断 层 影 像 解 剖 学 研 究 现 状 ( 一 ) 人 体 切 片 技 术 人 体 切 片 技 术 又 分 为 常 温 切 片 技 术 冷 冻 切 片 技 术 塑 化 切 片 技 术 和 火 棉 胶 切 片 技 术 人 体 断 层 解 剖 研 究 多 采 用 冷 冻 切 片 技 术, 早 期 多 以 木 工 电 动 带 锯 机 为 切 割 工 具, 切 片 较 厚, 层 厚 多 在 1cm 左 右, 每 切 一 片 有 0.8mm 左 右 的 锯 耗 1986 年 及 稍 后 几 年, 华 西 医 科 大 学 重 庆 医 科 大 学 西 安 医 科 大 学 和 上 海 医 科 大 学 等 陆 续 安 装 了 日 本 产 Katoman Seisakusho 人 体 切 片 专 用 电 动 带 锯 机, 切 片 精 度 和 安 全 性 能 有 所 提 高, 但 层 厚 和 锯 耗 未 有 改 观 2003 年, 山 东 大 学 研 制 并 安 装 了 人 体 数 控 锯 床, 建 立 了 低 温 切 片 室, 切 片 厚 度 可 至 1mm, 切 片 精 度 和 安 全 性 能 大 为 提 高 塑 化 切 片 技 术 于 上 世 纪 90 年 代 初 由 德 国 引 入 我 国, 第 三 军 医 大 学 率 先 使 用 该 技 术 以 钻 石 线 锯 制 备 了 人 体 局 部 区 域 的 薄 层 塑 化 切 片, 后 来 大 连 医 科 大 学 应 用 该 技 术 制 作 了 人 体 整 体 塑 化 切 片 常 温 切 片 技 术 和 火 棉 胶 切 片 技 术 多 用 于 制 备 人 体 局 部 标 本 和 器 官 标 本 的 切 片,1996 年 天 津 医 科 大 学 就 开 始 用 火 棉 胶 切 片 技 术 开 展 了 蝶 鞍 区 断 层 解 剖 学 研 究 我 国 学 者 利 用 冷 冻 切 片 技 术 塑 化 切 片 技 术 和 火 棉 胶 切 片 技 术 出 版 了 10 余 部 人 体 断 层 解 剖 学 图 谱 和 5 部 教 科 书, 发 表 了 大 量 研 究 论 文, 制 作 的 大 量 断 层 标 本 被 用 于 教 学 和 科 普 ( 二 ) 人 体 铣 削 技 术 人 体 铣 削 技 术 是 在 冷 冻 状 态 下 使 用 工 业 铣 床 或 电 刨 制 作 人 体 薄 层 断 面 的 技 术, 不 保 留 标 本, 只 存 下 连 续 断 面 图 像 1991 年, 美 国 Colorado 大 学 首 先 使 用 该 技 术 获 取 人 体 连 续 断 面 图 像, 铣 削 层 厚 达 到 0.33mm, 开 创 了 亚 毫 米 人 体 薄 层 断 层 解 剖 学 和 数 字 人 研 究 的 先 河 2002~2003 年 间, 南 方 医 科 大 学 第 三 军 医 大 学 和 山 东 大 学 分 别 安 装 了 数 控 铣 床, 建 立 了 冷 冻 铣 削 实 验 室, 开 始 了 中 国 人 体 断 面 数 字 图 像 的 采 集, 层 厚 多 在 0.1mm 或 0.2mm 目 前, 人 体 标 本 断 面 图 像 的 采 集 厚 度 和 精 度 已 远 远 超 过 CT 与 MRI 图 像 南 方 医 科 大 学 和 第 三 军 医 大 学 利 用 人 体 铣 切 技 术 获 得 了 9 例 人 体 连 续 断 面 数 据 集, 实 现 了 全 身 及 主 要 组 织 与 器 官 的 计 算 机 三 维 可 视 化 ( 三 ) 结 构 影 像 技 术
以 显 示 人 体 解 剖 结 构 为 主 的 影 像 学 技 术 主 要 有 超 声 成 像 CT 和 MRI 等 1. 超 声 成 像 技 术 B 超 和 C 超 断 层 成 像 是 实 时 超 声 成 像, 可 提 供 血 流 及 运 动 的 信 息 20 世 纪 80 年 代 初, 彩 色 多 普 勒 超 声 成 像 兴 起, 可 作 血 流 方 向 及 流 速 的 分 析 20 世 纪 90 年 代, 经 食 道 超 声 心 动 图 不 但 可 获 取 清 晰 的 心 断 层 图 像, 还 能 进 行 三 维 图 像 重 建 内 镜 超 声 和 微 型 化 导 管 超 声 可 送 入 消 化 道 胆 道 胰 管 和 泌 尿 生 殖 系 行 超 声 检 查, 血 管 腔 内 超 声 技 术 及 其 三 维 图 像 重 建 能 够 直 观 地 显 示 血 管 腔 及 硬 化 斑 的 立 体 形 态, 多 媒 体 超 声 技 术 更 使 图 像 色 彩 丰 富 清 晰 度 高 全 屏 幕 运 动 视 频 特 技 三 维 实 时 成 像 ( 四 维 成 像 ) 1996 年, 全 景 超 声 成 像 问 世, 其 图 像 完 好 似 CT MRI, 以 宽 景 方 式 实 现 了 高 清 晰 度 的 人 体 断 层 扫 描, 比 普 通 超 声 能 更 充 分 地 反 映 断 层 解 剖 信 息 2002 年, 我 国 引 进 了 实 时 三 维 超 声 心 动 图, 它 操 作 简 便, 扫 描 迅 速, 图 像 清 晰, 能 逼 真 地 显 示 心 脏 各 个 结 构 的 立 体 方 位 与 活 动 规 律, 是 超 声 成 像 技 术 的 新 突 破 近 几 年 来, 超 声 成 像 在 彩 色 血 流 测 量 技 术 数 字 化 波 束 形 成 技 术 谐 波 成 像 技 术 三 维 超 声 等 方 面 发 展 较 快, 旨 在 继 续 提 高 图 像 质 量, 以 获 得 更 多 的 细 微 组 织 结 构 和 生 理 病 理 信 息 2.CT 技 术 1969 年, 英 国 科 学 家 Hounsfield 发 明 了 CT 1978 年, 我 国 开 始 引 进 CT 检 查 技 术, 且 发 展 迅 速 1989 年, 螺 旋 CT 问 世, 标 志 着 CT 领 域 的 重 大 革 新 1998 年, 多 层 螺 旋 CT 技 术 开 始 应 用 于 临 床, 能 进 行 4 层 图 像 采 集 2001 年, 推 出 了 16 层 采 集 的 CT 机 2003 年, 出 现 了 64 层 多 层 螺 旋 CT 目 前, 在 我 国 临 床 上 使 用 的 CT 扫 描 机 多 为 多 层 螺 旋 CT, 甚 至 达 到 了 256 层 和 320 层, 已 进 入 了 多 层 螺 旋 CT 时 代 多 层 螺 旋 CT 的 优 势 有 :(1) 扫 描 快 速, 球 管 每 周 旋 转 时 间 已 经 达 到 0. 33 秒, 可 以 在 十 几 秒 内 完 成 从 胸 廓 上 口 到 耻 骨 联 合 整 个 躯 干 部 的 亚 mm 层 厚 的 扫 描 ;(2) 大 范 围 的 各 向 同 性 扫 描, 可 以 用 图 像 后 处 理 方 式 获 得 CT 直 接 扫 描 不 可 能 获 得 的 冠 状 矢 状 和 任 意 角 度 斜 状 断 层 图 像, 而 且 这 些 图 像 的 空 间 分 辨 力 和 密 度 分 辨 力 与 直 接 扫 描 的 图 像 完 全 一 致 ;(3) 三 维 重 建 图 像 质 量 高, 可 以 逼 真 地 三 维 显 示 骨 骼 血 管 和 脏 器 等 的 立 体 解 剖 关 系 2005 年, 双 源 CT 被 投 入 临 床, 它 使 用 2 套 X 线 管 2 套 探 测 器 和 2 套 采 集 系 统, 时 间 分 辨 率 比 单 源 CT 快 1 倍, 而 且 空 间 分 辨 率 为 亚 mm 扫 描 时 间 短 于 10 s, 开 辟 了 冠 状 动 脉 无 创 性 成 像 的 新 纪 元, 拓 宽 了 CT 在 心 血 管 疾 病 方 面 的 临 床 应 用 范 围 平 板 检 测 器 CT 的 概 念 已 提 出 了 多 年, 但 由 于 各 种 技 术 问 题, 此 种 设
备 离 市 场 化 仍 有 距 离 MicroCT 亦 称 小 动 物 CT, 具 有 μm 量 级 的 空 间 分 辨 率, 并 可 以 提 供 三 维 图 像 在 分 辨 率 为 100μm 时, 对 整 个 小 鼠 进 行 一 次 扫 描 大 约 需 15 min 小 动 物 CT 系 统 在 小 动 物 骨 和 肺 部 组 织 检 查 等 方 面 具 有 独 特 的 优 势, 特 异 对 比 剂 的 使 用 可 以 进 一 步 促 进 软 组 织 的 研 究, 如 心 血 管 病 发 生 肿 瘤 生 长 等 3.MRI 技 术 1978 年, 第 一 台 颅 脑 MRI 扫 描 机 用 于 人 体 检 查 1985 年, 我 国 引 进 了 第 1 台 MRI 扫 描 机 1989 年, 我 国 能 自 行 生 产 0.15T MRI 扫 描 机 目 前 低 场 永 磁 型 MRI 扫 描 机 在 县 级 医 院 应 用 很 广,1.0 T~1.5 T MRI 扫 描 机 基 本 上 普 及 到 了 地 市 级 医 院, 大 部 分 三 级 甲 等 医 院 购 置 了 3.0 T MRI 扫 描 机 MRI 可 清 晰 显 示 人 体 结 构 的 组 织 学 差 异 和 生 化 变 化, 其 另 一 特 点 是 不 改 变 体 位 可 直 接 获 取 横 矢 冠 斜 四 种 断 层 图 像 磁 共 振 成 像 的 扫 描 序 列 和 扫 描 条 件 异 常 复 杂, 其 常 用 的 形 态 学 成 像 技 术 有 :(1) 弥 散 张 量 成 像 (DTI), 是 近 年 来 发 展 起 来 的 一 项 磁 共 振 新 技 术, 也 是 目 前 在 活 体 上 进 行 水 分 子 扩 散 测 量 与 成 像 的 唯 一 方 法 DTI 可 以 在 活 体 无 创 地 显 示 脑 内 白 质 纤 维 束 椎 间 盘 纤 维 束 的 走 行, 反 映 纤 维 束 的 病 理 状 态 及 其 与 邻 近 病 变 的 解 剖 关 系 (2) 磁 共 振 血 管 造 影, 种 类 众 多, 无 创 伤 性, 可 显 示 大 血 管 及 各 主 要 器 官 血 管 的 第 三 四 级 分 支 (3) 水 成 像 (hydrography), 采 用 长 TE 技 术, 获 得 重 T 2 WI, 突 出 水 的 信 号, 合 用 脂 肪 抑 制 技 术, 使 含 水 器 官 清 晰 显 影 MR 胰 胆 管 造 影 是 水 成 像 中 常 用 且 效 果 较 好 的 一 种 技 术, 此 外 还 有 MR 尿 路 造 影 MR 脊 髓 造 影 MR 内 耳 成 像 和 MR 涎 腺 成 像 等 近 几 年, 国 内 引 进 了 数 台 4.7T 和 7.0T MicroMRI MicroMRI 亦 称 小 动 物 MRI, 具 有 微 米 级 的 高 分 辨 率, 达 到 显 微 镜 水 平, 能 同 时 获 得 生 理 分 子 和 解 剖 学 的 信 息 ( 四 ) 功 能 影 像 技 术 功 能 影 像 技 术 包 括 正 电 子 发 射 计 算 机 断 层 显 像 (PET) 单 光 子 发 射 计 算 机 断 层 显 像 (SPECT) 功 能 磁 共 振 成 像 (fmri) 光 学 相 干 断 层 成 像 (OCT) CT 弥 散 成 像 及 灌 注 成 像 和 实 时 超 声 成 像 等, 其 中 前 三 者 是 最 主 要 的 1.PET 为 利 用 发 射 正 电 子 的 放 射 性 核 素 进 行 器 官 断 层 显 像 的 仪 器, 出 现 于 上 世 纪 80 年 代 初 它 们 以 11 C 13 N 15 O 18 F 及 其 许 多 标 记 化 合 物 进 行 脑 和 心 肌 血 流 灌 注 氧 耗 量 葡 萄 糖 蛋 白 质 和 脂 肪 代 谢 显 像, 还 能 进 行 神 经 受 体 显 像 因 此,PET 是 在 分 子 水 平 上 显 示 活 体 器 官 代 谢 受 体 和 功 能 活 动 的 影 像 技 术, 被 誉 为 生 理 断 层 PET 主 要 用 于 神 经 系 统 心 理 紊 乱 心 脏 疾 患 和 肿 瘤 的 显 像, 目
前 较 成 熟 的 PET 临 床 检 查 集 中 于 肿 瘤 SPECT PET 图 像 空 间 分 辨 力 差, 常 须 与 CT MRI 等 解 剖 图 像 进 行 影 像 融 合, 当 前 常 用 的 是 PET/CT 一 体 机 2002 年, 我 国 开 始 引 进 PET/CT, 目 前 在 临 床 运 行 的 PET/CT 达 100 多 台 PET/CT 不 但 缩 短 了 图 像 采 集 时 间, 而 且 还 提 高 了 诊 断 精 确 性 PET/MRI 即 将 投 入 临 床 使 用, 由 于 兼 具 MRI 的 各 种 功 能, 故 检 查 效 果 更 优 2.SPECT 为 利 用 发 射 γ 射 线 ( 即 单 子 ) 的 放 射 性 核 素 进 行 器 官 断 层 显 像 的 设 备 80 年 代 后 期 99mm TC 标 记 的 脑 血 流 显 像 剂 和 心 肌 灌 注 显 像 剂 研 制 成 功, 并 被 广 泛 应 用 近 几 年 来, 111 In 或 123 I- 生 长 抑 制 素 受 体 显 像 剂 的 研 制 也 取 得 突 破, 它 们 不 仅 可 广 泛 应 用 于 心 脑 血 管 疾 病 的 诊 断 癫 痫 灶 的 术 前 定 位 和 肿 瘤 的 诊 断, 而 且 还 可 进 行 脑 功 能 和 受 体 研 究 SPECT 图 像 在 观 察 形 态 结 构 方 面 逊 色 于 XCT 和 MRI, 但 在 获 取 脏 器 的 代 谢 信 息 和 诊 断 功 能 性 病 变 方 面, 明 显 占 有 优 势 3.fMRI 依 成 像 原 理,fMRI 分 为 三 类 : 第 一 类, 灌 注 基 础 上 的 fmri, 以 示 踪 剂 在 脑 内 的 时 间 过 程 来 计 算 脑 血 流 其 示 踪 剂 有 两 种, 一 种 为 扩 散 示 踪 剂, 如 流 动 的 动 脉 水 分 子, 可 通 过 血 脑 屏 障, 常 用 的 方 法 为 动 脉 自 旋 标 记 (AST); 另 一 种 为 非 扩 散 示 踪 剂, 如 顺 磁 性 MR 造 影 剂 gadolinium-dtpa, 不 能 通 过 血 脑 屏 障 第 二 类, 血 流 基 础 上 的 fmri, 它 是 一 种 时 间 飞 逝 效 应 (TOF) 的 血 管 造 影 技 术, 可 探 查 大 血 管 里 的 血 流 变 化 第 三 类, 磁 敏 感 对 照 基 础 上 的 fmri, 主 要 为 血 氧 水 平 依 赖 性 (BOLD) 方 法,BOLD fmri 对 神 经 元 活 动 的 敏 感 性 是 前 两 类 fmri 的 2~3 倍, 故 它 是 最 常 用 的 fmri 技 术 BOLD fmri 的 特 点 与 SPECT 和 PET 等 功 能 影 像 技 术 相 比,fMRI 具 有 以 下 特 点 :(1) 非 侵 入 性, 无 放 射 性 同 位 素 参 与 ;(2) 可 任 意 重 复 检 查 ;( 3) 具 有 很 高 的 空 间 和 时 间 分 辨 力, 能 将 解 剖 和 功 能 图 像 融 为 一 体, 更 适 宜 于 研 究 非 人 类 灵 长 类 相 对 较 小 的 脑 故 fmri 已 被 公 认 为 21 世 纪 数 字 化 医 学 影 像 重 点 发 展 的 方 向 之 一 4.OCT 光 学 成 像 具 有 比 fmri 更 高 的 空 间 和 时 间 分 辨 力, 可 以 更 小 的 体 素 来 测 量 总 脱 氧 血 红 蛋 白 总 血 红 蛋 白 和 血 容 量 的 改 变, 其 中 以 光 学 相 干 断 层 成 像 技 术 (OCT) 发 展 迅 速, 能 提 供 观 察 脑 皮 质 功 能 柱 的 高 分 辨 图 像 OCT 在 空 间 和 时 间 分 辨 力 两 个 基 本 性 能 方 面, 居 目 前 几 种 脑 功 能 成 像 技 术 之 首, 又 由 于 它 体 积 小 重 量 轻 特 征 信 号 易 获 得 和 可 行 床 边 监 测 等 优 势, 可 以 预 见 OCT 在 脑 功 能 的 研 究 中 将 发 挥 越 来 越 大 的 作 用
( 五 ) 分 子 影 像 技 术 分 子 影 像 学 (molecular imaging) 是 在 基 因 组 学 蛋 白 质 组 学 和 高 分 辨 力 影 像 技 术 的 基 础 上 发 展 起 来 的 一 门 新 兴 学 科, 其 突 出 的 特 点 是 能 用 影 像 学 手 段 非 侵 入 性 特 异 性 和 可 视 化 地 对 活 体 内 参 与 生 理 和 病 理 过 程 的 分 子 进 行 定 性 或 定 量 地 观 察 于 活 体 进 行 特 异 性 分 子 成 像, 一 般 应 具 备 分 子 探 针 信 号 放 大 策 略 和 高 灵 敏 度 影 像 技 术 三 个 基 本 要 素, 其 中 的 每 一 个 要 素 均 有 大 量 的 前 沿 科 学 问 题 有 待 解 决 分 子 探 针 应 具 有 合 理 的 药 效 学 高 度 的 亲 和 力 和 能 通 过 各 种 生 物 传 递 屏 障 三 种 特 性, 可 以 是 受 体 配 体 和 酶 底 物 等 小 分 子, 也 可 以 是 单 克 隆 抗 体 和 重 组 蛋 白 等 大 分 子 为 方 便 目 前 在 蛋 白 质 水 平 的 分 子 成 像, 一 些 化 学 或 生 物 学 的 信 号 放 大 策 略 已 被 发 展, 包 括 改 善 靶 浓 度 独 特 的 细 胞 功 能 和 与 靶 结 合 后 探 针 改 变 其 物 理 特 性 的 能 力 等 敏 感 快 速 及 高 分 辨 力 的 影 像 技 术 是 在 体 获 得 分 子 影 像 的 重 要 因 素, 目 前 这 些 技 术 主 要 有 PET SPECT MRI MRS OCT 和 超 声 等 分 子 影 像 技 术 主 要 有 以 下 应 用 :(1) 在 基 因 治 疗 中 及 时 检 测 目 的 基 因 的 转 化 或 转 染 及 表 达 情 况 ;(2) 可 无 创 伤 性 对 疾 病 进 行 早 期 诊 断 连 续 性 疗 效 观 察 和 预 后 评 估 ;(3) 可 研 究 活 体 的 连 续 的 病 理 生 理 和 药 理 过 程 ;(4) 可 分 析 药 物 的 有 效 成 分 ;(5) 可 显 示 肿 瘤 血 管 发 生 和 细 胞 凋 亡 等 当 前 要 积 极 进 行 分 子 探 针 和 高 灵 敏 度 生 物 信 号 探 测 器 的 基 础 理 论 研 究, 开 展 相 关 技 术 攻 关, 突 出 在 医 药 学 上 的 应 用 由 于 分 子 影 像 技 术 在 医 药 学 和 生 物 学 等 领 域 有 着 重 大 应 用 前 景, 因 此, 近 几 年 来, 世 界 各 国 对 分 子 影 像 学 均 给 予 高 度 关 注, 如 美 国 国 立 卫 生 研 究 院 (NIH) 宣 布 了 一 系 列 相 关 研 究 计 划 并 提 供 实 施 经 费 2002 年 8 月 在 Boston 成 立 了 美 国 分 子 影 像 学 学 会, 并 举 行 了 第 一 次 年 会, 围 绕 肿 瘤 的 研 究, 准 备 建 立 几 个 分 子 影 像 中 心, 并 提 出 了 若 干 小 动 物 成 像 计 划 我 国 已 召 开 了 两 次 以 分 子 影 像 学 为 主 题 的 香 山 科 学 会 议 四 届 全 国 分 子 影 像 学 学 术 研 讨 会, 出 版 了 学 术 专 著, 成 立 了 相 关 学 术 组 织, 引 进 了 数 台 7.0T MicroMRI 和 MicroPET/CT, 并 建 立 了 数 个 高 水 平 的 分 子 影 像 学 实 验 室