醫(yī)學(xué)成像及其在功能疾病和腫瘤診療中的應(yīng)用
關(guān)鍵詞： 醫(yī)學(xué)成像 功能成像 腫瘤診療影像學(xué)
摘要：在醫(yī)學(xué)成像物理和技術(shù)的研究領(lǐng)域，功能成像的發(fā)展速度驚人，主要是為了滿足腦功能成像研究和腦功能性疾病診斷的需要。醫(yī)學(xué)影像正向定量和計(jì)算機(jī)輔助診斷的方向發(fā)展，在很多領(lǐng)域，尤其是腫瘤診斷方面發(fā)揮越來(lái)越大的作用。北京大學(xué)醫(yī)學(xué)影像學(xué)研究為適應(yīng)學(xué)科的發(fā)展及其應(yīng)用方面的需求，在這些國(guó)際上前沿領(lǐng)域的發(fā)展中進(jìn)行了探索，取得進(jìn)展。
1 功能成像-醫(yī)學(xué)成像的學(xué)科前沿
21世紀(jì)科學(xué)研究中具有挑戰(zhàn)性的研究課題之一是對(duì)人腦工作機(jī)制的研究［1］。其中人的智力(和學(xué)習(xí)、記憶和思維等因素有關(guān))和意識(shí)問(wèn)題顯然是大腦工作機(jī)制中兩個(gè)重要、但是難以解決的問(wèn)題。作為這些研究的結(jié)果，前者可以幫助找出造成智力低下人群成病的原因，從而提高國(guó)民素質(zhì)；后者是各種精神性疾病的原因，和普遍存在的人口健康問(wèn)題有關(guān)。隨著我國(guó)進(jìn)入高速發(fā)展階段之后，人口健康和素質(zhì)問(wèn)題已經(jīng)成為政治家和科學(xué)家共同關(guān)注的問(wèn)題。目前科學(xué)家對(duì)人腦的認(rèn)知功能和功能紊亂造成的疾病的機(jī)制了解還很少，對(duì)意識(shí)和智力的本質(zhì)了解就更少。而這是科學(xué)進(jìn)一步發(fā)展必須解決的具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題之一。而對(duì)人腦和其它臟器功能的研究必須是無(wú)創(chuàng)傷的。醫(yī)學(xué)影像學(xué)的發(fā)展提供了開(kāi)展這種研究的可能性。從而使得世界各國(guó)自90年代以后，紛紛把腦功能研究作為國(guó)家研究目標(biāo)，而且把功能成像的研究范圍擴(kuò)展到人的其它臟器，使得功能成像成為醫(yī)學(xué)成像發(fā)展的前沿領(lǐng)域，這不僅對(duì)科學(xué)發(fā)展是有意義的，而且對(duì)疾病的診斷和治療也是必須的，這是因?yàn)槿说呐K器本來(lái)就有結(jié)構(gòu)和功能兩個(gè)方面。疾病診斷應(yīng)該從兩個(gè)方面同時(shí)進(jìn)行，只是結(jié)構(gòu)成像所作的判斷很容易發(fā)生錯(cuò)誤，這就是臨床上經(jīng)常遇到的“同構(gòu)異病”和“同病異構(gòu)”的問(wèn)題。但是，對(duì)于這個(gè)世界潮流，和巨大的社會(huì)需求，我國(guó)醫(yī)學(xué)界和醫(yī)院的管理層還沒(méi)有充分認(rèn)識(shí)，還沒(méi)有對(duì)功能成像在臨床上的作用給予足夠重視，也還沒(méi)有投入相應(yīng)的力量來(lái)開(kāi)展這方面的研究工作。
已經(jīng)列入發(fā)達(dá)國(guó)家的國(guó)家目標(biāo)的腦功能成像研究在近十年來(lái)取得了很大的進(jìn)步。這種進(jìn)步對(duì)建立科學(xué)的認(rèn)識(shí)論和方法論，把原來(lái)主要以思辨為主要研究手段的哲學(xué)和心理學(xué)研究推向?qū)嶒?yàn)科學(xué)階段，而把神經(jīng)科學(xué)的研究推到了大腦的整體水平。作為科學(xué)發(fā)展來(lái)說(shuō)，醫(yī)學(xué)成像原理和方法的快速發(fā)展開(kāi)始于20世紀(jì)的80年代。那時(shí)，科學(xué)家開(kāi)始把注意力集中到生命科學(xué)上來(lái)，推動(dòng)了用現(xiàn)代科學(xué)的技術(shù)成果發(fā)展諸如磁共振成像(結(jié)構(gòu)成像aMRI，功能fMRI，譜成像MRIS)、正電子發(fā)射斷層(PET)、X-光成像、單光子發(fā)射斷層(SPECT)、腦電儀(EEG)、腦磁儀(MEG)和超聲成像設(shè)備等生物醫(yī)學(xué)工程設(shè)備。而這些設(shè)備的日益完善以及在時(shí)間和空間高分辨率上所取得的進(jìn)展，使得科學(xué)家可以在無(wú)創(chuàng)傷的條件下仔細(xì)觀察臟器的結(jié)構(gòu)和功能成為可能，成為人腦和神經(jīng)系統(tǒng)研究發(fā)展的一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。但是目前達(dá)到的水平還不能滿足腦功能的需要。因?yàn)樾盘?hào)在神經(jīng)元內(nèi)的傳輸速度估計(jì)在毫秒量級(jí)，神經(jīng)同步振蕩時(shí)的神經(jīng)束的直徑估計(jì)在1 mm以下，目前的所有影像設(shè)備都不可能在10 ms的時(shí)間分辨率的同時(shí)，達(dá)到1 mm3以下的空間分辨率水平。即使以最有潛力的磁共振成像來(lái)說(shuō)，離開(kāi)這個(gè)目標(biāo)還很遠(yuǎn)。所以，提高單個(gè)成像模式的性能指標(biāo)或者把不同能力的無(wú)創(chuàng)傷成像手段科學(xué)地聯(lián)合使用，用巧妙的圖像后處理對(duì)這些影像進(jìn)行互補(bǔ)式的后處理，是實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的途徑。但要真正實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)還需要走很長(zhǎng)的路。而在這兩條技術(shù)路線中，用單個(gè)成像模式一次性地解決問(wèn)題是科學(xué)家追求的目標(biāo)，多模式成像及其信息綜合技術(shù)不過(guò)是中間的過(guò)渡階段。核醫(yī)學(xué)成像是功能成像，PET在腫瘤的早期診斷方面有優(yōu)勢(shì)，終于進(jìn)入臨床應(yīng)用階段，但是其空間和時(shí)間分辨率離開(kāi)上述要求還很遠(yuǎn)。核磁共振成像是有希望達(dá)到這個(gè)目標(biāo)的，但是還要走很長(zhǎng)一段路。以功能磁共振成像(fMRI)為例，由于使用的普及性，成像參數(shù)的多樣性及進(jìn)一步技術(shù)發(fā)展的余地，fMRI是醫(yī)學(xué)成像中最具有發(fā)展前途的醫(yī)學(xué)成像設(shè)備之一。它可以做結(jié)構(gòu)成像、功能成像和譜成像，研究外源性藥物和顯像劑的灌注，內(nèi)源性代謝物質(zhì)的灌注和擴(kuò)散成像。在磁共振成像方面，除了非常活躍的fMRI測(cè)量外，新的體外灌注成像技術(shù)的發(fā)展，例如，激光預(yù)極化129Xe-MRI和3He-MRI成像技術(shù)，有可能在臟器的功能研究方面提供新的實(shí)驗(yàn)手段。其中129Xe具有更好的前景，因?yàn)榧す忸A(yù)激化的129Xe被人吸到肺內(nèi)后，很快被溶解在血液內(nèi)，輸送到全身，129Xe還能在人體組織中溶解，可以同時(shí)對(duì)血流和組織成像，而且有較長(zhǎng)的本征馳豫時(shí)間，在人的心動(dòng)周期內(nèi)可以測(cè)到相關(guān)臟器內(nèi)的129Xe信號(hào)，有可能作為人腦功能性動(dòng)態(tài)研究突破性技術(shù)手段［2］之一。但是，在用功能磁共振成像來(lái)研究臟器的功能時(shí)，有二個(gè)問(wèn)題有待于進(jìn)一步研究，即功能成像測(cè)量的血流變化和神經(jīng)活動(dòng)之間對(duì)應(yīng)關(guān)系以及神經(jīng)的抑制狀態(tài)如何用fMRI來(lái)進(jìn)行測(cè)量的問(wèn)題。這兩個(gè)問(wèn)題最近都有重要進(jìn)展［3］。另外，Ca和Na離子的濃度和腦神經(jīng)活動(dòng)直接有關(guān)，用MRI技術(shù)開(kāi)展的直接測(cè)量也在發(fā)展之中。從目前水平看，即使所有的現(xiàn)代化成像和測(cè)量手段結(jié)合在一起，距離實(shí)驗(yàn)?zāi)X科學(xué)要解決的問(wèn)題還相距很遠(yuǎn)。解決這些問(wèn)題的技術(shù)路線很多，對(duì)MRI來(lái)說(shuō)，概括起來(lái)分兩個(gè)方面：第一，提高主磁體的場(chǎng)強(qiáng)，從而提高系統(tǒng)的信噪比；密尼蘇達(dá)大學(xué)的7T系統(tǒng)正在安裝時(shí)，俄亥俄大學(xué)的8T系統(tǒng)已經(jīng)正式開(kāi)始工作，密西根大學(xué)10T的系統(tǒng)正在設(shè)計(jì)。第二，通過(guò)軟件方法或顯像增強(qiáng)劑或線圈技術(shù)等局部技術(shù)的改進(jìn)達(dá)到提高系統(tǒng)信噪比、靈敏度和反差對(duì)比度。最近含鐵和錳的化合物顯像增強(qiáng)的效果不錯(cuò)。提高M(jìn)RI射頻發(fā)射和接受線圈(探測(cè)器)的靈敏度和信噪比進(jìn)展明顯。經(jīng)過(guò)這些努力之后，現(xiàn)在0.5 T的系統(tǒng)可以做以前1.5 T的系統(tǒng)可以做的事，為MRI降低成本，使得功能成像更加普及創(chuàng)造了條件。最近新的磁共振成像原理，例如非均勻場(chǎng)成像和邊沿場(chǎng)成像有可能發(fā)生成為一個(gè)新的發(fā)展熱點(diǎn)，在產(chǎn)業(yè)方面將會(huì)引起廣泛的注意。
另外，在功能成像方面，新的成像模式，例如近紅外光學(xué)成像，已經(jīng)引起了科學(xué)家的高度重視［4］。
2 計(jì)算機(jī)輔助診斷
計(jì)算機(jī)輔助診斷(computer aided diagnosis-CAD)是可以提高臨床醫(yī)生診斷水平的一個(gè)工具，其核心是對(duì)各種影像設(shè)備產(chǎn)生的影像進(jìn)行定量分析，找出醫(yī)生需要的各種數(shù)據(jù)，和人的生理參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)一起進(jìn)行綜合分析，再根據(jù)醫(yī)生的需求完成對(duì)圖像數(shù)據(jù)的顯示、記錄、存貯與傳輸。其中，定量影像學(xué)是其核心內(nèi)容，CAD的發(fā)展對(duì)影像科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展提出了更高的要求。這個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和完成可以為21世紀(jì)的定量診斷開(kāi)辟新的道路。它的作用是把有限的個(gè)人的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，醫(yī)生的有限的視力和精力變成計(jì)算機(jī)擴(kuò)大了的能力，使診斷變得更為精確，更為科學(xué)。統(tǒng)計(jì)方法和模糊數(shù)學(xué)等新的概念將在系統(tǒng)中得到應(yīng)用。
正是基于這樣的認(rèn)識(shí)，北京大學(xué)重離子物理研究所于1994年開(kāi)始醞釀醫(yī)學(xué)物理學(xué)科，其中包括核醫(yī)學(xué)和磁共振成像物理和技術(shù)。自從1996年，主持召開(kāi)了北京磁共振成像物理研討會(huì)［5］之后，研究領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大，除了腦高級(jí)神經(jīng)功能的計(jì)算動(dòng)力學(xué)模型的研究外，我們的研究工作主要集中在對(duì)功能成像物理和技術(shù)的研究方面：包括快速高分辨率成像方法［6－9］；圖像重建(含重建的快速算法)［10－12］和后處理技術(shù)方法的研究(圖像配準(zhǔn)、融合和分割)［13］；高場(chǎng)磁共振超導(dǎo)磁體和線圈的設(shè)計(jì)［14，15］；圖像壓縮和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)等［16］。這些醫(yī)學(xué)和腦功能成像的通用技術(shù)，將為定量診斷學(xué)的發(fā)展打下基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，今后將把主要精力集中在定量數(shù)據(jù)的測(cè)量和分析上，其中灌注和擴(kuò)散成像是兩個(gè)可以進(jìn)行定量分析的成像手段。最后把這些研究成像用軟件固定下來(lái)，例如目前正在制作的SPECT臨床軟件包，計(jì)劃制作的腦功能磁共振成像分析軟件包，三維治療計(jì)劃和質(zhì)量控制軟件包等。以便使得定量研究方法在醫(yī)學(xué)影像學(xué)中得到廣泛應(yīng)用。
3 放射治療物理中的影像學(xué)研究
在射線治療物理和技術(shù)領(lǐng)域，北京大學(xué)于1997年成立了“北京大學(xué)腫瘤物理診療技術(shù)研究中心”。該中心和北京大學(xué)醫(yī)院聯(lián)合成立了一個(gè)腫瘤診療臨床部，有30多個(gè)病床，和中日友好醫(yī)院的辛月齡院士，醫(yī)科院腫瘤醫(yī)院的徐家昌教授等建立了密切的合作關(guān)系，成為活躍在醫(yī)療領(lǐng)域的一支有生氣的力量，在腫瘤藥物的臨床研究和腫瘤的綜合治療方面取得了很好的效果［20］。作為應(yīng)用基礎(chǔ)研究，北京大學(xué)腫瘤物理治療技術(shù)研究中心把腫瘤的診療作為主攻方向。這是因?yàn)榘┌Y是目前影響人類(lèi)壽命的最重要的疾病之一，由于環(huán)境惡化和遺傳的雙重原因，腫瘤引起死亡的比例還在不斷增加。據(jù)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，21世紀(jì)初出生的人中將有1/3的人在一生中要得癌癥，癌癥已經(jīng)成為一種常見(jiàn)病和多發(fā)病。癌癥的發(fā)病機(jī)制非常復(fù)雜，不可能用一種手段徹底解決所有的問(wèn)題。包括基因治療，因?yàn)樗兄掳┗颍荚谌说纳L(zhǎng)和發(fā)育中起某種作用。在所有的癌癥治療中，目前仍然以手術(shù)治療為首選方案。但是，手術(shù)和放療都是局部治療。有資料表明，世界上，大約有1/3的癌腫瘤病人，由于把轉(zhuǎn)移的腫瘤當(dāng)作局部腫瘤進(jìn)行治療，從而導(dǎo)致治療的失敗［14］。更何況，癌細(xì)胞并不只是集中在可以看得到的病灶處，當(dāng)醫(yī)生把主要腫瘤切除時(shí)，不得不割掉周?chē)拇髩K好組織。即使這樣，也不能保證把須狀的大量癌細(xì)胞去除掉，還必須輔助于放療和化療。這正是功能成像為什么可以在腫瘤診斷中發(fā)揮作用的原因。目前，大約有70%的病人在治療過(guò)程中接受放療。最近發(fā)展起來(lái)并在臨床證明有效的中子俘獲治療(neutron capture therapy-NCT)是人類(lèi)戰(zhàn)勝癌癥的長(zhǎng)期奮斗道路上的一個(gè)進(jìn)步，它的發(fā)展和成熟預(yù)示著，很多原來(lái)以為不可治愈的癌，例如神經(jīng)膠質(zhì)瘤等，可以通過(guò)放療和藥物結(jié)合的增強(qiáng)性放療治愈［17］。在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)，影像學(xué)起到延長(zhǎng)人眼功能的作用，即治療計(jì)劃的制定、治療和愈后的的監(jiān)督和檢查功能。例如，用可視化方法可以顯示硼有機(jī)化學(xué)合成的藥物在體內(nèi)的分布，測(cè)量T/N和T/B比，其中T是指腫瘤，N是正常組織，B是血液，供醫(yī)生作治療計(jì)劃時(shí)參考，同時(shí)建立治療中的影像學(xué)監(jiān)督和愈后檢查手段。北京大學(xué)自1994年以來(lái)，開(kāi)展了硼中子藥物方面的研究工作［17］；在加速器中子源方面，用我們的4.5 MV靜電加速器開(kāi)展了NCT中子源的研究。同時(shí)，還開(kāi)展了研制小型強(qiáng)流專(zhuān)用加速器的方案［18］。和專(zhuān)用或兼用的核反應(yīng)堆相比，在醫(yī)院安裝時(shí)，我們?cè)O(shè)計(jì)的加速器體積小，安全性高，沒(méi)有核廢料的問(wèn)題，容易被人們接受。作為在線影像學(xué)測(cè)量手段，可以通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)到的核反應(yīng)10B+n=7Li+α中，7Li第一激發(fā)態(tài)的瞬發(fā)γ(478 keV)角分布數(shù)據(jù)(7Li第一激發(fā)態(tài)的半壽命為73 fs)進(jìn)行分析和處理，用現(xiàn)在發(fā)射型CT(ECT)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)治療的在線監(jiān)督。
醫(yī)學(xué)影像學(xué)在治療計(jì)劃系統(tǒng)中的應(yīng)用也十分廣泛。北京大學(xué)最近又開(kāi)始對(duì)劑量學(xué)和三維治療計(jì)劃系統(tǒng)進(jìn)行研究。這項(xiàng)研究旨在把三維劑量的解析計(jì)算、三維劑量的Monte Carlo(MC)模擬［19］，以及用組織等效模型進(jìn)行的劑量測(cè)量相比較，經(jīng)過(guò)科學(xué)判斷得出在臨床應(yīng)用上可靠的三維治療計(jì)劃系統(tǒng)，目前世界上價(jià)格很貴的治療計(jì)劃系統(tǒng)，很多是用均勻模型計(jì)算后制作的，沒(méi)有用測(cè)量和MC方法的精確計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證，而帶有科學(xué)研究的治療計(jì)劃系統(tǒng)，應(yīng)以醫(yī)學(xué)影像學(xué)的診斷結(jié)果為基礎(chǔ)。
基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(3945023)，
博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(96000114)
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