下一代医学成像技术展望

冯诗齐/编译

洛马琳达大学医学中心：计算机化的质子层析成像记录了质子束在横贯病人身体时的位置、方向和能量损失

●从磁标记糖、烟雾传感手术刀以及高能质子束，加之国际团队的协作攻关，下一波的医学成像技术将为人们呈现更为清晰的人体图像。

在21世纪的最初几年，医学影像学已有迅猛的进步。如今，医生可以在分子水平上观察病情、检查个体的心跳特征，和研究大脑工作的微小细节——所有这些工作在十年前是根本不可能的。“我们正在进入精密医学的时代，”美国国家生物医学成像和生物工程研究所（NIBIB）主任罗德里克·佩蒂格鲁(Roderic Pettigrew)说，“并尽力做到精准诊断、靶向治疗、提高护理和监控治疗的成效。”

大量的进步来源于对现有技术的改进，比如，计算机断层扫描(CT)、超声以及磁共振成像 (MRI)。“沿着纤维途径(fibre pathway)，现在的MRI可以追踪大脑中水分子的扩散，并可计算其运动轨迹。”佩蒂格鲁说。

最新的成像方法来自于一些实验室的成果，这些设备能检测或监测癌症，包括定位单个细胞以投送药物，或为心脏疾病手术提供前所未有的精度。其中一些技术尚未达到临床阶段，但有些已开始进入临床试验。与传统的系统相比，它们进度更快、更精确和更安全。

“一匙糖”疗法

进展之一涉及肿瘤的识别方法。肿瘤是葡萄糖的贪婪消费者，患者通常要进行葡萄糖类似物的放射性标记（标记聚集到肿瘤上），由正电子发射断层扫描(PET)进行检测。但放射性检测不适宜对儿童、妊娠妇女，或对剂量有限制的其他患者。为绕开这一障碍，由西蒙·W·塞缪尔(Simon W.Samuel)领衔的伦敦大学学院团队，开发出一种非损伤性的无线电波脉冲方法来标记葡萄糖——患者只需一杯含糖饮料，而不是放射性同位素——然后用MRI进行检测，这种方法更为安全。同时，这一方法还能区分肿瘤的不同类型，可以有效地制定治疗方案和评估其效果。

这种被称为glucoCEST技术——即葡萄糖化学交换饱和转移——主要测量葡萄糖分子中的羟基组和生物组织中的水分子之间质子的交换。无线电波脉冲改变羟基组中质子的磁特征，屏蔽由MRI检测到的来自水分子的信号。“影响是很小的，但如果我们重复许多次，还是可以检测到。”团队成员沙维尔·格雷(Xavier Golay)说。

对移植到小鼠体内的两种人类结直肠肿瘤，研究人员通过glucoCEST，对肿瘤注射葡萄糖前后一小时所拍摄的MRI图像进行研究后，清楚地显现出不同类型的肿瘤——不同的肿瘤对葡萄糖的吸收始终是不同的。目前，研究人员拟将glucoCEST用于人类临床试验，开始招募颈部接受过十多次扫描的肿瘤患者，与将葡萄糖注入小鼠肿瘤不同，患者则采用饮用的形式。格雷认为，未来glucoCEST可能不只局限于颈部肿瘤。“可以想象，它可以评估任何与高糖消耗相关的器官，心脏或大脑，”

约翰·霍普金斯大学的放射学家彼得·范·兹尔(Peter van Zijl)对这项技术表示谨慎的乐观。“我们觉得它是可行的，但需要一些更多的 MRI显影，因为对人类使用的磁场要比动物低得多。”目前，他的团队也在进行人类glucoCEST研究。

包括2001年由德国汉堡菲利浦研究所开发的磁性粒子成像(MPI)技术，其快捷、灵敏且安全等优点，尤其在同步成像操作上，很可能替代目前用于评估心脏疾病的血管造影术。这一技术采用磁性示踪剂，而不是通常用于血管造影术中的化学造影剂——因为某些患有慢性肾脏疾病的患者，不能安全排泄掉血管造影示踪剂：碘或钆。

相反，磁性粒子成像依靠注入血液中的氧化铁纳米颗粒。由于纳米颗粒是超顺磁的，意味着它们的平均磁性为零，但可通过外部磁场磁化——即使是由扫描设备产生的弱磁场——这一进程导致粒子发出微小的可被检测到的电磁信号。当纳米粒子传遍血流时，其浓度变化可令其成为对心脏供血、心脏中的血的流速，以及对冠状动脉手术具有重要意义的关键监测数据。

迄今，虽然研究人员开发了只适合于小型动物的原型扫描机，但伯克利加利福尼亚大学从事磁共振成像的史蒂芬·康诺利(Steven Conolly)认为，这项技术有可能令生物医学成像产生根本性变革；包括克利夫兰凯斯西储大学的纳米材料学家安娜·萨米亚 (Anna Samia)也认为，就对比度和灵敏度而言，MPI将超过MRI、超声波、PET和CT扫描等成像方法，最终可用于活体内追踪干细胞以及炎症的成像。

带烟的利器

为了准确地在手术切口边缘工作，英国-匈牙利合作开发了一种设备，可以探测或分析手术过程中产生的烟雾（热量），即显示穿过切口的烟是癌组织还是正常组织。“现代手术的理念是要切除所有的肿瘤组织，”伦敦帝国学院的詹姆斯·金罗斯(James Kinross)说，“但是，在手术期间仍然没有办法确保安全。”预估的数字表明，在乳腺肿瘤切除手术中，有超过五分之一的患者，可能未能清除所有的恶性细胞。

这款称为iKnife的“烟雾传感手术刀”，在通过电加热切除组织的同时，用质谱法分析手术中产生的烟雾，包括对组织代谢物的类型和浓度加以标记，并参照库中的读数匹配，完成所有这些步骤不超过3秒钟（相比之下，传统的组织学方法完成这些步骤需要20～30 分钟）。 不仅结果准确，还缩短了病人麻醉的时间。

在临床试验中，由伦敦帝国学院的佐尔坦·塔卡茲 (Zoltan Takats)和杰里米·尼克尔森(Jeremy Nicholson)领衔的团队，在手术中用该设备实时标记91片从病人身上切除、不符合参照库且未被外科医生发觉的肿瘤组织。在上述情况下，iKnife所标识的肿瘤类型——包括脑、肺、乳腺、胃和肝的肿瘤——与那些由传统方法确定的相匹配。

塔卡茲团队正在对三家医院涉及结肠、乳腺、肝、妇科和泌尿科手术的观测试验进行监督。“下一阶段将进行随机试验，一些医生将基于这些数据作出判断，”金罗斯说，“据此，我们将确定该设备在长期意义上对肿瘤学疗效的影响。”之前，有许多外科医生希望在开刀前获知肿瘤边界的影像，而不是手术时才用iKnife来感知肿瘤的边界。

伦敦大学学院（UCL）高级生物医学成像中心：由葡萄糖化学交换饱和转移技术(gluco-CEST)观察到的肿瘤：相比深色区域，浅色区域有更高的对葡萄糖的摄取

国际间协作

现有的使用X光的成像技术之一CT，但并非必须使用X光。目前正在开发的两种方法依赖于更为奇特的辐射：质子束和同步辐射。

质子CT，记录质子束在穿越患者身体的位置、方向和能量损耗，经过适当的处理，即由数据产生出人体三维图像，可以供医生诊断诸如癌症等疾病，以及规划下一步的医疗方案。美国北伊利诺伊大学(NIU)的乔治·库塔肯(George Coutrakon)说，采用质子束而非X光来提供人体密度更详细的图像，是因为质子可在人体内预测的深度释放其能量(X光则以连续的方式发射能量)，放射科医师可以精准地对患者实施治疗，以减少暴露于辐射下的健康组织。

2010年，北伊利诺伊大学、加州洛马琳达大学，以及圣克鲁斯加州大学合作完成了第一代质子束成像系统。目前，北伊利诺伊大学、费米国家加速器实验室和阿贡国家实验室，正在合作建立第二代质子束成像系统，即在几分钟内生成人头般大小物体的三维图像。

正当上述团队在围绕质子束开展研究时，一项国际性的协作，即一种基于同步加速器X光的CT成像系统正在开发：当带电粒子围绕环形路径被加速，会具有比常规产生的X光高得多的光能量。包括慕尼黑路德维格-马克西米利安大学和洛杉矶加利福尼亚大学，对位于法国格勒诺布尔的欧洲同步辐射装置光束产生的图像应用申请了一种新奇的算法：他们通过比典型的二维成像更少的辐射曝光，得到了人体乳腺三维CT图像。由于乳房对辐射高度敏感，而避免过度暴露是一个很重要的步骤。尽管该算法仍处于初级研究阶段，但该团队报告称，它能“成为诊断乳腺癌的强有力的工具，使临床医生能更有效地应对这一疾病。”

医学影像学的进步并不总是在如此大的范围发生，佩蒂格鲁援引一个NIBIB 9年前研制的具有独创性的低成本成像仪Vscan举例 （一个以电池供电、手持式的超声设备，于2009年公布）。“一些著名的心脏病学家认为，Vscan有可能会成为未来的听诊器，”佩蒂格鲁说，“不仅仅是因为它更小且十分轻便，它的成本还比常规超声设备低20倍。”根据同样的独创性，赖斯大学的丽贝卡·R·科图姆(Rebecca R.Kortum)正在与他人合作开发微型显微镜，旨在实现其小到足以放入实时诊断活组织的检查针孔内。

如此多的研发工作在进行，目标是开发更快捷、更清晰、更安全的成像技术——或许，由这些新技术开发的产品很快会在你家附近诊所出现。佩蒂格鲁说：“我们推崇那些以变革性方法做出新的发现，并获取有关生命的本质、或生理学以及疾病的知识的科学家。”在谈及NIBIB以及生物医学成像领域的方方面面，他如数家珍，目标是“我们着力要开发诊断和治疗疾病的新方法。”