新世纪医学影像学及其影像诊断设备的发展趋势

第3" 卷第4期增刊

仪器仪表学报

3###年" #月

新世纪医学影像学及其影像诊断设备的发展趋势

包尚联

北京大学重离子物理研究所和肿瘤物理诊疗技术研究中心!

摘要

北京

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本文介绍医学影像学发展的几个趋势’时间分辩率和空间分辩率进一步提高(各种分辩率水平上成像设备的集成) 结

构成像和功能动态成像的结合) 成像设备和治疗设备的集成*这些发展趋势使得医学影像设备向更高档和更综合方向发展*与此相关(为了满足社区医疗服务+专科医院以及大医院中专门科室的需要(专门化的和普及型的成像设备将会越来越普遍*关键词

多模态和多参数成像

高分辩率成像

影像设备的发展

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先要有波源(用于产生这些物质波(然后这些物质波要

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1引

言

定向地向人体发射(并需要探测器接受从人体内散射出来的物质波*正是因为从体内发射出来的物质波携带了人体内的各种信息(就有可能利用数学物理方法+信号处理的技术把这些信息转换成可以被计算机接受的信号并最后由计算机完成对图像的重建并显示出来供医生使用*

目前(医学临床上使用最多的成像工具是2射线

成像(伽玛射线成像(超声波成像和核磁共振成像*医学影像物理和技术的进步以及医学影像设备的发明和发展大大地推动了在无创或少创条件下对人类疾病的诊断和治疗(从而大大延长了人的寿命并为在无创条

医学影像学是科学工作者和工程技术人员紧密合作把目前所有可能的科学和技术进步集成在一起完成的对人体的可视化的科学(凡是可以完成这个功能的设备都属于医学影像设备*各种可以携带人体内部信息的媒介都可以用于医学成像(其中各种不同波长的光波的成像是目前医学成像的主要媒介*另外一些波(例如超声波这类的机械波也能成像*从一般意义上来说(任何在人体内相互作用之后携带了和人体相互作

万方数据

用信息离开人体的物质都可以用于成像*所以成像首

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新世纪医学影像学及其影像诊断设备的发展趋势

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件开展人体功能的研究创造了条件!

在临床上医生注意的是图像的对比度" 所以在一定时间和空间分辩率条件下的对比度是医学影像设备追求的主要技术指标" 也是医学影像技术发展中的永的时间间隔内和恒课题! 目前人们已经可以在#$%&

亚毫米的水平上无创伤地观测人体内的解剖和功能变化! 但是还不是单一的成像工具可以在这个水平上连续地’长时间地观测这些变化! 例如" 磁共振成像在牺牲空间分辩率的情况下可以在#的时(, $)*+%&间间隔内得到一祯像" 但是在得到这祯像之后" 还要等脑科学研究的进步" 使得人类可以对活着的人脑进行研究! 而人脑功能的研究成果" 对理解人的智慧的形成’解决人的精神性疾病的诊断和治疗以及发明和发展智能计算机等重大领域发挥重要作用! 从无创伤的当前的各种成像工具" 比较成功的脑功能成像研究看"

是功能磁共振成像5谱仪(和正电子发射断层5, 6)*+7成像(, ! 这些成像工具已经可以在几毫米的空间893分辩率下对大脑工作时的血流变化’血氧水平’葡萄糖的有氧和无氧代谢’磷酸化过程等大脑内发生的各种功能性或者代谢性的变化实现成像" 加上对这些功能-秒钟之后才能再采集另一祯图像! 而普通. 射线机

可以看出只有$/#%%的骨裂" 但是对其它组织就没有那么好的空间分辩率" 而且只能在平面水平上没有人体组织的功能信息情况下实现对人骨的可视化!

0多模态和多参数成像

可以列举很多用于成像的工具" 其中每一种成像设备都有基于特定物质波和人体相互作用的规律" 由于这些规律不同" 基于这些规律研制的成像技术和设备观测人体时得到的人体的信息也就不完全相同! 用特定波长的某种物质波完成的一种成像设备称为一种成像模态! 例如. 123成像" 核磁共振成像()*+, 等! .

1射线成像的对比度表示某种特定能谱的. 1射线对人体内不同密度物质的吸收系数" 超声波则主要体现超声波在不同密度物质上的散射!

有些成像模式" 可以用不同的参数得到不同的对比度"

即使只有单一参数成像的设备也可以把该参数随时间的变化快速地构成时间序列像" 即完成动态成像! 例如. 123虽然只是人体组织的密度成像工具" 但是快速的单参数. 成像可以实现如心脏这样不断运动的脏器的动态成像"

从而根据对心脏的先验知识实现对心脏某些功能是否正常的诊断! 有些成像工具本身可以有很多种参数同时或者分别成像" 磁共振成像()*+, 就是其中的典型代表! 同时或者交替地用多个参数对同一物体或者组织成像就是多参数成像! )*+的3#加权成像’3-加权成像和质子密度成像等" 加上扩散成像’灌注成像等可以同时或者先后完成对同一物体的结构和功能成像!

4脑功能成像对成像科学的挑战

理解人脑的工作机制万方数据

" 是-#世纪具有挑战性的研究课题! 无创伤脑功能成像技术的发展" 极大地推动了

的空间定位的结构成像" 已经对大脑的很多基本功能" 甚至高级认知工作机制的研究取得了很大的进展! 但是作为成像工具" 当前的发展还不能满足脑功能成像的需要" 主要问题仍然是空间和时间分辩率不够!

例如" 已经有证据证明大脑神经元在解剖学上和功能上都是分组的" 解剖学上已经发现了称作为功能柱的结构存在" 例如视觉支配的功能柱和腮须的功能柱等" 这些功能柱在解剖学上的尺寸大约#%%左右"

这些结构是相对稳定的! 在功能上" 神经元的组合用神经元簇来描述! 大脑是根据任务的需要把不同的神经元簇组织起来协调一致形成大脑的某种高级功能的" 额页皮层的脑高级功能很可能是以这种方式工作的! 这种组织协调的速度和综合的能力显然有个体差异" 这是否构成智力高低的原因" 尚需要研究! 为了搞清功能柱和神经元簇的工作机制"

需要同一成像工具具有亚毫米的空间解剖分辩能力和毫秒水平上的连续观测能力! 目前所有的成像工具都达不到这个水平! 为此" 各国科学家都在寻找解决这个问题的途径" 其中建造高场的磁共振成像仪是这种努力的一部分! 例如美国俄亥沃大学的:特斯拉的全身系统和密尼苏达大学的

; 特斯拉系统已经运行"

更高场的系统也已经在许多实验室内酝酿之中!

但是高场系统有它特殊的问题" 科学家在享受高场)*+

系统带来好处的同时" 还必须解决技术上和日常维护运行方面带来的问题! 即使这样" 离开满足脑功能成像的需要还有很大的距离!

以最典型的疾病癌症为例" 一般的癌细胞的大小是微米量级" 可是目前最好的平面. 射线成像也只能

看$/#%%的组织" 实现观测到的肿瘤至少#%%以上" 在几=%到#%%之间存在很多目前影像学看不见的亚临床病灶" 由于没有可视化手段" 对这类病灶的治疗造成盲目性" 也是肿瘤治愈率不高的原因之一!

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无论在中国还是在国外! 医学影像学诊断中的假阳性和假阴性都存在! 在中国这个问题还比较严重" 从科学的观点看! 这主要是因为单参数的影像诊断并不实际上! 正常细胞和肿能唯一地确定是否是恶性肿瘤"

其中包括形态瘤细胞之间在很多方面都有很大差别!

学上的差别! 结构和密度方面的差别以及局部血流#代谢和血氧水平之间的差别等等" 目前的问题是没有把这些差别很好地利用起来! 形成多参数成像的诊断方法" 如果这样做! 必然可以大大提高肿瘤诊断的准确率" 目前! 把磁共振成像! 功能磁共振成像及谱成像结作来完成" 但是! 要在人体内实现这个过程还是非常遥远的事" 在受精卵阶段在体外操作! 然后植入体内的办法是目前可以对这个过程进行控制的唯一途径! 因为逐个操作才有可能" 但是! 把某种基因剔除! 最细胞少!

在人身终会造成什么影响仍然是一个不确定的问题! 上应用必然会遇到伦理道德和法律上的问题" 从这个意义上来看! 常规的医学影像设备在今后仍然是无创疾病诊断的主要工具"

) 各种医学影像设备的发展趋势

合起来是比较容易实现的" 可以在很多医院中开展这方面的工作" 其它疾病的诊断也有类似的情况"

目前基因诊断和基因疗法被$炒%得很热" 相对而言! 基因诊断可能比较容易实现! 因为只要把被试的基因序列和特异疾病的基因序列进行比较就可以了" 但是! 比较是一回事! 完全诊断又是另外一回事" 因为分清基因上排序的差别与确定某种特定的疾病之间的关系仍然是复杂的" 一个基因在很多生理功能中发挥作用! 一个宏观上表现出来的形态学和生理参数上的变化需要很多基因的共同显性表达! 所以唯一确定也是很困难的" 而基因疗法则比诊断复杂得多" 除非在受精卵形成时采取措施!

等到已经成人形之后再去改变基因是非常困难的! 难是难在要对每个细胞的基因作修改" 这里有很多因素引起基因突变" 所以基因突变可以向好的方向发展也可以向坏的方向发展" 实际上人体内的生物大分子在不停地运动之中! 必须找到改变动态平衡的办法! 使得基因的修改有利于疾病的治疗" 为了能够对这个过程进行控制!

需要搞清楚人体内基因替换时的动态过程" 人体内的各种分子和离子! 每时每刻都在和基因的片段之间相互作用! 如果这种作用发生在位点附近! 人体内的大量自由基和位点上的基因片段相互作用使得原有基因片段脱离双螺旋主干并被自由基替换!

会引起一系列的连锁反应! 最终的平衡点在那里! 很多规律搞不清楚! 加上&’(自身修复能力! 整个过程是一个高维的动力学问题! 目前的数学物理模型和计算机能力也无法把这些问题准确地模拟出来" 为了在活着的人体内看清这个过程! 可能需要在亚微米和飞秒的动态水平上的功能成像!

观测这个过程的光源必须比这个分辩率还要高! 比这种过程还要快" 因此! 可以用于进行观测这个过程的光源还没有研究出来"

在体外! 原子力显微镜可以在静态情况下观测如何把基因片段从主干上拉下来并把周围的离子或其它万方数据自由基接上去" 这些过程! 可以在可视化条件下通过操

无论从临床诊断减少误诊率! 或者科学研究确定脏器的功能!

多模态和多参数成像都是必要的" 所以在技术发展路线来看!

医学影像设备有两个发展方向" 第一个方向是向更为复杂和更为综合的方向发展" 主要解决一个设备同时可以进行各种模态的成像! 例如磁源成像*+,-. /012345678/93, -1. -:+49; 是脑磁图仪和磁共振成像的结合! ? @=是A >

结合等等! 把原来两个设备集成到一起! 减少了定位上和图像配准和融合时的困难" 在这个方向上! 把各种不同分辩率水平的成像设备的集成#结构和功能成像的集成和把影像和治疗结合起来的集成是发展的趋势" 把多种成像设备集成在一起的目的是实行多参数成像或者完成对治疗情况的现场监督" 如果用同一个设备本身就可以做到多参数成像当然是更为理想的选择" 在这方面! 磁共振成像有独特的优点" 因为同一装置既可以做结构解剖成像! 其空间分辩率可以和A >

同时它还可以测量特定空间域内体内生物分子的绝对浓度! 研究生化参数的分布" 这一类产品把研究和临床紧密地结合在一起! 是综合大医院和研究性大学的附属医院的必备设备"

医学影像设备发展的第二个方向是向专门化#小型化和普及方向发展" 在今后的若干年之后! 医学影像设备不再集中在放射科或者核医学科之内! 读片和诊断也不再是放射科或者核医学科大夫的专利! 每个科室和所有合格的医生都可以看他专业范围内的图像并从图像及其他信息的综合中给出病人的诊断结论" 所以!

几乎所有的科室都有自己的专门的成像工具! 这些成像工具不需要通用设备那么全! 操作也比较简化! 但是单项技术指标比通用设备还要高" 这就大大提高了设备的使用效率! 提高了对病人诊断的及时性和针对性"

*下转第B C 页;

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上接第=r B 页s

技术的进步必然会冲击医院管理结构@除了上面提到的医学影像科主要责任是负责综合性的高档成像设的各个专科医生都要会看片和进行综合诊断外@有些科室面临再次合并" 例如@

放射科和核医学科@这些科室具有类似的功能@只是不同成像模态之间的差别@为了使得成像模态之间具有互补性@

合成一个科室是必要的万方数据

@很多医院成立影像中心就是这个道理" 合并以后

备@同时负责对其他专科医生的培训和指导" 医学影像技术在放射治疗中的普及@

使得目前把放射科和放疗科分开的做法成为不合时宜" 而两者的结合对病人的治疗质量会大大提高" 这就是技术革命必然会带来上层建筑变化的例子@对生产力是一种促进"

新世纪医学影像学及其影像诊断设备的发展趋势

作者：

作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

包尚联， Bao Shanglian

北京大学重离子物理研究所和肿瘤物理诊疗技术研究中心,北京,100871仪器仪表学报

CHINESE JOURNAL OF SCIENTIFIC INSTRUMENT2000,21(Z1)2次

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2. 黄殿忠. 史梦远. 崔亮. 卫娜 医学影像学发展与技术设备[期刊论文]-医疗装备2007,20(2)

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1. 包尚联. 张怀嶺 医学影像物理和技术[期刊论文]-中国医学影像技术 2004(1)

2. 赵凯 数字医学图像处理及挖掘技术的研究及其在乳腺疾病诊断中的应用[学位论文]硕士 2006

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