医学成像及其在功能疾病和肿瘤诊疗中的应用

　　摘要：在医学成像物理和技术的研究领域，功能成像的速度惊人，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和心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，使得功能成像更加普及创造了条件。最近新的磁共振成像原理，例如非均匀场成像和边沿场成像有可能发生成为一个新的发展热点，在产业方面将会引起广泛的注意。

　　另外，在功能成像方面，新的成像模式，例如近红外光学成像，已经引起了科学家的高度重视［4］。

　　2　计算机辅助诊断

　　计算机辅助诊断(computer aided diagnosis-CAD)是可以提高临床医生诊断水平的一个工具，其核心是对各种影像设备产生的影像进行定量分析，找出医生需要的各种数据，和人的生理参数测量数据一起进行综合分析，再根据医生的需求完成对图像数据的显示、记录、存贮与传输。其中，定量影像学是其核心内容，CAD的发展对影像科学和技术的发展提出了更高的要求。这个系统的实现和完成可以为21世纪的定量诊断开辟新的道路。它的作用是把有限的个人的知识和经验，医生的有限的视力和精力变成计算机扩大了的能力，使诊断变得更为精确，更为科学。统计方法和模糊数学等新的概念将在系统中得到应用。

　　正是基于这样的认识，北京大学重离子物理研究所于1994年开始酝酿医学物理学科，其中包括核医学和磁共振成像物理和技术。自从1996年，主持召开了北京磁共振成像物理研讨会［5］之后，研究领域进一步扩大，除了脑高级神经功能的计算动力学模型的研究外，我们的研究工作主要集中在对功能成像物理和技术的研究方面：包括快速高分辨率成像方法［6－9］；图像重建(含重建的快速算法)［10－12］和后处理技术方法的研究(图像配准、融合和分割)［13］；高场磁共振超导磁体和线圈的设计［14，15］；图像压缩和传输技术等［16］。这些医学和脑功能成像的通用技术，将为定量诊断学的发展打下基础。在此基础上，今后将把主要精力集中在定量数据的测量和分析上，其中灌注和扩散成像是两个可以进行定量分析的成像手段。最后把这些研究成像用软件固定下来，例如目前正在制作的SPECT临床软件包，计划制作的脑功能磁共振成像分析软件包，三维治疗计划和质量控制软件包等。以便使得定量研究方法在医学影像学中得到广泛应用。

　　3　放射治疗物理中的影像学研究

　　在射线治疗物理和技术领域，北京大学于1997年成立了“北京大学肿瘤物理诊疗技术研究中心”。该中心和北京大学医院联合成立了一个肿瘤诊疗临床部，有30多个病床，和中日友好医院的辛月龄院士，医科院肿瘤医院的徐家昌教授等建立了密切的合作关系，成为活跃在医疗领域的一支有生气的力量，在肿瘤药物的临床研究和肿瘤的综合治疗方面取得了很好的效果［20］。作为应用基础研究，北京大学肿瘤物理治疗技术研究中心把肿瘤的诊疗作为主攻方向。这是因为癌症是目前影响人类寿命的最重要的疾病之一，由于环境恶化和遗传的双重原因，肿瘤引起死亡的比例还在不断增加。据专家预测，21世纪初出生的人中将有1/3的人在一生中要得癌症，癌症已经成为一种常见病和多发病。癌症的发病机制非常复杂，不可能用一种手段彻底解决所有的问题。包括基因治疗，因为所有致癌基因，都在人的生长和发育中起某种作用。在所有的癌症治疗中，目前仍然以手术治疗为首选方案。但是，手术和放疗都是局部治疗。有资料表明，世界上，大约有1/3的癌肿瘤病人，由于把转移的肿瘤当作局部肿瘤进行治疗，从而导致治疗的失败［14］。更何况，癌细胞并不只是集中在可以看得到的病灶处，当医生把主要肿瘤切除时，不得不割掉周围的大块好组织。即使这样，也不能保 证把须状的大量癌细胞去除掉，还必须辅助于放疗和化疗。这正是功能成像为什么可以在肿瘤诊断中发挥作用的原因。目前，大约有70%的病人在治疗过程中接受放疗。最近发展起来并在临床证明有效的中子俘获治疗(neutron capture therapy-NCT)是人类战胜癌症的长期奋斗道路上的一个进步，它的发展和成熟预示着，很多原来以为不可治愈的癌，例如神经胶质瘤等，可以通过放疗和药物结合的增强性放疗治愈［17］。在这个领域内，影像学起到延长人眼功能的作用，即治疗计划的制定、治疗和愈后的的监督和检查功能。例如，用可视化方法可以显示硼有机化学合成的药物在体内的分布，测量T/N和T/B比，其中T是指肿瘤，N是正常组织，B是血液，供医生作治疗计划时，同时建立治疗中的影像学监督和愈后检查手段。北京大学自1994年以来，开展了硼中子药物方面的研究工作［17］；在加速器中子源方面，用我们的4.5 MV静电加速器开展了NCT中子源的研究。同时，还开展了研制小型强流专用加速器的方案［18］。和专用或兼用的核反应堆相比，在医院安装时，我们设计的加速器体积小，安全性高，没有核废料的问题，容易被人们接受。作为在线影像学测量手段，可以通过对实验测到的核反应10B+n=7Li+α中，7Li第一激发态的瞬发γ(478 keV)角分布数据(7Li第一激发态的半寿命为73 fs)进行分析和处理，用现在发射型CT(ECT)的方法实现对治疗的在线监督。

　　医学影像学在计划系统中的应用也十分广泛。北京大学最近又开始对剂量学和三维治疗计划系统进行研究。这项研究旨在把三维剂量的解析、三维剂量的Monte Carlo(MC)模拟［19］，以及用组织等效模型进行的剂量测量相比较，经过判断得出在临床应用上可靠的三维治疗计划系统，目前世界上价格很贵的治疗计划系统，很多是用均匀模型计算后制作的，没有用测量和MC方法的精确计算进行验证，而带有科学研究的治疗计划系统，应以医学影像学的诊断结果为基础。

　　［1］　包尚联，王卫东.脑功能成像技术的进展［R］.北京：医学物理年会报告，1998-05-23.

　　［2］　包尚联，俎栋林，等.研制激光预激化129Xe磁共振成像设备，开展肺病的早期、动态和高分辨率诊断研究［C］.6th核医学学学会集，1995.20-31.

　　［3］　包尚联.国际应用磁共振会议综述［J］.CT理论与应用研究，1998，7：46-51.

　　［4］　包尚联.医学物理［M］.北京大学研究生教材，第二册，1997.

　　［5］　王义遒，冯义廉，包尚联.北京：中国高等科学技术中心 WL Workshop系列［A］.1996-10.69：7-11

　　［6］　王卫东，包尚联.高分辨率核医学成像新方法［J］.核电子学与探测技术［特刊］，1995-10.35-37

　　［7］　王卫东，包尚联，等.γ光子延时加权定位方法的研究［J］.电子学报，1996，(5).

　　［8］　Wang Weidong, Bao Shanglian,Maximum likelihood Method of High Resolution Imaging in Signal Processing.Proc.on Inter.Conference on Signal Processing, Oct.1996.

　　［9］　王卫东，蔡建新，包尚联.核医学影像中的单光子定位的最小二乘方法［J］.核电子学和探测技术，1996，(3).

　　［10］　You J.Bao S.Liang Z.Benefits of angular expression to reconstruction&nbs p;algorithms,for collimators with spatially-varying focal lengths.IEEE Tans.Med.Imaging,1997,16(5):1-5.

　　［11］　王卫东，包尚联，蔡建新.“计算Randon逆变换新方法”［J］.信号处理，1997，13(1)：93-96.

　　［12］　You J.and Bao S,An analytical formula of fully 3D image reconstruction,Acta,Scientiarum Naturalium Univeersitatis Pekinnensis, 1996,32(5):594-601.

　　［13］　王卫东，卢卫国，包尚联，等.医学成像数据的配准和融合［C］.CT理论及其应用，1996-10.

　　［14］　俎栋林，郭华，包尚联，等.北京：磁体设计国际会议，1997-08.

　　［15］　Donglin Zu,Lifeng Yu,Hua Guo, Shanglian Bao, Head Bird-cage Resonator for fMRI at 4T, 15th Intemational Conference on Magnet Technology, Oct.20-24,1997,Beijing,p14.

　　［16］　Yuanmu Deng,Shanglian Bao,Haige Shen,Baiyu Tang,and Donglin Zu,Performance Comparisson of Transforms for MR Image Compression,Satellite Symposium of the 20th Annual Inter.Conf.of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society,Beijing, Nov.2-4,1998,p171.

　　［17］　Wang Xiangyun,Bao Shanglian,Song Ruixia,Zhao Yunlin,Xie Jinglin,Liu Yuanfang.Neutron Capture Therapy(NCT) for Cancers.Progress in Chemistry(in Chinese), 1997,9:99-105.

　　［18］　方家训，等.安徽黄山.全国第一届医用加速器会议，1997.10.

　　［19］　Guo Jinxin.Wen Chunlin,Huangfei Zeng,Bao Shanglian,MC Calculation of γ-knife dose, Satellite Symposium of the 20th annual Inter.Conf.of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society,Beijing ,Nov.2-4,1998,p173.

　　［20］　张宏印.博士后出站报告［R］.北京大学，1998-09.