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医学成像及其在功能疾病和肿瘤诊疗中的应用

来源:中国医学物理学杂志 作者:包尚联 2004-9-23
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摘要: 摘要:在医学成像物理和技术的研究领域,功能成像的发展速度惊人,主要是为了满足脑功能成像研究和脑功能性疾病诊断的需要。医学影像正向定量和计算机辅助诊断的方向发展,在很多领域,尤其是肿瘤诊断方面发挥越来越大的作用。北京大学医学影像学研究为适应学科的发展及其应用方面的需求,在这些国际上前沿领域的发展中进......


  摘要:在医学成像物理和技术的研究领域,功能成像的发展速度惊人,主要是为了满足脑功能成像研究和脑功能性疾病诊断的需要。医学影像正向定量和计算机辅助诊断的方向发展,在很多领域,尤其是肿瘤诊断方面发挥越来越大的作用。北京大学医学影像学研究为适应学科的发展及其应用方面的需求,在这些国际上前沿领域的发展中进行了探索,取得进展。

  1 功能成像-医学成像的学科前沿

  21世纪科学研究中具有挑战性的研究课题之一是对人脑工作机制的研究[1]。其中人的智力(和学习、记忆和思维等因素有关)和意识问题显然是大脑工作机制中两个重要、但是难以解决的问题。作为这些研究的结果,前者可以帮助找出造成智力低下人群成病的原因,从而提高国民素质;后者是各种精神性疾病的原因,和普遍存在的人口健康问题有关。随着我国进入高速发展阶段之后,人口健康和素质问题已经成为政治家和科学家共同关注的问题。目前科学家对人脑的认知功能和功能紊乱造成的疾病的机制了解还很少,对意识和智力的本质了解就更少。而这是科学进一步发展必须解决的具有挑战性的问题之一。而对人脑和其它脏器功能的研究必须是无创伤的。医学影像学的发展提供了开展这种研究的可能性。从而使得世界各国自90年代以后,纷纷把脑功能研究作为国家研究目标,而且把功能成像的研究范围扩展到人的其它脏器,使得功能成像成为医学成像发展的前沿领域,这不仅对科学发展是有意义的,而且对疾病的诊断和治疗也是必须的,这是因为人的脏器本来就有结构和功能两个方面。疾病诊断应该从两个方面同时进行,只是结构成像所作的判断很容易发生错误,这就是临床上经常遇到的“同构异病”和“同病异构”的问题。但是,对于这个世界潮流,和巨大的社会需求,我国医学界和医院的管理层还没有充分认识,还没有对功能成像在临床上的作用给予足够重视,也还没有投入相应的力量来开展这方面的研究工作。

  已经列入发达国家的国家目标的脑功能成像研究在近十年来取得了很大的进步。这种进步对建立科学的认识论和方法论,把原来主要以思辨为主要研究手段的哲学和心理学研究推向实验科学阶段,而把神经科学的研究推到了大脑的整体水平。作为科学发展来说,医学成像原理和方法的快速发展开始于20世纪的80年代。那时,科学家开始把注意力集中到生命科学上来,推动了用现代科学的技术成果发展诸如磁共振成像(结构成像aMRI,功能fMRI,谱成像MRIS)、正电子发射断层(PET)、X-光成像、单光子发射断层(SPECT)、脑电仪(EEG)、脑磁仪(MEG)和超声成像设备等生物医学工程设备。而这些设备的日益完善以及在时间和空间高分辨率上所取得的进展,使得科学家可以在无创伤的条件下仔细观察脏器的结构和功能成为可能,成为人脑和神经系统研究发展的一个重要转折点。但是目前达到的水平还不能满足脑功能的需要。因为信号在神经元内的传输速度估计在毫秒量级,神经同步振荡时的神经束的直径估计在1 mm以下,目前的所有影像设备都不可能在10 ms的时间分辨率的同时,达到1 mm3以下的空间分辨率水平。即使以最有潜力的磁共振成像来说,离开这个目标还很远。所以,提高单个成像模式的性能指标或者把不同能力的无创伤成像手段科学地联合使用,用巧妙的图像后处理对这些影像进行互补式的后处理,是实现这个目标的途径。但要真正实现这个目标还需要走很长的路。而在这两条技术路线中,用单个成像模式一次性地解决问题是科学家追求的目标,多模式成像及其信息综合技术不过是中间的过渡阶段。核医学成像是功能成像,PET在肿瘤的早期诊断方面有优势,终于进入临床应用阶段,但是其空间和时间分辨率离开上述要求还很远。核磁共振成像是有希望达到这个目标的,但是还要走很长一段路。以功能磁共振成像(fMRI)为例,由于使用的普及性,成像参数的多样性及进一步技术发展的余地,fMRI是医学成像中最具有发展前途的医学成像设备之一。它可以做结构成像、功能成像和谱成像,研究外源性药物和显像剂的灌注,内源性代谢物质的灌注和扩散成像。在磁共振成像方面,除了非常活跃的fMRI测量外,新的体外灌注成像技术的发展,例如,激光预极化129Xe-MRI和3He-MRI成像技术,有可能在脏器的功能研究方面提供新的实验手段。其中129Xe具有更好的前景,因为激光预激化的129Xe被人吸到肺内后,很快被溶解在血液内,输送到全身,129Xe还能在人体组织中溶解,可以同时对血流和组织成像,而且有较长的本征驰豫时间,在人的心动周期内可以测到相关脏器内的129Xe信号,有可能作为人脑功能性动态研究突破性技术手段[2]之一。但是,在用功能磁共振成像来研究脏器的功能时,有二个问题有待于进一步研究,即功能成像测量的血流变化和神经活动之间对应关系以及神经的抑制状态如何用fMRI来进行测量的问题。这两个问题最近都有重要进展[3]。另外,Ca和Na离子的浓度和脑神经活动直接有关,用MRI技术开展的直接测量也在发展之中。从目前水平看,即使所有的现代化成像和测量手段结合在一起,距离实验脑科学要解决的问题还相距很远。解决这些问题的技术路线很多,对MRI来说,概括起来分两个方面:第一,提高主磁体的场强,从而提高系统的信噪比;密尼苏达大学的7T系统正在安装时,俄亥俄大学的8T系统已经正式开始工作,密西根大学10T的系统正在设计。第二,通过软件方法或显像增强剂或线圈技术等局部技术的改进达到提高系统信噪比、灵敏度和反差对比度。最近含铁和锰的化合物显像增强的效果不错。提高MRI射频发射和接受线圈(探测器)的灵敏度和信噪比进展明显。经过这些努力之后,现在0.5 T的系统可以做以前1.5 T的系统可以做的事,为MRI降低成本,


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