醫學成像及其在功能疾病和腫瘤診療中的應用
關鍵詞： 醫學成像 功能成像 腫瘤診療影像學
摘要：在醫學成像物理和技術的研究領域，功能成像的發展速度驚人，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。醫學影像正向定量和計算機輔助診斷的方向發展，在很多領域，尤其是腫瘤診斷方面發揮越來越大的作用。北京大學醫學影像學研究為適應學科的發展及其應用方面的需求，在這些國際上前沿領域的發展中進行了探索，取得進展。
1 功能成像-醫學成像的學科前沿
21世紀科學研究中具有挑戰性的研究課題之一是對人腦工作機制的研究［1］。其中人的智力(和學習、記憶和思維等因素有關)和意識問題顯然是大腦工作機制中兩個重要、但是難以解決的問題。作為這些研究的結果，前者可以幫助找出造成智力低下人群成病的原因，從而提高國民素質；后者是各種精神性疾病的原因，和普遍存在的人口健康問題有關。隨著我國進入高速發展階段之后，人口健康和素質問題已經成為政治家和科學家共同關注的問題。目前科學家對人腦的認知功能和功能紊亂造成的疾病的機制了解還很少，對意識和智力的本質了解就更少。而這是科學進一步發展必須解決的具有挑戰性的問題之一。而對人腦和其它臟器功能的研究必須是無創傷的。醫學影像學的發展提供了開展這種研究的可能性。從而使得世界各國自90年代以后，紛紛把腦功能研究作為國家研究目標，而且把功能成像的研究范圍擴展到人的其它臟器，使得功能成像成為醫學成像發展的前沿領域，這不僅對科學發展是有意義的，而且對疾病的診斷和治療也是必須的，這是因為人的臟器本來就有結構和功能兩個方面。疾病診斷應該從兩個方面同時進行，只是結構成像所作的判斷很容易發生錯誤，這就是臨床上經常遇到的“同構異病”和“同病異構”的問題。但是，對于這個世界潮流，和巨大的社會需求，我國醫學界和醫院的管理層還沒有充分認識，還沒有對功能成像在臨床上的作用給予足夠重視，也還沒有投入相應的力量來開展這方面的研究工作。
已經列入發達國家的國家目標的腦功能成像研究在近十年來取得了很大的進步。這種進步對建立科學的認識論和方法論，把原來主要以思辨為主要研究手段的哲學和心理學研究推向實驗科學階段，而把神經科學的研究推到了大腦的整體水平。作為科學發展來說，醫學成像原理和方法的快速發展開始于20世紀的80年代。那時，科學家開始把注意力集中到生命科學上來，推動了用現代科學的技術成果發展諸如磁共振成像(結構成像aMRI，功能fMRI，譜成像MRIS)、正電子發射斷層(PET)、X-光成像、單光子發射斷層(SPECT)、腦電儀(EEG)、腦磁儀(MEG)和超聲成像設備等生物醫學工程設備。而這些設備的日益完善以及在時間和空間高分辨率上所取得的進展，使得科學家可以在無創傷的條件下仔細觀察臟器的結構和功能成為可能，成為人腦和神經系統研究發展的一個重要轉折點。但是目前達到的水平還不能滿足腦功能的需要。因為信號在神經元內的傳輸速度估計在毫秒量級，神經同步振蕩時的神經束的直徑估計在1 mm以下，目前的所有影像設備都不可能在10 ms的時間分辨率的同時，達到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說，離開這個目標還很遠。所以，提高單個成像模式的性能指標或者把不同能力的無創傷成像手段科學地聯合使用，用巧妙的圖像后處理對這些影像進行互補式的后處理，是實現這個目標的途徑。但要真正實現這個目標還需要走很長的路。而在這兩條技術路線中，用單個成像模式一次性地解決問題是科學家追求的目標，多模式成像及其信息綜合技術不過是中間的過渡階段。核醫學成像是功能成像，PET在腫瘤的早期診斷方面有優勢，終于進入臨床應用階段，但是其空間和時間分辨率離開上述要求還很遠。核磁共振成像是有希望達到這個目標的，但是還要走很長一段路。以功能磁共振成像(fMRI)為例，由于使用的普及性，成像參數的多樣性及進一步技術發展的余地，fMRI是醫學成像中最具有發展前途的醫學成像設備之一。它可以做結構成像、功能成像和譜成像，研究外源性藥物和顯像劑的灌注，內源性代謝物質的灌注和擴散成像。在磁共振成像方面，除了非常活躍的fMRI測量外，新的體外灌注成像技術的發展，例如，激光預極化129Xe-MRI和3He-MRI成像技術，有可能在臟器的功能研究方面提供新的實驗手段。其中129Xe具有更好的前景，因為激光預激化的129Xe被人吸到肺內后，很快被溶解在血液內，輸送到全身，129Xe還能在人體組織中溶解，可以同時對血流和組織成像，而且有較長的本征馳豫時間，在人的心動周期內可以測到相關臟器內的129Xe信號，有可能作為人腦功能性動態研究突破性技術手段［2］之一。但是，在用功能磁共振成像來研究臟器的功能時，有二個問題有待于進一步研究，即功能成像測量的血流變化和神經活動之間對應關系以及神經的抑制狀態如何用fMRI來進行測量的問題。這兩個問題最近都有重要進展［3］。另外，Ca和Na離子的濃度和腦神經活動直接有關，用MRI技術開展的直接測量也在發展之中。從目前水平看，即使所有的現代化成像和測量手段結合在一起，距離實驗腦科學要解決的問題還相距很遠。解決這些問題的技術路線很多，對MRI來說，概括起來分兩個方面：第一，提高主磁體的場強，從而提高系統的信噪比；密尼蘇達大學的7T系統正在安裝時，俄亥俄大學的8T系統已經正式開始工作，密西根大學10T的系統正在設計。第二，通過軟件方法或顯像增強劑或線圈技術等局部技術的改進達到提高系統信噪比、靈敏度和反差對比度。最近含鐵和錳的化合物顯像增強的效果不錯。提高MRI射頻發射和接受線圈(探測器)的靈敏度和信噪比進展明顯。經過這些努力之后，現在0.5 T的系統可以做以前1.5 T的系統可以做的事，為MRI降低成本，使得功能成像更加普及創造了條件。最近新的磁共振成像原理，例如非均勻場成像和邊沿場成像有可能發生成為一個新的發展熱點，在產業方面將會引起廣泛的注意。
另外，在功能成像方面，新的成像模式，例如近紅外光學成像，已經引起了科學家的高度重視［4］。
2 計算機輔助診斷
計算機輔助診斷(computer aided diagnosis-CAD)是可以提高臨床醫生診斷水平的一個工具，其核心是對各種影像設備產生的影像進行定量分析，找出醫生需要的各種數據，和人的生理參數測量數據一起進行綜合分析，再根據醫生的需求完成對圖像數據的顯示、記錄、存貯與傳輸。其中，定量影像學是其核心內容，CAD的發展對影像科學和技術的發展提出了更高的要求。這個系統的實現和完成可以為21世紀的定量診斷開辟新的道路。它的作用是把有限的個人的知識和經驗，醫生的有限的視力和精力變成計算機擴大了的能力，使診斷變得更為精確，更為科學。統計方法和模糊數學等新的概念將在系統中得到應用。
正是基于這樣的認識，北京大學重離子物理研究所于1994年開始醞釀醫學物理學科，其中包括核醫學和磁共振成像物理和技術。自從1996年，主持召開了北京磁共振成像物理研討會［5］之后，研究領域進一步擴大，除了腦高級神經功能的計算動力學模型的研究外，我們的研究工作主要集中在對功能成像物理和技術的研究方面：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］和后處理技術方法的研究(圖像配準、融合和分割)［13］；高場磁共振超導磁體和線圈的設計［14，15］；圖像壓縮和網絡傳輸技術等［16］。這些醫學和腦功能成像的通用技術，將為定量診斷學的發展打下基礎。在此基礎上，今后將把主要精力集中在定量數據的測量和分析上，其中灌注和擴散成像是兩個可以進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，例如目前正在制作的SPECT臨床軟件包，計劃制作的腦功能磁共振成像分析軟件包，三維治療計劃和質量控制軟件包等。以便使得定量研究方法在醫學影像學中得到廣泛應用。
3 放射治療物理中的影像學研究
在射線治療物理和技術領域，北京大學于1997年成立了“北京大學腫瘤物理診療技術研究中心”。該中心和北京大學醫院聯合成立了一個腫瘤診療臨床部，有30多個病床，和中日友好醫院的辛月齡院士，醫科院腫瘤醫院的徐家昌教授等建立了密切的合作關系，成為活躍在醫療領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］。作為應用基礎研究，北京大學腫瘤物理治療技術研究中心把腫瘤的診療作為主攻方向。這是因為癌癥是目前影響人類壽命的最重要的疾病之一，由于環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。據專家預測，21世紀初出生的人中將有1/3的人在一生中要得癌癥，癌癥已經成為一種常見病和多發病。癌癥的發病機制非常復雜，不可能用一種手段徹底解決所有的問題。包括基因治療，因為所有致癌基因，都在人的生長和發育中起某種作用。在所有的癌癥治療中，目前仍然以手術治療為首選方案。但是，手術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，由于把轉移的腫瘤當作局部腫瘤進行治療，從而導致治療的失敗［14］。更何況，癌細胞并不只是集中在可以看得到的病灶處，當醫生把主要腫瘤切除時，不得不割掉周圍的大塊好組織。即使這樣，也不能保證把須狀的大量癌細胞去除掉，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揮作用的原因。目前，大約有70%的病人在治療過程中接受放療。最近發展起來并在臨床證明有效的中子俘獲治療(neutron capture therapy-NCT)是人類戰勝癌癥的長期奮斗道路上的一個進步，它的發展和成熟預示著，很多原來以為不可治愈的癌，例如神經膠質瘤等，可以通過放療和藥物結合的增強性放療治愈［17］。在這個領域內，影像學起到延長人眼功能的作用，即治療計劃的制定、治療和愈后的的監督和檢查功能。例如，用可視化方法可以顯示硼有機化學合成的藥物在體內的分布，測量T/N和T/B比，其中T是指腫瘤，N是正常組織，B是血液，供醫生作治療計劃時參考，同時建立治療中的影像學監督和愈后檢查手段。北京大學自1994年以來，開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靜電加速器開展了NCT中子源的研究。同時，還開展了研制小型強流專用加速器的方案［18］。和專用或兼用的核反應堆相比，在醫院安裝時，我們設計的加速器體積小，安全性高，沒有核廢料的問題，容易被人們接受。作為在線影像學測量手段，可以通過對實驗測到的核反應10B+n=7Li+α中，7Li第一激發態的瞬發γ(478 keV)角分布數據(7Li第一激發態的半壽命為73 fs)進行分析和處理，用現在發射型CT(ECT)的方法實現對治療的在線監督。
醫學影像學在治療計劃系統中的應用也十分廣泛。北京大學最近又開始對劑量學和三維治療計劃系統進行研究。這項研究旨在把三維劑量的解析計算、三維劑量的Monte Carlo(MC)模擬［19］，以及用組織等效模型進行的劑量測量相比較，經過科學判斷得出在臨床應用上可靠的三維治療計劃系統，目前世界上價格很貴的治療計劃系統，很多是用均勻模型計算后制作的，沒有用測量和MC方法的精確計算進行驗證，而帶有科學研究的治療計劃系統，應以醫學影像學的診斷結果為基礎。
基金項目：國家自然科學基金資助項目(3945023)，
博士點基金資助項目(96000114)
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