全球首款“一体式软硬质输尿管肾镜导管”引关注.doc

全球首款“一体式软硬质输尿管肾镜导管”引关注由我国科研人员自主研发的全球首款“一体式软硬质输尿管肾镜导管”日前亮相黑龙江，在“2013年全国泌尿外科尿路结石学术会议”上引来众多关注。这款国产新型肾镜价格远低于国外进口产品，可替代进口，有望大幅降低泌尿系结石患者手术费用。 在会议当天的手术直播环节上，由北京大学人民医院教授李建兴使用该设备为一位患有多发性患者实施了碎石手术治疗，堪称业内最难的肾下盏结石不到一小时就被消除，“一体式软硬质输尿管肾镜导管”设备的灵活性赢得在场专家的阵阵掌声。 据了解，泌尿系结石是泌尿外科的常见疾病，发病率较高且好发于青壮年，其中男性高于女性。长久以来，在肾结石的治疗领域需要用不同的器械反复穿泌 尿系腔道，手术风险较大。而目前国际上普遍使用的软性和硬性输尿镜管同样存在诸多弊端。软镜价格高昂，增加病人的手术成本；硬镜不能弯曲，易增加出血和感 染的危险。 这款“一体式软硬质输尿管肾镜导管”，由武汉佑康科技有限公司历时三年研制而成。“一体式软硬质输尿管肾镜导管采用软镜和硬镜相结合的办法， 导管从人体腔道进入，具有很大的灵活性和准确性，大大减轻患者痛苦，并降低手术成本，这项技术的成功可以说让中国在这一领域处于领先地位。”领衔研发这项 设备的武汉佑康科技有限公司总经理龙刚介绍说。 据使用过的医生介绍，这种新型肾镜从人体腔道进入，不在人体表面开刀或打孔，几乎不导致出血，术后没有任何切口疤痕，属微创甚至无创，减轻了患者痛苦，同时也节省大量的手术费用。 目前， “一体式软硬质输尿管肾镜导管”专利技术已经获得国际PCT专利3项、美国专利2项和4项中国发明专利。目前，这项专利已经在北京、上海等地的多家三甲医 院投入使用，均在手术中取得了良好的预期效果。龙刚表示，这项专利计划将在全国范围内铺开，在未来还将应用到妇科以及计划生育等领域的手术科目中。一体式 延伸阅读： 一体式PET/MRI技术分析与回顾 （下） 一体式PET/MRI技术分析与回顾（上）一体式PET/MRI技术分析与回顾（上）编辑：科讯医疗 来源：科讯网2011年08月02日相关热词搜索：一体式PET/MRI技术摘要：一体式PET/MRI较其他多模态成像如PET/CT等具有明显的优点： 同步采集、无放射线危害、高软组织对比度，可实现多种功能成像等。但一体式PET/MRI技术仍具有许多难点，如磁兼容性，PET和MRI的互相干扰，磁 共振孔径有限等。一体式PET/MRI采用的技术包括基于光纤式、基于APD传感器式等，其中APD传感器对设计全身临床型一体式PET/MRI更有前 途。目前一体式动物PET/MRI已应用较多，但临床型一体式PET/MRI尚处于初期发展阶段。动物实验及初步的临床应用揭示PET/MRI对临床医学 成像具有重要意义。关键词：多模态成像 雪崩光电二极管 功能成像 临床应用中图分类号: R445.2 文献标识码: A文章编号: 1024-6924 (2011) 08-0070-03一 引言从20世纪80年代初，PET的出现使核医学显像诊断进入了新的时代，也使影像诊断真正地步入到分子水平1。过去的20多年，在临床诊断尤 其是对肿瘤的诊断、分期及疗效检测上，PET发挥了重要作用，大量的临床应用研究充分证实了PET的诊断价值。然而，在临床应用中也发现了单纯使用PET 诊断疾病仍存在某些不足，因为PET只能提供疾病的代谢和功能改变信息，而在结构变化和病灶定位上尚有缺陷。2001年，PET/CT应运而生，它利用 CT弥补了PET在解剖结构显像上的不足，极大地提高了病灶的检出率和诊断的准确性2。PET/CT大大促进了核医学的发展。然而，CT与PET的结合也暴露了许多局限性。这些局限性几乎都归咎于CT：如CT不能与PET同时采集图 像，CT软组织成像分辨率较差，CT尚无法实现功能成像，CT会导致高剂量的X射线辐射等。正是由于PET/CT的这些局限性，引发人们开始了PET /MRI的研究。PET/MRI能实现完整的结构、功能与分子一体化影像，同时排除了CT辐射和改善软组织图像质量。PET/CT是把PET与CT两种成像设备背靠背结合在一起，而PET/MRI则致力于将PET置入到MRI系统中，使彼此的观测野相匹配。尽管 PET/MRI可以采用类似PET/CT的方法，这比起将PET置入到MRI机架中更加容易，但由于PET和MRI扫描时间都较长，促使研究者努力将两种 成像系统合并到一起，以实现同时的数据采集，减少扫描时间。将PET和MRI相结合的研究开始于20世纪90年代早期。Shao，Cherry等首次尝试将PET和MRI结合在一起，他们利用快速闪烁晶体耦合 到长光纤技术，并将其植入到一个1.5T临床型MRI中3，4。大约同一时间，Pichler，Ziegler和Lorenz开始了首次使用基于一种 新颖的雪崩光电二极管（AvalanchePhoto-Diode，APD）PET探测器，在9.4T的动物MRI系统中进行了性能测试5，6。这些 早期的PET/MRI技术和概念集中于小动物影像，用于一些基础生理研究。2006年11月底，美国田纳西州Krroxvivle医学中心用 Siemens公司的一体式脑部PET/MRI进行了全球首例脑部PET/MRI同步采集的融合图像，结果令人鼓舞，从此揭开了一体式PET/MRI临床 应用的新篇章。二 一体式PET/MRI技术难点分析将PET和MRI结合成具有临床实用性的一体化影像设备具有相当大的挑战性。因为MRI系统的多余空间十分有限，大孔径MRI将显著增加成本， 且在大孔径MRI系统中保持高磁场均匀性是极其困难的事情。因此，将PET探测器集成到MRI系统中，就需要做得非常小巧和紧凑，并且使二者之间的干扰降 低到最低程度。1.PET系统对磁场的敏感性PET探测器是由非常小的快速闪烁晶体将随机的射线变成光信号。这些微弱的闪光信号随后被高灵敏度的光转换器 PMT（PhotoMultiplierTube，光电倍增管）转化为电信号。由于光电倍增管无法做到紧凑，而且其原理是用电场在真空管中加速电子，其对 微弱的磁场也很敏感。这些缺陷自然排除了常规基于PMT的PET探测器同MRI的结合。基于这个原因，第一种尝试PET、MRI合成的方法是采用光纤的方法将闪烁晶体产生的光导入到PMT中，而PMT置于磁场外的一段安全距离内。一个小 的闪烁晶体环被置于MRI的观测野中。每个单个晶体用一只光纤耦合到PMT7。但不久又发现这个方法也有缺点，主要还是因为所有的光纤占据了MRI内 孔的空间。另外，由于光纤太长，约5m左右，在耦合和传输过程中，有不少光损耗，减弱了PMT信号能量和时间分辨率，这是其临床应用的一个主要缺陷。但对 于动物PET/MRI成像而言，基于光纤的PET探测器仍然具有一定的可行性，这是由于临床MRI十分普及，且基于PMT的PET技术十分成熟可靠。因此 目前国际上至少有三个小组还在研究基于光纤和PMT技术的动物PET/MRI系统810。随着性能可靠、经济的半导体光探测器的出现，如APD、G-APD（Geiger-modeAPD）等，采用这种技术的PET探测器已研制成 功，APD已被证明可以在高达9T的磁场中稳定的工作并保持精细的性能。第一台基于APD技术的MRI兼容型小动物PET以及PET/MRI脑成像原型机 已研制出来1114。2.MRI系统对磁兼容性要求当MRI和PET合成的时候，保持全部MRI成像性能至关重要，尤其是当把PET探测器包括电子部件集成到MRI扫描孔径中时更是如此。因此，设计时选择合适的PET探测器材料非常重要，这样才能确保主磁场均匀度不受到置入的PET探测器的影响。磁场中的物质可以分成两类。如果物质在磁场中受到磁力或磁力矩作用，则称其为磁不兼容物质，这些物质会导致MRI图像恶化失真，即使它们放得离MRI 成像区比较远；相反，则称为磁兼容性物质。当然，即使磁兼容性物质，如果离成像区太近，也会造成可见的图像失真或恶化。如果物质和水的性质差不多，则即使 靠近成像区，也几乎不会对MRI图像造成失真15。因此甄别所有组成内置PET的物质磁兼容性非常重要。研究发现，NaI、CsI、BGO、LSO和人体的磁兼容性接近，因此这些物质都有可能适合于PET/MRI探测器件。GSO、LGSO表现出较高的偏离人体组织特性，因此会造成MRI图像的伪影16。为减少FOV外围散射射线的探测，标准的PET都有一个轴向引导的屏蔽层以减少散射，提高图像质量。由于这个屏蔽装置带有金属部件，因而不能用于一 体式PET/MRI系统里。有文献报道一种基于重金属复合物材料的闪烁晶体材料可以用于一体式PET/MRI的射线屏蔽17。3.置入PET探测器对MRI射频场的影响除了主磁场的均匀度外，保持射频场的均匀性也很重要，尤其在定量MRI研究中。不均匀的射频场，会使局部信号变异，导致图像质量下降甚至出现错误的结 果。射频线圈内安放的所有电导性材料都会影响射频场，尤其在高场强条件下更是如此18。因此，避免任何导体物质在成像区附近，或者确切的说，在产生激 励线圈和病人之间，这点很重要。如果置入PET中存在导体结构，将使射频线圈失调，会造成MRI图像的质量下降。因此在一个一体式PET/MRI系统中，把PET探测器置于射频线圈 和成像物体外侧将非常有利，在上述这种结构中，由于PET的置入导致的射频场不均匀性就不会很严重。还可以采用适当的线圈调谐和匹配，或者特殊设计的射频 线圈可以进一步避免这些问题19。4.涡电流对PET和MRI信号的影响MRI系统梯度信号会在PET探测器电路板、APD或放大电路中引起涡电流，这种电流在闭环情况下远远大于非闭环情况。因而，在设计用于 PET/MRI器件时应尽量避免金属性闭环的存在20。尤其当涡电流衰减得很慢的情况下，在MRI读取数据期间，这个电流就会继续存在，其产生的电磁 场就象另外一个MRI空间编码梯度磁场，从而导致图像畸变21。涡电流的存在不仅会影响MRI图像质量，还会影响磁共振波谱。在感兴趣区域内，涡电流 会产生依赖于时间的磁共振频率偏移，这会使获取的MRI频谱在傅立叶变换后畸变22。涡电流可以通过对PET电路板进行特殊的设计及电磁屏蔽措施加以避免。PET电路屏蔽层应该很薄而且有着纤细的导电层同非导体物质交错，从而避免电流环的产生。5.MRI的表面线圈对PET衰减校正的影响有时为了获得更好的MRI图像，在应用中，需要给病人带上一些射频表面线圈。显然，这些射频表面线圈的加入会对PET信号产生一定程度的衰减，如果不 进行衰减校正处理，则会对PET信号产生非常明显的影响，如导致PET图像边角变得很锐利等。然而，非常不幸的是，MRI射频表面线圈对PET造成的衰减 校正解决方法远未清晰。解决此问题，首先需要知道线圈相对于病人的位置信息，而这又无法从MR图像中读取；其次，还需要精确测出射频表面线圈的不同部件对 PET信号衰减的影响。GDelso等提出MR表面线圈光子湮灭衰减的数学模型，该模型验证了对表面线圈进行衰减校正的可行性。该模型的建立，首先需要测出表面线圈的在 PET下的透射和发射数据，然后利用高曝光CT测出表面线圈的几何形状，最后再通过PET/CT下对仿真线圈模型进行对比实验和复杂的数学算法，得出表面 线圈的衰减校正模型23。6.其他因素PET/MRI信号的温度漂移不仅能使PET数据采集出现问题，还会影响MRI系统，最终导致MRI信号变化。这种温度漂移可能由于PET电子器件的非最佳稳定温度导致的，也或者是PET器件或屏蔽层产生的涡电流引起的。一体式PET/MRI的另一个问题是PET电子器件发出的射频噪声。射频发射可以被MRI系统中的射频接收线圈接收。如果射频噪声成分与MRI中的射 频频率范围相同，就会导致MRI图像伪影。为了避免射频干扰在MRI图像引起的“钉”字伪影，对置入PET进行适当屏蔽至关重要。另外，PET置入物必须能够承受MRI快速成像序列时产生的机械振动。这是因为置入PET的空间位置变化不仅会影响图像融合精度，还会改变磁共振射频线圈的调谐。戚仕涛先生，南京军区南京总医院医学工程科。摘要：一体式PET/MRI较其他多模态成像如PET/CT等具有明显的优点：同步采集，无放射线危害，高软组织对 比度，可实现多种功能成像等。但一体式PET/MRI技术仍具有许多难点，如磁兼容性，PET和MRI的互相干扰，磁共振孔径有限等。一体式PET /MRI采用的技术包括基于光纤式、基于APD传感器式等，其中APD传感器对设计全身临床型一体式PET/MRI更有前途。目前一体式动物PET /MRI已应用较多，但临床型一体式PET/MRI尚处于初期发展阶段。动物实验及初步的临床应用揭示PET/MRI对临床医学成像具有重要意义。 关键词：多模态成像 雪崩光电二极管 功能成像 临床应用 中图分类号：R445.2 文献标识码：A 文章编号：1024-6924 （2011） 10-0092-03Technology Analysis And Review of Integrated PET/MRI （Part II） QI Shitao Abstract：Compared with other multi-modality imaging methods like PET/CT，the integrated PET/MRI has many obvious advantages：simultaneous acquisition，no radiation hazards，higher soft tissue contrast，various functional imaging. Integrated PET/MRI technology encountered many challenges，such as magnetic compatibility issues，mutual interference problems，and limited magnetic resonance aperture. Integrated PET/MRI technology been used included fiber-based type，APD sensor type，and others. The APD sensor seems more valuable for designing a clinical whole-body integrated PET/MRI. Currently integrated animal PET/MRI has been used more often，but the clinical type of integrated PET/MRI is still in the early stages of development. Animal tests and preliminary clinical applications of PET/MRI imaging revealed significant clinical application potential. Keywords：Multi-modality Imaging，APD，Functional Imaging，Clinical Application三 一体式PET/MRI研究回顾一体式PET/MRI 的研究历史虽仅有十余年，但却出现了多种不同的研究方案。图1 概括了一体式PET/MRI 发展历程。1. 基于光纤的一体式PET/MRI第一种一体式PET/MRI技术方案是采用光纤耦合的方法：将一个小的闪烁晶体环置于MRI 的观测野中，每个晶体用一只光纤耦合到置于磁场外安全距离内的PMT中（图2）。这个方法的主要缺点是所有的光纤占据了MRI 扫描内孔的空间，而且由于光纤太长（ 约5m左右） ，在耦合和传输过程中，有不少光损耗，减弱了PMT 信号能量和时间分辨率。但对于小动物PET/MRI 成像而言，由于不需要太大的扫描孔径，基于光纤的PET探测器仍然具有一定的可行性。2. 基于APD的一体式PET/MRI考虑到已知的电气和机械工程限制，以及已经证实APD可以在高磁场强度下仍能保持所有特性，研究人员开发出了可以集成到MRI 中的基于APD的PET 探测器。这就与最初的动物PET/MRI系统设计有所不同，最初只是将闪烁晶体置入磁体内，而相应的全部电子器件或屏蔽材料都在磁体外面。德国图宾根大学的研究组开发了基于APD的MRI兼容的置入式PET系统（图3） ，并将APD探测器和模拟电路都放置在MRI 的FOV内部24，25。这种系统设计对屏蔽、电路板和电子走线要求非常严格，这样才能保持PET和MRI的整个成像特性。该研究为下一代完全集成到 MRI 内部的PET探测器提供了一个很好的理念和验证。这种集成方案将可能允许使用一些重要的部件，如可以同时冷却MRI 梯度系统与PET探测器的冷却系统，并可以获得更大磁体孔径。日本滨松大学研究组开发了一台可置入MRI 的动物PET原型机。该PET 探测器由10 个完全屏蔽的探测器盒组成，每个探测器盒内装设计成33 的APD阵列，每个阵列由144 个1.6mm1.6mm4.5mm规格的闪光晶体和模拟前置放大器、缓冲器和连接器组成，用一根6m长屏蔽同轴电缆把探测器盒连接到置于高频模块盒外 的数字输出电路。置入PET的轴向FOV受到选择的晶体块尺寸的大小限制，为19mm； 径向FOV则受到MRI 的鼠形射频线圈的限制，与当前流行的商用动物PET相比，可用的FOV很小，并且不能进行全身信息采集。鼠形射频线圈环适合放置在PET内部，而PET置 于MRI梯度系统内部。MRI 和PET的FOV在空间上是一致的。两个成像系统分别受两个控制台的控制运行，但它们能够通过一个共同的时间标记或外部心电信号或呼吸触发得到时间上的同 步。这种原型系统使得几种新的PET/MRI成像方法得以评估。基于APD的一体式PET/MRI 持续性能测试表明，两个系统之间的相互作用已经很小。一些苛刻的测试表明，观测到的性能恶化水平不足以影响PET及MRI 成像。即使要求满足用于fMRI 或MRS成像的EPI成像协议，这种基于APD的一体式PET/MRI也是可行的。3. APD与短光纤结合的方案美国加利夫尼亚大学的一个研究小组致力于把APD技术和短光纤技术混合起来的方法研究。16个探测器舱，每一块都有8mm8mm的闪烁晶体排成一个 环。这些晶体和12cm长的光纤一起确保MRI 中没有金属部件。与第一台基于光纤的PET/MRI 系统相比，12cm的光纤长度几乎缩小了1050倍。这使得闪光损耗降到最小，还保证了PET信号全部特性。PET电子器件等仍存在于磁体内部、感兴趣 区外围，这样可以使两个成像系统相互干扰达到最小。这种方法实现的缺点是工程更加复杂，PET轴向FOV受到限制，光纤仍占据了磁体孔径内有价值的空间。 当然，使用这个系统进行活体动物成像扫描成功地同时，进行了PET和MRI 的数据采集。4. 其他新颖的设计方案到目前为止，上述各种一体式PET/MRI 的方法都试图使PET探测器能适合MRI环境运行。然而，也有两个研究组试图通过改变MRI的结构，使用更多或更少的常规PET探测器来构成一体式PET/MRI系统进行小动物成像。英国剑桥大学一个研究组使用一个分裂的磁体，这个磁体在其轴长中点被分开26，将PET探测器放置在MRI分裂磁体的两半之间。这种方法的基本想 法是在裂缝间保持一个不变磁场，并使用经过修改的分离的梯度线圈以覆盖磁体缝隙来完成MRI成像要求。PET探测器使用的技术与动物PET扫描器使用的技 术相似，都是采用LSO闪光晶体通过光纤送到位置传感光电倍增管27。与早期光纤PET 系统相比，这种组合的优点是光纤更短，只有1.2m，且光纤以发射方向穿过磁体裂缝，而不占据磁孔有价值的空间。然而，当前其最大缺点就是最大场强是只能 到1T，这就限制了其成像应用，特别是小动物成像。加拿大西安大略大学一个研究组则致力于设计一种环形磁场MRI ，这样可以把基于PMT的PET探测器置入MRI 系统中28。只有当磁场关闭，PET信号才会被读出。尽管这种想法非常独特，技术实现也非常具有挑战性，但其缺点是系统只能在低场强中运行，这就限制 了其成像应用的灵活性。而且当磁场恢复并获取数据时，PET数据读出有一个很大的死区时间。当然