PET_MRI顯像技術(shù)與其他分子影像技術(shù)的比較_趙倩

1、 Comparison of PET/MRI with other molecular imaging techniques/ZHAO Qian, LI Juan, WANG Rong-fu/ China Medical Equipment,2013,10(1:4-8.子醫(yī)學(xué)及影像醫(yī)學(xué)的飛速發(fā)展,將二者結(jié)合的分子影像技術(shù)促進(jìn)了醫(yī)學(xué)科學(xué)的發(fā)展。單模態(tài)及多模態(tài)分子影像技術(shù)主要包括了PET/MRI、光學(xué)成像、PET/CT、SPECT/CT、SPECT/MRI 及超聲分子成像。本文比較了以上各種分子影像技術(shù)在臨床前及臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。結(jié)果:雙模態(tài)PET/MRI優(yōu)勢(shì)主要集中在腫瘤學(xué)、心臟病學(xué)、神經(jīng)科學(xué)中

2、的研究,為研究者及臨床醫(yī)生提供更多的分子信息。結(jié)論:多模態(tài)分子醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的發(fā)展勢(shì)必推動(dòng)整個(gè)醫(yī)學(xué)科學(xué)的發(fā)展,PET/MRI將解開更多的未解之謎。關(guān)鍵詞 正電子發(fā)射斷層顯像;磁共振成像;分子影像;多模態(tài)*基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(30870729“靶向腫瘤血管多肽顯像與治療實(shí)驗(yàn)研究”;國(guó)家自然科學(xué)基金(81071183“核素靶向示蹤腫瘤新生血管作用位點(diǎn)研究”;國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(2011YQ0301140“基于多模態(tài)分子影像技術(shù)的新型腫瘤新生血管靶向顯像劑及治療藥物的在體評(píng)價(jià)系統(tǒng)研究”北京大學(xué)第一醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科 北京 100034寧夏醫(yī)科大學(xué)總院核醫(yī)學(xué)科 寧夏 銀川 750004*通訊

3、作者:rongfu_wang2003“分子影像學(xué)(Molecular Imaging”最早是由哈佛大學(xué)Weissleder等1于1999年提出的。分子影像學(xué)區(qū)別于經(jīng)典影像學(xué)(X射線、CT、MR、UB等的特征在于能夠反映活體內(nèi)分子水平的生物學(xué)改變,并且能夠通過(guò)分析而獲取定量參數(shù)。分子影像學(xué)是分子生物學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物,最常用的是核醫(yī)學(xué)示蹤成像技術(shù),尤其是PET 2。目前常用的單一分子影像技術(shù)的比較信息見表1。功能顯像主要依賴于諸如PET、SPECT或光學(xué)成像(OI的新顯像方法,它通過(guò)示蹤被放射性或熒光物質(zhì)標(biāo)記的生物分子,大幅提高了顯像的靈敏度。由于單一影像技術(shù)的局限性,近年來(lái)多模態(tài)

4、顯像技術(shù)逐漸成為研發(fā)的熱點(diǎn),同時(shí)也帶動(dòng)了多模態(tài)分子探針的開發(fā),為研究體內(nèi)物質(zhì)特定的生物學(xué)行為提供了研究基礎(chǔ)。迄今為止,最為成功的多模態(tài)設(shè)備為20世紀(jì)90年代末發(fā)明的PET/CT 3。PET/CT結(jié)合了PET與CT二Abstract Objective: To compare dual-model PET/MRI with other molecular imagingtechniques. Methods: Molecular imaging techniques, which combined the progress of molecular medicine and imaging te

5、chnology, has promoted the development of medical science. Single- and multi-model molecular imaging techniques mainly include PET/MRI, Optimal imaging, PET/CT , SPECT/CT , SPECT/MRI and Ultrasound molecular imaging. We reviewed the applications of these molecular imaging techniques in the field of

6、pre-clinical research and clinical trials. Results: The charming advantages of dual-model PET/MRI arein the area of oncology, cardiology and neurology, and plenty of molecular information had been provided by it. Conclusion: The progress of multi-model molecular imaging equipments will promote the w

7、hole medical science.PET/MRI could reveal more unknown mysterious for us.Key words Positron-emission tomography; Magnetic resonance imaging; Molecular Imaging; Multi-modelFirst-authors address Department of Nuclear Medicine, Peking University First Hospital, Beijing 100034, China.作者簡(jiǎn)介趙倩,女,(1982- ,博士

8、研究生,主治醫(yī)師。北京大學(xué)第一醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科,研究方向:腫瘤核醫(yī)學(xué)。Statistical Iterative Reconstruction AlgorithmJ.AJR Am J Roentgenol,2010,194(1:191-199.Prakash P,Kalra MK,Ackman JB,et al.Diffuselung disease: CT of the chest with adaptive statistical iterative reconstruction techniqueJ.radiology,2010,256(1:261-269.Park EA,Lee W,Kim

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11、,74(885:841-846.4 5 6 9 7 8 10 收稿日期:2012-07-10 學(xué)術(shù)論著者的優(yōu)勢(shì),即整合了CT顯像提供的優(yōu)良的解剖學(xué)信息及PET提供的體內(nèi)代謝及分子水平的變化信息,成功實(shí)現(xiàn)了1+1遠(yuǎn)>2的優(yōu)勢(shì)。其他的多模態(tài)設(shè)備(SPECT/ MRI、DOT/MRI、FT/CT、MRI/FT相繼研發(fā)并應(yīng)用于臨床前醫(yī)學(xué)、科學(xué)研究4-7。PET/MRI融合機(jī)型問世于20世紀(jì)90年代末期,與PET/CT相比,PET/ MRI提供了更好的軟組織對(duì)比及組織特征改變(如使用釓劑、特異性細(xì)胞標(biāo)志物等,并且研究對(duì)象受到的輻射劑量明顯減少。除此之外,MRI還能提供一些功能顯像信息,如灌注顯像、

12、BOLD效應(yīng)、彌散顯像及波譜分析。過(guò)去的10余年中,分子影像設(shè)備飛速發(fā)展,除PET/MRI外,小動(dòng)物PET/CT、光學(xué)成像等新型技術(shù)、設(shè)備相繼出現(xiàn),無(wú)論是單模態(tài)或多模態(tài)均為基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的發(fā)展提供了很好的平臺(tái)。Cherry8綜述了基于解剖形態(tài)、功能代謝信息的PET、SPECT、MRI、CT光學(xué)顯像等設(shè)備的各類多模態(tài)顯像的特點(diǎn);Pichler等9綜述了PET/MRI融合顯像;Wang等10-11綜述了PET/MRI的臨床應(yīng)用現(xiàn)狀及進(jìn)展;本文綜述了PET/MRI與其他分子影像技術(shù)的異同及應(yīng)用進(jìn)展。1 PET/MRI在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用PET/MRI的問世即被世人賦予重望,而它在各分支學(xué)科中的應(yīng)用

13、很大程度上促進(jìn)了醫(yī)學(xué)科學(xué)的發(fā)展。鑒于MRI提供的清晰的解剖定位、優(yōu)良的軟組織對(duì)比及MR波譜等功能信息,PET/MRI的應(yīng)用熱點(diǎn)主要集中在腫瘤學(xué)、心臟病學(xué)及腦神經(jīng)科學(xué)中。腫瘤瘤體形成前即有分子、細(xì)胞水平的功能改變,早期探查腫瘤生物學(xué)行為及其病理、生理學(xué)的改變有助于腫瘤的早期診斷,并關(guān)系著該類患者的生活質(zhì)量、生存時(shí)間。已有學(xué)者報(bào)道了應(yīng)用不同雙功能分子探針PET/MRI顯像,通過(guò)體內(nèi)、體外試驗(yàn)及臨床應(yīng)用,可反映正常細(xì)胞凋亡機(jī)制受損、腫瘤血管新生、細(xì)胞代謝改變、細(xì)胞增殖及細(xì)胞乏氧等12-15。PET/MRI在心血管系統(tǒng)研究中的應(yīng)用已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)之一。心臟PET的靈敏度高、可提供定量參數(shù),能夠反映活

14、體內(nèi)微觀的分子事件16;而心臟MRI 能夠清晰顯示心臟的解剖形態(tài)、心臟梗死灶范圍、心臟血流灌注、心肌勞損等信息。連續(xù)采集的PET和MRI數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的位移校正(尤其是心臟顯像時(shí)易受到呼吸運(yùn)動(dòng)的影響,同樣還可進(jìn)行胸部、腹部病變的準(zhǔn)確探測(cè)。目前,已用于心血管易損斑塊檢測(cè)、急性心梗后炎癥反應(yīng)、心臟功能方面的研究17-20。PET/MRI自發(fā)明以來(lái)就被應(yīng)用于腦神經(jīng)科學(xué)的研究21,其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在MRI提供的良好分辨率和組織對(duì)比度;并可結(jié)合MR波譜分析,有助于探測(cè)代謝功能改變。PET/MRI顯像已成功應(yīng)用于顱內(nèi)腫瘤顯像13、膠質(zhì)瘤的分期研究、癡呆的早期研究、輕度認(rèn)知障礙、退行性改變、腦功能核團(tuán)研究等22

15、-25。此外,PET/MRI還被用于治療藥物納米載體的動(dòng)力參數(shù)及腫瘤靶向性效果、甲狀腺癌手術(shù)治療前及131I 放療的術(shù)前評(píng)估等26-27。2 光學(xué)成像技術(shù)光學(xué)成像技術(shù)是指利用光發(fā)射的原理探測(cè)熒光或生物熒光染料28。熒光顯像是采用熒光報(bào)告基團(tuán)(綠色熒光蛋白GFP、紅色熒光蛋白R(shí)FP等進(jìn)行標(biāo)記,通過(guò)外部激發(fā)光激發(fā)生物體內(nèi)熒光基團(tuán)到達(dá)高能量狀態(tài),而后發(fā)出另一波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光,這種光波可被電荷耦合(charge coupled device,CCD相機(jī)記錄下來(lái)。生物發(fā)光顯像又稱冷光成像,是用熒光素酶基因標(biāo)記細(xì)胞或DNA,通過(guò)酶促反應(yīng)激發(fā)而產(chǎn)生的光,通常需要熒光標(biāo)簽酶(firefly luciferase,

16、這種酶能夠在氧氣和三磷酸腺苷(ATP存在的情況下被氧化為D-熒光素(D-luciferin,在波長(zhǎng)為575nm處可探測(cè)到黃綠熒光。當(dāng)細(xì)胞與熒光標(biāo)簽酶在體內(nèi)標(biāo)記后,即可使用低電子噪聲的制冷型CCD相機(jī)記錄到這些光子29-30。兩者相比而言,活體內(nèi)熒光顯像的信號(hào)雖強(qiáng)于生物發(fā)光顯像,但后者的信噪比卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于前者(生物發(fā)顯像方法基礎(chǔ)原理分辨率采集時(shí)間優(yōu)勢(shì)不足之處正電子斷層顯像PET高能射線12mm數(shù)分鐘高靈敏度、可定量分析需要加速器生產(chǎn)短半衰期核素;有放射輻照單光子斷層顯像SPECT低能射線12mm數(shù)分鐘高靈敏度有放射輻照;敏感性較PET低;分辨率較低核磁共振顯像MRI無(wú)線電波25100m數(shù)分鐘至數(shù)小

17、時(shí)最高的空間分辨率功能成像靈敏度低;圖像采集、重建處理時(shí)間長(zhǎng)計(jì)算機(jī)斷層顯像CT X射線+造影劑50m數(shù)分鐘良好的分辨率較低的軟組織對(duì)比度;有放射輻照光學(xué)成像OI-熒光成像可見光、近紅外光110mm數(shù)秒鐘至數(shù)分鐘高靈敏度;無(wú)輻射顯像過(guò)程簡(jiǎn)便快捷隨組織深度增加,衰減較多,只能淺表成像;發(fā)射波長(zhǎng)<600nm時(shí)易于受自發(fā)熒光干擾光學(xué)成像OI-生物發(fā)光成像可見光110mm數(shù)分鐘高靈敏度;無(wú)輻射可評(píng)價(jià)細(xì)胞存活功能分辨率低;只能淺表成像;二維影像表1 不同分子影像技術(shù)的基本信息及其優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比表中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備2013年1月第10卷第1期 PET/MRI顯像技術(shù)與其他分子影像技術(shù)的比較*-趙 倩 等學(xué)術(shù)論著

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22、顯像基本無(wú)背景噪音的干擾。兩種顯像光子散射較多,需要轉(zhuǎn)染的細(xì)胞數(shù)量增多,因此二者均不能在癌癥患者中廣泛應(yīng)用。熒光成像通過(guò)標(biāo)記病毒、細(xì)菌等,可動(dòng)態(tài)檢測(cè)病毒、細(xì)菌在體內(nèi)的復(fù)制過(guò)程。已有學(xué)者發(fā)明相應(yīng)的熒光探針,用來(lái)檢測(cè)生物體內(nèi)腫瘤的微小轉(zhuǎn)移灶。光學(xué)成像還可用于候選藥物的高通量篩選、腫瘤乏氧及動(dòng)脈瘤檢測(cè)等31-33。目前,已有光學(xué)成像與其他影像設(shè)備融合的多模態(tài)成像的實(shí)驗(yàn)探索,如SPECT-OI、MRI-OI探針顯像。雖然光學(xué)探針用于人體診療的安全性和有效性還有待于評(píng)價(jià),但隨著研究的深入,光學(xué)成像技術(shù)將不僅局限于基礎(chǔ)科學(xué)研究,必將擴(kuò)展到臨床應(yīng)用34-35。3 PET/CT20世紀(jì)90年代,PET/CT融

23、合機(jī)型的問世取得了非常成功的效果,使得單一PET系統(tǒng)的裝機(jī)量急劇下滑。由于CT提供的較精確的解剖學(xué)信息,可彌補(bǔ)PET 空間分辨率的不足。PET/CT的應(yīng)用范圍與PET相同,最為廣泛的用途仍是腫瘤學(xué)的診斷、鑒別診斷、預(yù)后評(píng)估及療效評(píng)價(jià)等方面。PET/MRI與PET/CT 相比,前者由于MRI能夠提供更好的軟組織對(duì)比度、更低的放射線輻射劑量。此外,PET/MRI的優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在進(jìn)行fMRI、MR波譜分析等,獲得更豐富的科研數(shù)據(jù);PET/MRI輻射劑量較PET/CT小,但前者采集和后處理時(shí)間較長(zhǎng)36-40。4 SPECT/CTSPECT/CT被廣泛應(yīng)用于各研究院所和醫(yī)院,其優(yōu)勢(shì)在于多樣化選擇的放射性藥

24、物,并且這些放射性藥物不需要依賴于加速器生產(chǎn),因此成本更低廉、獲得更方便。此外,SPECT分子探針研制較其他分子影像設(shè)備更成熟,是用于臨床最為普遍的分子影像設(shè)備。隨著新型單光子核素的引入,將會(huì)拓展SPECT/CT的應(yīng)用范疇,獲得更好的圖像質(zhì)量。5 SPECT/MRISPECT/MRI也是雙模態(tài)顯像設(shè)備,尤其是在無(wú)創(chuàng)性定量分析和評(píng)價(jià)受體功能評(píng)價(jià)方面41。目前,已經(jīng)有適用于小動(dòng)物的SPECT/MR商業(yè)化設(shè)備生產(chǎn)42-43。隨著設(shè)備性能的進(jìn)一步探索及優(yōu)化、分子影像需求進(jìn)一步發(fā)展,將會(huì)推動(dòng)應(yīng)用于臨床的SPECT/MRI機(jī)型的批量化生產(chǎn)。Madru等44報(bào)道了用99Tc m 標(biāo)記SPIO納米顆粒行SPE

25、CT/MRI前哨淋巴結(jié)顯像。目前PET/MRI與SPECT/MRI已成為多模態(tài)分子影像設(shè)備研發(fā)領(lǐng)域的藍(lán)本,已有CT/MRI、PET/OI設(shè)備的相關(guān)報(bào)道8。6 超聲分子影像經(jīng)典影像學(xué)之一的超聲顯像在分子生物學(xué)及其技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下,推出具有靶向特殊組織的顯像模式。超聲在分子影像技術(shù)中的應(yīng)用是基于微泡造影劑通過(guò)血管進(jìn)入靶組織,再通過(guò)超聲探頭探測(cè)分布于靶組織的微泡,從而反映靶組織的細(xì)胞或亞細(xì)胞組織的微觀改變。目前已應(yīng)用于炎性細(xì)胞、血栓形成、腫瘤新生血管顯像等方面45。除單模態(tài)超聲顯像外,將納米微粒與SPIO結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)超聲-MRI聯(lián)合顯像,用于探測(cè)腫瘤及淋巴結(jié)。超聲微泡造影成像有應(yīng)用的局限性:靶向微泡

26、造影劑制備繁瑣、受體識(shí)別能力差以及安全性差等,需要采用低頻高機(jī)械指數(shù)的尖端超聲顯像模式。隨著分子生物學(xué)及其技術(shù)的發(fā)展,超聲分子影像學(xué)能夠在臨床前、臨床研究中立有一席之地。7 結(jié)語(yǔ)分子影像學(xué)是交叉領(lǐng)域,為臨床提供無(wú)創(chuàng)性、活體內(nèi)從解剖學(xué)到功能診斷的信息。PET/MRI是一種有巨大潛力的整合型分子影像設(shè)備,鑒于MRI相關(guān)功能顯像,其優(yōu)勢(shì)主要集中在腫瘤學(xué)、心臟病學(xué)、神經(jīng)科學(xué)中的研究。通過(guò)PET/MRI提供的臨床應(yīng)用前期研究,能夠解開更多的“未解之謎”。分子醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的發(fā)展勢(shì)必推動(dòng)整個(gè)醫(yī)學(xué)科學(xué)的發(fā)展,PET/MRI將逐漸成為臨床,尤其是臨床前研究的中流砥柱。中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備2013年1月第10卷第1期 P

27、ET/MRI顯像技術(shù)與其他分子影像技術(shù)的比較*-趙 倩 等 tumorsJ.J Nucl Med,2007,48(9:1468-1481. Jacobs AH,Kracht LW,Gossmann A,et al.Imaging in neurooncologyJ.NeuroRx,2005,2(2:333-347. Herholz K.PET studies in dementiaJ.Ann Nucl Med,2003,17(2:79-89.Ungerleider LG,Doyon J,Karni A.Imagingskill learningJ.al.cRGD-nanoparticles f

28、orand PET/MRL,etor persistentimaging:currentNuclarthritisJ.Jluciferasem e n t a t i o n f o ranimalsJ.AnalmetastasesJ.Molapplicationmethod for thefrom naturalU.Inof matrixaorticeffects onI,etgene forandal.HybridimagingJ.T,et al.Dual-effect ofimage qualityNucl Med Moltoday and tomorrowJ.J Nucl Med,20

29、04,45(1:4-14.Townsend DW,Beyer T.A combined PET/CT scanner: the path to true image fusionJ.Br J Radiol,2002,75:24-30.Beyer T,Townsend DW,Blodgett TM.Dual-2338 2425 39 醫(yī)療設(shè)備動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)是基于Browser/Server架構(gòu),運(yùn)用Java服務(wù)器頁(yè)面(java server pages,JSP技術(shù)開發(fā)的基于醫(yī)院信息系統(tǒng)(hospital information system,HIS平臺(tái)的醫(yī)療設(shè)備動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)各功能模塊聯(lián)系緊密

30、,并且使用流程引擎,實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程自定義。因此,系統(tǒng)采用何種方法開發(fā)才能使系統(tǒng)架構(gòu)清晰,并且兼顧開發(fā)效率和運(yùn)行效率,就顯得尤為重要1-2。1 JSP的設(shè)計(jì)模式設(shè)計(jì)模式是面向程序設(shè)計(jì)人員用來(lái)解決編程問題的一種形式化表示。目前,在大多數(shù)Browser/Server 結(jié)構(gòu)的Web應(yīng)用中,瀏覽器直接通過(guò)超文本標(biāo)記語(yǔ)言(hypertext markup language,HTML或者JSP的形式與用戶交互,響應(yīng)用戶的請(qǐng)求3。這種單獨(dú)的JSP模塊的開發(fā)雖然很直觀,但隨著業(yè)務(wù)邏輯及代碼的增多會(huì)使程序的耦合性加大,JSP頁(yè)面臃腫不堪,將使系統(tǒng)不易維護(hù)。為解決這種弊端,隨之出現(xiàn)了下述2種設(shè)計(jì)模式。1.1 JSP+

31、JavaBean模式如圖1所示,瀏覽器直接調(diào)用JSP頁(yè)面,JSP頁(yè)面能夠調(diào)用JavaBean組件來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)表示和數(shù)據(jù)處理的分離。但這種模式中的JavaBean組件不僅需要提供修改和返回?cái)?shù)據(jù)的方法,而且需要經(jīng)常參與數(shù)據(jù)的處理4。Research and application of dynamic management system of medical equipment design patterns/YAN Tan, HU Li-yong, LIN F en-ping, et al/ China Medical Equipment,2013,10(1:08-11.Abstr

32、act Objective: T o explore the efficient and reasonable structure design Pattern of Dynamic Management System of Medical Equipment. Methods: Using MVC design patterns, the system is broken into model-view-controller three levels,make the presentation layer and logic layer separation. Results: USing

33、MVC design patterns, the dynamic management system of medical equipment ,the structure is clear,the operation is efficiency. Conclusion: The MVC design patterns makes the dynamic management system of medical equipment has good expansibility and flexibility, and greatly improve the efficiency of the

34、development system and software reuse.Key words Medical equipment; Dynamic management system; MVC; Design patternFirst-authors address Department of Equipment Management, 175 Hospital of PLA, Zhangzhou 363000, China統(tǒng)拆分成模型-視圖-控制器3個(gè)層次,使表示層與邏輯層分離。結(jié)果:使用MVC設(shè)計(jì)模式開發(fā)的醫(yī)療設(shè)備動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰,開發(fā)效率高,代碼可重用性強(qiáng),運(yùn)行高效,實(shí)現(xiàn)了醫(yī)療設(shè)備的動(dòng)態(tài)管理。結(jié)論:MVC設(shè)計(jì)模式使得醫(yī)療設(shè)備動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性和靈活性,極大提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率和軟件重用性,是醫(yī)療設(shè)備動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)的首選系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式。關(guān)鍵詞 醫(yī)療設(shè)備;動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng);模型-視圖-控制器;設(shè)計(jì)模式作者簡(jiǎn)介嚴(yán)潭,男,(1974- ,本科學(xué)歷,高級(jí)工程師。解放軍第175醫(yī)院器材科,從事醫(yī)療設(shè)備管理工作。*基金項(xiàng)目:南京軍區(qū)計(jì)劃課題項(xiàng)目(10MB018資助“基于HIS平臺(tái)下醫(yī)療設(shè)備動(dòng)態(tài)管理的研究與應(yīng)用”;南京軍區(qū)重點(diǎn)課