下一代醫學成像技術展望

馮詩齊/編譯

洛馬琳達大學醫學中心：計算機化的質子層析成像記錄了質子束在橫貫病人身體時的位置、方向和能量損失

●從磁標記糖、煙霧傳感手術刀以及高能質子束，加之國際團隊的協作攻關，下一波的醫學成像技術將為人們呈現更為清晰的人體圖像。

在21世紀的最初幾年，醫學影像學已有迅猛的進步。如今，醫生可以在分子水平上觀察病情、檢查個體的心跳特征，和研究大腦工作的微小細節——所有這些工作在十年前是根本不可能的。“我們正在進入精密醫學的時代，”美國國家生物醫學成像和生物工程研究所（NIBIB）主任羅德里克·佩蒂格魯(Roderic Pettigrew)說，“并盡力做到精準診斷、靶向治療、提高護理和監控治療的成效。”

大量的進步來源于對現有技術的改進，比如，計算機斷層掃描(CT)、超聲以及磁共振成像 (MRI)。“沿著纖維途徑(fibre pathway)，現在的MRI可以追蹤大腦中水分子的擴散，并可計算其運動軌跡。”佩蒂格魯說。

最新的成像方法來自于一些實驗室的成果，這些設備能檢測或監測癌癥，包括定位單個細胞以投送藥物，或為心臟疾病手術提供前所未有的精度。其中一些技術尚未達到臨床階段，但有些已開始進入臨床試驗。與傳統的系統相比，它們進度更快、更精確和更安全。

“一匙糖”療法

進展之一涉及腫瘤的識別方法。腫瘤是葡萄糖的貪婪消費者，患者通常要進行葡萄糖類似物的放射性標記（標記聚集到腫瘤上），由正電子發射斷層掃描(PET)進行檢測。但放射性檢測不適宜對兒童、妊娠婦女，或對劑量有限制的其他患者。為繞開這一障礙，由西蒙·W·塞繆爾(Simon W.Samuel)領銜的倫敦大學學院團隊，開發出一種非損傷性的無線電波脈沖方法來標記葡萄糖——患者只需一杯含糖飲料，而不是放射性同位素——然后用MRI進行檢測，這種方法更為安全。同時，這一方法還能區分腫瘤的不同類型，可以有效地制定治療方案和評估其效果。

這種被稱為glucoCEST技術——即葡萄糖化學交換飽和轉移——主要測量葡萄糖分子中的羥基組和生物組織中的水分子之間質子的交換。無線電波脈沖改變羥基組中質子的磁特征，屏蔽由MRI檢測到的來自水分子的信號。“影響是很小的，但如果我們重復許多次，還是可以檢測到。”團隊成員沙維爾·格雷(Xavier Golay)說。

對移植到小鼠體內的兩種人類結直腸腫瘤，研究人員通過glucoCEST，對腫瘤注射葡萄糖前后一小時所拍攝的MRI圖像進行研究后，清楚地顯現出不同類型的腫瘤——不同的腫瘤對葡萄糖的吸收始終是不同的。目前，研究人員擬將glucoCEST用于人類臨床試驗，開始招募頸部接受過十多次掃描的腫瘤患者，與將葡萄糖注入小鼠腫瘤不同，患者則采用飲用的形式。格雷認為，未來glucoCEST可能不只局限于頸部腫瘤。“可以想象，它可以評估任何與高糖消耗相關的器官，心臟或大腦，”

約翰·霍普金斯大學的放射學家彼得·范·茲爾(Peter van Zijl)對這項技術表示謹慎的樂觀。“我們覺得它是可行的，但需要一些更多的 MRI顯影，因為對人類使用的磁場要比動物低得多。”目前，他的團隊也在進行人類glucoCEST研究。

包括2001年由德國漢堡菲利浦研究所開發的磁性粒子成像(MPI)技術，其快捷、靈敏且安全等優點，尤其在同步成像操作上，很可能替代目前用于評估心臟疾病的血管造影術。這一技術采用磁性示蹤劑，而不是通常用于血管造影術中的化學造影劑——因為某些患有慢性腎臟疾病的患者，不能安全排泄掉血管造影示蹤劑：碘或釓。

相反，磁性粒子成像依靠注入血液中的氧化鐵納米顆粒。由于納米顆粒是超順磁的，意味著它們的平均磁性為零，但可通過外部磁場磁化——即使是由掃描設備產生的弱磁場——這一進程導致粒子發出微小的可被檢測到的電磁信號。當納米粒子傳遍血流時，其濃度變化可令其成為對心臟供血、心臟中的血的流速，以及對冠狀動脈手術具有重要意義的關鍵監測數據。

迄今，雖然研究人員開發了只適合于小型動物的原型掃描機，但伯克利加利福尼亞大學從事磁共振成像的史蒂芬·康諾利(Steven Conolly)認為，這項技術有可能令生物醫學成像產生根本性變革；包括克利夫蘭凱斯西儲大學的納米材料學家安娜·薩米亞 (Anna Samia)也認為，就對比度和靈敏度而言，MPI將超過MRI、超聲波、PET和CT掃描等成像方法，最終可用于活體內追蹤干細胞以及炎癥的成像。

帶煙的利器

為了準確地在手術切口邊緣工作，英國-匈牙利合作開發了一種設備，可以探測或分析手術過程中產生的煙霧（熱量），即顯示穿過切口的煙是癌組織還是正常組織。“現代手術的理念是要切除所有的腫瘤組織，”倫敦帝國學院的詹姆斯·金羅斯(James Kinross)說，“但是，在手術期間仍然沒有辦法確保安全。”預估的數字表明，在乳腺腫瘤切除手術中，有超過五分之一的患者，可能未能清除所有的惡性細胞。

這款稱為iKnife的“煙霧傳感手術刀”，在通過電加熱切除組織的同時，用質譜法分析手術中產生的煙霧，包括對組織代謝物的類型和濃度加以標記，并參照庫中的讀數匹配，完成所有這些步驟不超過3秒鐘（相比之下，傳統的組織學方法完成這些步驟需要20～30 分鐘）。 不僅結果準確，還縮短了病人麻醉的時間。

在臨床試驗中，由倫敦帝國學院的佐爾坦·塔卡茲 (Zoltan Takats)和杰里米·尼克爾森(Jeremy Nicholson)領銜的團隊，在手術中用該設備實時標記91片從病人身上切除、不符合參照庫且未被外科醫生發覺的腫瘤組織。在上述情況下，iKnife所標識的腫瘤類型——包括腦、肺、乳腺、胃和肝的腫瘤——與那些由傳統方法確定的相匹配。

塔卡茲團隊正在對三家醫院涉及結腸、乳腺、肝、婦科和泌尿科手術的觀測試驗進行監督。“下一階段將進行隨機試驗，一些醫生將基于這些數據作出判斷，”金羅斯說，“據此，我們將確定該設備在長期意義上對腫瘤學療效的影響。”之前，有許多外科醫生希望在開刀前獲知腫瘤邊界的影像，而不是手術時才用iKnife來感知腫瘤的邊界。

倫敦大學學院（UCL）高級生物醫學成像中心：由葡萄糖化學交換飽和轉移技術(gluco-CEST)觀察到的腫瘤：相比深色區域，淺色區域有更高的對葡萄糖的攝取

國際間協作

現有的使用X光的成像技術之一CT，但并非必須使用X光。目前正在開發的兩種方法依賴于更為奇特的輻射：質子束和同步輻射。

質子CT，記錄質子束在穿越患者身體的位置、方向和能量損耗，經過適當的處理，即由數據產生出人體三維圖像，可以供醫生診斷諸如癌癥等疾病，以及規劃下一步的醫療方案。美國北伊利諾伊大學(NIU)的喬治·庫塔肯(George Coutrakon)說，采用質子束而非X光來提供人體密度更詳細的圖像，是因為質子可在人體內預測的深度釋放其能量(X光則以連續的方式發射能量)，放射科醫師可以精準地對患者實施治療，以減少暴露于輻射下的健康組織。

2010年，北伊利諾伊大學、加州洛馬琳達大學，以及圣克魯斯加州大學合作完成了第一代質子束成像系統。目前，北伊利諾伊大學、費米國家加速器實驗室和阿貢國家實驗室，正在合作建立第二代質子束成像系統，即在幾分鐘內生成人頭般大小物體的三維圖像。

正當上述團隊在圍繞質子束開展研究時，一項國際性的協作，即一種基于同步加速器X光的CT成像系統正在開發：當帶電粒子圍繞環形路徑被加速，會具有比常規產生的X光高得多的光能量。包括慕尼黑路德維格-馬克西米利安大學和洛杉磯加利福尼亞大學，對位于法國格勒諾布爾的歐洲同步輻射裝置光束產生的圖像應用申請了一種新奇的算法：他們通過比典型的二維成像更少的輻射曝光，得到了人體乳腺三維CT圖像。由于乳房對輻射高度敏感，而避免過度暴露是一個很重要的步驟。盡管該算法仍處于初級研究階段，但該團隊報告稱，它能“成為診斷乳腺癌的強有力的工具，使臨床醫生能更有效地應對這一疾病。”

醫學影像學的進步并不總是在如此大的范圍發生，佩蒂格魯援引一個NIBIB 9年前研制的具有獨創性的低成本成像儀Vscan舉例 （一個以電池供電、手持式的超聲設備，于2009年公布）。“一些著名的心臟病學家認為，Vscan有可能會成為未來的聽診器，”佩蒂格魯說，“不僅僅是因為它更小且十分輕便，它的成本還比常規超聲設備低20倍。”根據同樣的獨創性，賴斯大學的麗貝卡·R·科圖姆(Rebecca R.Kortum)正在與他人合作開發微型顯微鏡，旨在實現其小到足以放入實時診斷活組織的檢查針孔內。

如此多的研發工作在進行，目標是開發更快捷、更清晰、更安全的成像技術——或許，由這些新技術開發的產品很快會在你家附近診所出現。佩蒂格魯說：“我們推崇那些以變革性方法做出新的發現，并獲取有關生命的本質、或生理學以及疾病的知識的科學家。”在談及NIBIB以及生物醫學成像領域的方方面面，他如數家珍，目標是“我們著力要開發診斷和治療疾病的新方法。”