PET_MRI显像技术与其他分子影像技术的比较_赵倩_图文

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.子医学及影像医学的飞速发展,将二者结合的分子影像技术促进了医学科学的发展。单模态及多模态分子影像技术主要包括了PET/MRI、光学成像、PET/CT、SPECT/CT、SPECT/MRI 及超声分子成像。本文比较了以上各种分子影像技术在临床前及临床医学中的应用。结果:双模态PET/MRI优势主要集中在肿瘤学、心脏病学、神经科学中

2、的研究,为研究者及临床医生提供更多的分子信息。结论:多模态分子医学影像设备的发展势必推动整个医学科学的发展,PET/MRI将解开更多的未解之谜。关键词 正电子发射断层显像;磁共振成像;分子影像;多模态*基金项目:国家自然科学基金(30870729“靶向肿瘤血管多肽显像与治疗实验研究”;国家自然科学基金(81071183“核素靶向示踪肿瘤新生血管作用位点研究”;国家重大科学仪器设备开发专项(2011YQ0301140“基于多模态分子影像技术的新型肿瘤新生血管靶向显像剂及治疗药物的在体评价系统研究”北京大学第一医院核医学科 北京 100034宁夏医科大学总院核医学科 宁夏 银川 750004*通讯

3、作者:rongfu_wang2003“分子影像学(Molecular Imaging”最早是由哈佛大学Weissleder等1于1999年提出的。分子影像学区别于经典影像学(X射线、CT、MR、UB等的特征在于能够反映活体内分子水平的生物学改变,并且能够通过分析而获取定量参数。分子影像学是分子生物学技术和现代医学影像学结合的产物,最常用的是核医学示踪成像技术,尤其是PET 2。目前常用的单一分子影像技术的比较信息见表1。功能显像主要依赖于诸如PET、SPECT或光学成像(OI的新显像方法,它通过示踪被放射性或荧光物质标记的生物分子,大幅提高了显像的灵敏度。由于单一影像技术的局限性,近年来多模态

4、显像技术逐渐成为研发的热点,同时也带动了多模态分子探针的开发,为研究体内物质特定的生物学行为提供了研究基础。迄今为止,最为成功的多模态设备为20世纪90年代末发明的PET/CT 3。PET/CT结合了PET与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.作者简介赵倩,女,(1982- ,博士

8、研究生,主治医师。北京大学第一医院核医学科,研究方向:肿瘤核医学。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

9、 KW,et al.Itera-tivereconstruction of dual-source coronary CT angiography: assessment of image quality and radiation doseJ.Int J Cardiovasc Imaging,2012,28(7:1775-1786.胡熙芳,刘文涛.数字化摄影(DR图像质量控制J.中国医学装备,2009,6(7:39.周小兵,王德杭.CT低剂量扫描的探讨J.中国医学装备,2011,8(7:36-37.白玫,彭明辰.X线CT成像质量评估中的调制传递函数的测试与分析J.医疗设备信息,2006,21

10、(5:11-13.Verdun FR,Denys A,Valley JF,et al.Detectionof low-contrast objects: experimental comparison of single and multi detector row CT with a phantomJ.Radiology,2002,223(2:426-431.Efstathopoulos EP,Costaridou L,Kocsis O,etal.A protocol-based evaluation of medical image digitizersJ.Br J Radiol,2001

11、,74(885:841-846.4 5 6 9 7 8 10 收稿日期:2012-07-10 学术论著者的优势,即整合了CT显像提供的优良的解剖学信息及PET提供的体内代谢及分子水平的变化信息,成功实现了1+1远>2的优势。其他的多模态设备(SPECT/ MRI、DOT/MRI、FT/CT、MRI/FT相继研发并应用于临床前医学、科学研究4-7。PET/MRI融合机型问世于20世纪90年代末期,与PET/CT相比,PET/ MRI提供了更好的软组织对比及组织特征改变(如使用钆剂、特异性细胞标志物等,并且研究对象受到的辐射剂量明显减少。除此之外,MRI还能提供一些功能显像信息,如灌注显像、

12、BOLD效应、弥散显像及波谱分析。过去的10余年中,分子影像设备飞速发展,除PET/MRI外,小动物PET/CT、光学成像等新型技术、设备相继出现,无论是单模态或多模态均为基础医学的发展提供了很好的平台。Cherry8综述了基于解剖形态、功能代谢信息的PET、SPECT、MRI、CT光学显像等设备的各类多模态显像的特点;Pichler等9综述了PET/MRI融合显像;Wang等10-11综述了PET/MRI的临床应用现状及进展;本文综述了PET/MRI与其他分子影像技术的异同及应用进展。1 PET/MRI在基础医学和临床医学中的应用PET/MRI的问世即被世人赋予重望,而它在各分支学科中的应用

13、很大程度上促进了医学科学的发展。鉴于MRI提供的清晰的解剖定位、优良的软组织对比及MR波谱等功能信息,PET/MRI的应用热点主要集中在肿瘤学、心脏病学及脑神经科学中。肿瘤瘤体形成前即有分子、细胞水平的功能改变,早期探查肿瘤生物学行为及其病理、生理学的改变有助于肿瘤的早期诊断,并关系着该类患者的生活质量、生存时间。已有学者报道了应用不同双功能分子探针PET/MRI显像,通过体内、体外试验及临床应用,可反映正常细胞凋亡机制受损、肿瘤血管新生、细胞代谢改变、细胞增殖及细胞乏氧等12-15。PET/MRI在心血管系统研究中的应用已经成为研究的热点之一。心脏PET的灵敏度高、可提供定量参数,能够反映活

14、体内微观的分子事件16;而心脏MRI 能够清晰显示心脏的解剖形态、心脏梗死灶范围、心脏血流灌注、心肌劳损等信息。连续采集的PET和MRI数据能够进行准确的位移校正(尤其是心脏显像时易受到呼吸运动的影响,同样还可进行胸部、腹部病变的准确探测。目前,已用于心血管易损斑块检测、急性心梗后炎症反应、心脏功能方面的研究17-20。PET/MRI自发明以来就被应用于脑神经科学的研究21,其优势体现在MRI提供的良好分辨率和组织对比度;并可结合MR波谱分析,有助于探测代谢功能改变。PET/MRI显像已成功应用于颅内肿瘤显像13、胶质瘤的分期研究、痴呆的早期研究、轻度认知障碍、退行性改变、脑功能核团研究等22

15、-25。此外,PET/MRI还被用于治疗药物纳米载体的动力参数及肿瘤靶向性效果、甲状腺癌手术治疗前及131I 放疗的术前评估等26-27。2 光学成像技术光学成像技术是指利用光发射的原理探测荧光或生物荧光染料28。荧光显像是采用荧光报告基团(绿色荧光蛋白GFP、红色荧光蛋白RFP等进行标记,通过外部激发光激发生物体内荧光基团到达高能量状态,而后发出另一波长较长的光,这种光波可被电荷耦合(charge coupled device,CCD相机记录下来。生物发光显像又称冷光成像,是用荧光素酶基因标记细胞或DNA,通过酶促反应激发而产生的光,通常需要荧光标签酶(firefly luciferase,

16、这种酶能够在氧气和三磷酸腺苷(ATP存在的情况下被氧化为D-荧光素(D-luciferin,在波长为575nm处可探测到黄绿荧光。当细胞与荧光标签酶在体内标记后,即可使用低电子噪声的制冷型CCD相机记录到这些光子29-30。两者相比而言,活体内荧光显像的信号虽强于生物发光显像,但后者的信噪比却远远高于前者(生物发显像方法基础原理分辨率采集时间优势不足之处正电子断层显像PET高能射线12mm数分钟高灵敏度、可定量分析需要加速器生产短半衰期核素;有放射辐照单光子断层显像SPECT低能射线12mm数分钟高灵敏度有放射辐照;敏感性较PET低;分辨率较低核磁共振显像MRI无线电波25100m数分钟至数小

17、时最高的空间分辨率功能成像灵敏度低;图像采集、重建处理时间长计算机断层显像CT X射线+造影剂50m数分钟良好的分辨率较低的软组织对比度;有放射辐照光学成像OI-荧光成像可见光、近红外光110mm数秒钟至数分钟高灵敏度;无辐射显像过程简便快捷随组织深度增加,衰减较多,只能浅表成像;发射波长<600nm时易于受自发荧光干扰光学成像OI-生物发光成像可见光110mm数分钟高灵敏度;无辐射可评价细胞存活功能分辨率低;只能浅表成像;二维影像表1 不同分子影像技术的基本信息及其优劣势对比表中国医学装备2013年1月第10卷第1期 PET/MRI显像技术与其他分子影像技术的比较*-赵 倩 等学术论著

18、 Weissleder R.Molecular imaging:exploring thenext frontierJ.Radiology,1999,212(3:609-614.Rong-fu W.Application of PET/CT MolecularImaging to CancerJ.Journal of Chinese Oncology,2011,17(10:727-729.Margolis DJ,Hoffman JM,Herfkens RJ,etal.Molecular imaging techniques in body imagingJ.Radiology,2007,245

19、(2:333-356.Hamamura MJ,Ha S,Roeck WW,et al.InitialInvestigation of preclinical integrated SPECT and MR imagingJ.Technol Cancer Res Treat,2010,9(1:21-28.Thayer D,Unlu MB,Lin Y,et al.Dual-contrastdynamic MRI-DOT for small animal imagingJ. Technol Cancer Res Treat,2010,9(1:61-70.Barber WC,Lin Y,Nalciog

20、lu O,et al.Combinedfluorescence and X-Ray tomography for quantitative in vivo detection of fluorophoreJ.Technol Cancer Res Treat,2010,9(1:45-52.Davis SC,Samkoe KS,O'Hara JA,et al.MRI-coupled fluorescence tomography quantifies EGFR activity in brain tumorsJ.Acad Radiol,2010,17(3:271-276.Cherry SR

21、.Multimodality imaging: beyondPET/CT and SPECT/CTJ.Semin Nucl Med,2009,39(5:348-353.Pichler BJ,Judenhofer MS,Wehrl HF.PET/MRIhybrid imaging:devices and initial resultsJ.Eur Radiol,2008,18(6:1077-1086.WANG Qiang,WANG Rong-fu.Progress ofPET/MRI techniques.J.Chin J Med Imaging参考文献1 2 3 5 4 6 7 8 9 10 光

22、显像基本无背景噪音的干扰。两种显像光子散射较多,需要转染的细胞数量增多,因此二者均不能在癌症患者中广泛应用。荧光成像通过标记病毒、细菌等,可动态检测病毒、细菌在体内的复制过程。已有学者发明相应的荧光探针,用来检测生物体内肿瘤的微小转移灶。光学成像还可用于候选药物的高通量筛选、肿瘤乏氧及动脉瘤检测等31-33。目前,已有光学成像与其他影像设备融合的多模态成像的实验探索,如SPECT-OI、MRI-OI探针显像。虽然光学探针用于人体诊疗的安全性和有效性还有待于评价,但随着研究的深入,光学成像技术将不仅局限于基础科学研究,必将扩展到临床应用34-35。3 PET/CT20世纪90年代,PET/CT融

23、合机型的问世取得了非常成功的效果,使得单一PET系统的装机量急剧下滑。由于CT提供的较精确的解剖学信息,可弥补PET 空间分辨率的不足。PET/CT的应用范围与PET相同,最为广泛的用途仍是肿瘤学的诊断、鉴别诊断、预后评估及疗效评价等方面。PET/MRI与PET/CT 相比,前者由于MRI能够提供更好的软组织对比度、更低的放射线辐射剂量。此外,PET/MRI的优势还体现在进行fMRI、MR波谱分析等,获得更丰富的科研数据;PET/MRI辐射剂量较PET/CT小,但前者采集和后处理时间较长36-40。4 SPECT/CTSPECT/CT被广泛应用于各研究院所和医院,其优势在于多样化选择的放射性药

24、物,并且这些放射性药物不需要依赖于加速器生产,因此成本更低廉、获得更方便。此外,SPECT分子探针研制较其他分子影像设备更成熟,是用于临床最为普遍的分子影像设备。随着新型单光子核素的引入,将会拓展SPECT/CT的应用范畴,获得更好的图像质量。5 SPECT/MRISPECT/MRI也是双模态显像设备,尤其是在无创性定量分析和评价受体功能评价方面41。目前,已经有适用于小动物的SPECT/MR商业化设备生产42-43。随着设备性能的进一步探索及优化、分子影像需求进一步发展,将会推动应用于临床的SPECT/MRI机型的批量化生产。Madru等44报道了用99Tc m 标记SPIO纳米颗粒行SPE

25、CT/MRI前哨淋巴结显像。目前PET/MRI与SPECT/MRI已成为多模态分子影像设备研发领域的蓝本,已有CT/MRI、PET/OI设备的相关报道8。6 超声分子影像经典影像学之一的超声显像在分子生物学及其技术发展的推动下,推出具有靶向特殊组织的显像模式。超声在分子影像技术中的应用是基于微泡造影剂通过血管进入靶组织,再通过超声探头探测分布于靶组织的微泡,从而反映靶组织的细胞或亚细胞组织的微观改变。目前已应用于炎性细胞、血栓形成、肿瘤新生血管显像等方面45。除单模态超声显像外,将纳米微粒与SPIO结合,可实现超声-MRI联合显像,用于探测肿瘤及淋巴结。超声微泡造影成像有应用的局限性:靶向微泡

26、造影剂制备繁琐、受体识别能力差以及安全性差等,需要采用低频高机械指数的尖端超声显像模式。随着分子生物学及其技术的发展,超声分子影像学能够在临床前、临床研究中立有一席之地。7 结语分子影像学是交叉领域,为临床提供无创性、活体内从解剖学到功能诊断的信息。PET/MRI是一种有巨大潜力的整合型分子影像设备,鉴于MRI相关功能显像,其优势主要集中在肿瘤学、心脏病学、神经科学中的研究。通过PET/MRI提供的临床应用前期研究,能够解开更多的“未解之谜”。分子医学影像设备的发展势必推动整个医学科学的发展,PET/MRI将逐渐成为临床,尤其是临床前研究的中流砥柱。中国医学装备2013年1月第10卷第1期 P

27、ET/MRI显像技术与其他分子影像技术的比较*-赵 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 医疗设备动态管理系统是基于Browser/Server架构,运用Java服务器页面(java server pages,JSP技术开发的基于医院信息系统(hospital information system,HIS平台的医疗设备动态管理系统。系统各功能模块联系紧密

30、,并且使用流程引擎,实现业务流程自定义。因此,系统采用何种方法开发才能使系统架构清晰,并且兼顾开发效率和运行效率,就显得尤为重要1-2。1 JSP的设计模式设计模式是面向程序设计人员用来解决编程问题的一种形式化表示。目前,在大多数Browser/Server 结构的Web应用中,浏览器直接通过超文本标记语言(hypertext markup language,HTML或者JSP的形式与用户交互,响应用户的请求3。这种单独的JSP模块的开发虽然很直观,但随着业务逻辑及代码的增多会使程序的耦合性加大,JSP页面臃肿不堪,将使系统不易维护。为解决这种弊端,随之出现了下述2种设计模式。1.1 JSP+

31、JavaBean模式如图1所示,浏览器直接调用JSP页面,JSP页面能够调用JavaBean组件来进行数据的处理,实现数据表示和数据处理的分离。但这种模式中的JavaBean组件不仅需要提供修改和返回数据的方法,而且需要经常参与数据的处理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统拆分成模型-视图-控制器3个层次,使表示层与逻辑层分离。结果:使用MVC设计模式开发的医疗设备动态管理系统结构清晰,开发效率高,代码可重用性强,运行高效,实现了医疗设备的动态管理。结论:MVC设计模式使得医疗设备动态管理系统具有良好的可扩展性和灵活性,极大提高了系统的开发效率和软件重用性,是医疗设备动态管理系统的首选系统设计模式。关键词 医疗设备;动态管理系统;模型-视图-控制器;设计模式作者简介严潭,男,(1974- ,本科学历,高级工程师。解放军第175医院器材科,从事医疗设备管理工作。*基金项目:南京军区计划课题项目(10MB018资助“基于HIS平台下医疗设备动态管理的研究与应用”;南京军区重点课