荧光光源的精确快速在体重建,构建多源影像信息融合与计算平台,以乳腺癌为病理模型进行疾病早期诊断的研究和抗肿瘤药物疗效评估。
3.3 核医学、光学成像融合系统
2013年,北京大学任秋实教授领导的科研团队研制出一套包括X-ray CT、PET、SPECT、FMT四个模态具有自主知识产权的多模态分子医学影像原理验证样机[51],其中的PET、SPECT核素成像能够反映同位素标记的化合物在病变组织内的代谢过程,获得血流量、能量代谢、蛋白质合成、脂肪酸代谢、神经递质合成速度、受体密度及其与配体结合的选择性和动力学等生理生化定量信息;荧光成像具有较高的特异性,能够区分代谢高表达的肿瘤与炎症组织,弥补核素成像的不足。四模态小动物分子医学影像技术的发展将为解决重大疾病的新药研制及生物医学研究提供新方法、新工具和新思路。
多模态分子成像技术为临床研究者提供了丰富的信息,可以从多角度、多维度的观测生理过程,为临床诊断提供了更全面的影像信息。虽然多模态的分子影像系统已经得到了广泛研究和报道,但大多数仍是原理样机,相应的设备产业化还有待进一步完善,以提高在临床应用中的可靠性和稳定性。
致谢
3D/4D超声影像:走向成熟 篇5
直到最近,由于缺乏临床证据,以及缺少具备必要性能又经济实惠的硬件配置,3D/4D升级技术的临床需求仍然较低。临床医师因怀疑其临床效果而尚未对3D技术产生需求,因此硬件也并未随着软件升级。
内科医师需要超声影像提供更确切的信息,而3D/4D超声影像能够发挥这一重要作用,因为2D检查可能无法获得较为完整的解剖数据,而3D/4D超声影像则降低了这一风险。通过3D技术仅需一次扫描即可为多种临床应用提供完整的解剖数据。随着临床证据逐步证明3D/4D技术的质量可靠,临床医师将更加有可能采用该技术。
1. 更多的临床证据
一般而言,放射学利益相关者都趋向保守,需要大量的研究后才会广泛接受新的临床实践。多年以来,3D/4D技术一直在进行临床试验,最近开始获得临床证明,立体扫描不会遗漏任何信息的事实,确保了全部数据的采集和处理,并最终实现更加快速和准确的诊断。
例如,当3D图像增强应用到立体扫描时,3D胎儿超声检查展现出对细微胎儿脑缺陷和其他胎儿畸形的优秀诊断能力。特别是,根据Anders Selbing教授研究表明[1],通过3D影像可以更好地观察胎儿脑部颅骨后近场的结构。
上一行图像是A、B、C平面中未经过处理的3 D采集图像。下一行图像是A、B、C平面中经过3 D图像增强的3 D采集图像。注意颅骨后近场的结构变得清晰,因此具备了新的诊断能力。(由Selbing教授提供1)
此外,在今年的国际妇产科超声协会(ISUOG)年会上,Boris Tutschek教授也提出了将立体超声应用于胎脑研究的优势和先决条件。[2]Tutschek教授总结道:“立体3D技术可以实现理想的检查设置,实现大脑中的每个点在两个或三个(正交)平面中的相互关系的研究”,并且“可以实现断层显像(与MR和CT相媲美)。”[2]此外,通过分析相邻的体素的特性,在3D采集基础上实现了3D图像增强。
在今年的国际妇产科超声协会年会上,医师不仅介绍了3D技术的积极影响,而且还使用了临床证据作为他们的论据。尤其是,来自哈佛医学院的Beryl Benacerraf博士展示了3D冠状面图像是定位子宫内避孕器(IUD)臂的盆腔超声扫描的必要组成部分,并且“通过3D技术,可以区分纵隔子宫和双角子宫,因为三个正交平面足以评价体腔的形状。”[3]Valentina Chiappa博士总结道:“3D超声是宫旁浸润评价中的精确诊断工具,在所有明显浸润病例中,其结果可以媲美MR。”[4]
2. 真正的风险
由于二维技术到目前为止已经非常成功,放射线学者总体上满足于2D超声技术,此外他们不确定应用3D/4D技术是否利大于弊。目前,3D技术已经可以用于日常实验,真正的风险则是临床医师在使用2D技术可能会遗漏某些信息。托马斯杰弗逊大学的Goldberg、Forsberg和LevToaff等人的研究表明3D采集以及3D图像增强已经在统计学上取得了显著进步。[5]
3D/4D技术可以更清晰地显示器官和病灶的大小、位置、形状和形态,勾勒出它们的轮廓,从而改善诊断和治疗。Benacerraf博士谈到:“立体超声包含所有可用的信息,我们可以显示任何平面中的图像。”[3]配合自适应3D图像增强,我们可以进一步增强立体超声中的信息。3D超声的识别、定位和立体定量提高了诊断质量和测量精度,这是2D超声望尘莫及的。正如Benacerraf博士所说:“在探索信息显示途径的道路上,我们才刚刚起步。”[3]
通过3D超声影像,可以看到器官和深层嵌入结构的真正位置和方向。显著的临床收益使临床医师能够更快地获取更准确的信息。Tutschek教授谈到:“立体3D技术可以实现理想的检查环境,实现每个点在两个或三个正交平面中的相互关系的分析和研究。”[2]
左侧是未处理的脊柱原始图像,中间是3D增强的脊柱图像,右侧是2 D增强的脊柱图像。请注意3D增强图像中胎儿脊柱的清晰轮廓。(由Selbing教授提供1)
大部分放射学医师已经接受过2D技术培训,并且由于过去缺乏3D/4D的临床证据,这使临床医师产生偏见,导致对技术改进的需求较低。但是,通过3D采集,通过一次扫描能够获得整个解剖数据,且能满足大多数的临床应用。从而帮助实现更快速的诊断,激发了应用的需求。
Benacerraf博士展示了快速采集足以重建三个正交平面,并显示每个所需方向的体腔。[3]此外,3D扫描也可以访问与探头垂直的C平面;而2D扫描技术则无法实现。正如Tutschek教授所述:“可以在矢状面内的重建平面中看到小脑蚓部。”2Selbing教授同时指出:“只需提供3D扫描技术的基本培训,经验较少的放射线技师也能有效地获取准确的解剖立体结构。”[1]
3. 硬件升级
图形处理器(又称为GPU)不仅越来越多地应用于电子游戏业,而且还可以取代CPU或与CPU协作进行通用计算。随着GPU技术的快速发展和标准程序设计语言的涌现,可以充分发挥3D/4D采集和3D图像增强软件的潜力。
功能强大且廉价的硬件的快速发展以及临床医师日益增加的需求将成为OEM厂商投资强大3D技术的强劲驱动因素。OEM厂商可以轻松地升级到3D/4D超声探头,使其与3D/4D超声影像软件配套。
通过与合适的软件相结合,目前的软件可以高性价比地提供先进功能,而此前获取这些功能需要购置昂贵的专用硬件。例如,超声扫描转换最初是完全通过硬件完成的过程。现在这一过程可以通过先进的图像处理软件完成。
妇产科学是3D/4D技术最擅长的临床应用,可以带来最可靠的临床效益。但是,其他临床应用,如普通放射科和泌尿科的诊断,对3D采集的需求也日益增加,因此3D技术的应用也随之增长。只要临床医师的需求保持增长,OEM厂商将必须投资能够支持3D/4D影像的硬件。
随着临床医师需求的增长、多年临床证据的积累以及硬件升级需求/进步的提升,3D/4D技术将无疑会在2013年获得长足发展,成为业界标准,帮助实现更为准确、有效的实时诊断。
参考文献
[1]Anders Selbing,瑞典林雪平大学医学院临床与实验医学部,3D产科学访谈,2012年10月。
[2]Boris Tutschek,瑞士伯恩大学医学院产科部,通过3D超声途径评价中枢神经系统,ISUOG2012。
[3]Beryl Benacerraf,哈佛大学医学院,妇科学中的3D技术,ISUOG2012。
[4]Valentina Chiappa,意大利蒙扎市米兰博科尼大学圣杰勒德医院的妇产科门诊部,探讨3D超声在评价宫颈癌的宫旁浸润中的作用,ISUOG2012。