周坤，孟祥溪，謝肇恒，李素瑩，田澗，楊昆，任秋實

北京大學 工學院 生物醫(yī)學工程系，北京100871

一種新型的小動物四模態(tài)分子醫(yī)學影像系統(tǒng)

周坤，孟祥溪，謝肇恒，
李素瑩，田澗，楊昆，任秋實

北京大學 工學院 生物醫(yī)學工程系，北京100871

分子醫(yī)學影像技術已經(jīng)成為生物醫(yī)學研究和臨床成像的重要手段[1-2]。傳統(tǒng)的醫(yī)學影像手段只能提供有限的信息，例如成像對象的解剖結構。為了實現(xiàn)對疾病的深入認識與準確診斷，以及對治療響應的及時監(jiān)測和藥物研發(fā)的具體需求，我們必須了解生物體在分子和細胞層面的生理和病理過程。分子影像即是滿足了這種需求，其含義是通過跟蹤生物過程，分子影像技術在分子水平上實現(xiàn)實時的，高分辨無創(chuàng)的生物代謝觀測，為疾病的早期診斷提供可能。

分子醫(yī)學影像學的前沿不斷拓展，新手段、新技術層出不窮，已經(jīng)成為生物醫(yī)學工程的活躍領域。目前的分子影像技術已經(jīng)能夠在多個層次上較為靈活的表征人體的生理病理過程，深入細胞、分子乃至基因層面。在細胞水平，利用磁共振技術結合對特定細胞的順磁標記，可以跟蹤疾病的血管新生過程。在分子水平，利用分子影像手段可以對腫瘤發(fā)生發(fā)展的病理過程，如血管新生、細胞凋亡、受體識別與信號轉導等過程的分子機理進行研究。在基因水平，借助先進的分子生物學技術，可以利用核酸探針等進行特定基因及其表達產(chǎn)物的精確定位和成像。

除了開發(fā)面向臨床應用的分子影像設備，針對小動物的分子影像設備研發(fā)則可以為分子影像的研究提供重要模型。在基礎病理學研究、藥物的臨床前評價、分子靶標的發(fā)現(xiàn)與篩選等方面，小動物分子影像具有不可替代的作用。同時，小動物影像設備也可以作為臨床設備的技術儲備。目前，國際上能夠生產(chǎn)小動物分子影像設備的企業(yè)寥寥無幾，價格普遍較高。

雖然分子影像的概念形成僅有不到20年的時間，但分子影像的相關技術卻有深厚的背景。從科學研究到臨床應用，許多分子影像模態(tài)已經(jīng)成為了實驗室和臨床診斷的金標準。例如常用的磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI），就是利用具有特定核自旋量子數(shù)的原子核在外磁場調(diào)控下的弛豫信號實現(xiàn)對軟組織的高分辨率成像。

正電子發(fā)射斷層成像(positron emission tomography，PET)和單光子發(fā)射計算機斷層成像(single-photon emission computed tomography，SPECT)均屬于核醫(yī)學分子影像。PET利用發(fā)生β+衰變的核素在體內(nèi)產(chǎn)生正電子，正電子與周圍的電子發(fā)生湮滅后發(fā)射出一對方向相反，能量均為511 keV的高能γ光子。通過對這對γ光子的檢測即可重構出核素的空間分布[3-4]。SPECT則利用直接發(fā)射γ光子的核素，并通過裝有準直器的探測器對不同方位收集到的γ光子進行計數(shù)，最終重建出核素的空間分布。

熒光分子斷層成像(fluorescence molecular tomography, FMT)是一種相對較新的光學分子影像模態(tài)。該技術將熒光物質注入動物體內(nèi)，并從體外對其進行光照激發(fā)，使其產(chǎn)生熒光。同時，探測器將熒光光子收集記錄，并重建出熒光物質的空間分布。

但是，生物體是一個極其復雜的系統(tǒng)，即使是一個最簡單的生物過程也會涉及到許多生化反應,一個生物標志物可能只是部分代表了過程；此外,不同的生物過程可能有重疊的分子反應。同時，不同的分子影像模態(tài)具有各自的特點、優(yōu)勢和不足，利用單一手段很難在多個參數(shù)上得到同步提高。因此，使用單一模態(tài)進行生物代謝過程的觀測是十分局限的，必須使多個分子影像模態(tài)有機融合，才能獲得更為全面立體的信息。

具體的，對于以上列舉的幾種模態(tài)，PET具有較高的探測靈敏度，可以對疾病早期的小病灶進行有效的探測，但是其輻射光子的能量為固定的511 keV，且分辨率難以提高。SPECT 的示蹤劑較為易得，不需要裝備醫(yī)用回旋加速器即可制備相應的探針，但其靈敏度比PET 要低很多。FMT 的優(yōu)點是可供選擇的熒光分子種類豐富，可以利用高度特異性的配體進行成像，并且沒有電離輻射，但是其穿透深度的限制較大，圖像重建過程中出現(xiàn)病態(tài)的程度較高。同時，以上幾種模態(tài)均難以獲得高分辨的解剖結構，限制了其實際應用。而傳統(tǒng)的計算機斷層成像(computed tomography，CT)技術是提供解剖結構的理想模態(tài)。除此之外，CT還可以幫助FMT的重建，參與FMT初值參數(shù)的設定過程。

因此，我們開發(fā)了一種新型的四模態(tài)小動物分子影像設備，并通過對動物模型的成像實驗展示了其良好的性能。該設備將CT、PET、SPECT和FMT集成在同一套系統(tǒng)中，實現(xiàn)了不同模態(tài)對于同一實驗動物的共同成像。

1 四模態(tài)分子影像系統(tǒng)

1.1 CT

CT系統(tǒng)的核心部件采用33 μm焦點的微焦點X射線源與線型X-ray探測器，采用三代螺旋CT掃描方式，通過二次自主研發(fā)的滑環(huán)供電/信號傳輸系統(tǒng)實時采集傳輸數(shù)據(jù)。在現(xiàn)有探測器上的基礎上，將線型X-ray探測器的等距采集方式改造為等角采集，針對三代螺旋CT掃描方式需要實時采集傳輸數(shù)據(jù)，利用國內(nèi)現(xiàn)有的滑環(huán)技術，設計配套的驅動裝置、傳輸裝置、固定裝置、設備安裝托架等部件。在CT系統(tǒng)的旋轉機架上加入嵌入式系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，形成完整的滑環(huán)系統(tǒng)，以低廉的成本實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集減少因插值而引入的誤差，并采用合適的CT光路圖設計，最終達到＜ 80 μm的空間分辨率及傳輸功能，達到＜7s/層的掃描速度，Micro X-ray CT系統(tǒng)能夠實現(xiàn)透視掃描、螺旋掃描、高精度定點掃描采集模式，能夠實現(xiàn)小動物高精度斷層成像，并為PET/SPECT模塊提供解剖結構信息，以及為FMT模塊圖像重建提供CT先驗知識。CT結構圖如圖1所示，CT重建效果圖如圖2所示。

圖1 CT系統(tǒng)結構圖（左）及實物圖（右）

圖2 CT系統(tǒng)小鼠重建效果圖

1.2 PET

PET探測模塊由LYSO晶體與SiPM探測器之間耦合而成，確保晶體與探測器的耦合精度以及遮光性。PET探測環(huán)由27組PET探測器模塊組成，構成8環(huán)探測環(huán)，具有60 mm的有效FOV視野以及24 mm的軸向視野，如圖3所示。同時，PET采用高靈敏度3D采集方式，提高符合探測的計數(shù)率，縮短PET掃描時間，如圖4所示。

圖3 PET系統(tǒng)探測器布置圖

圖4 高靈敏度3D采集模式

1.3 SPECT

SPECT成像設備采用二維陣列（像素尺寸2 mm×2 mm）的LYSO閃爍晶體耦合PSPMT探測器組態(tài)，從而獲得高靈敏度與高計數(shù)率。同時采用互成180°前后錯位排列的雙探頭，使有效FOV足以覆蓋整個小動物，極大地縮短SPECT檢測的掃描時間。采集過程中，入射的γ射線事件，在晶體上激發(fā)出的熒光的位置，經(jīng)過權重網(wǎng)絡和ADC轉為包含位置信息的X、Y、E數(shù)據(jù)，通過100M傳輸速度的TCP/IP網(wǎng)絡接口發(fā)送到采集計算機，形成圖像幀。SPECT結構以及與CT融合效果圖如圖5所示。

圖5 SPECT/CT 結構及圖像重建融合圖

1.4 FMT

熒光分子層析成像系統(tǒng)主要包括激發(fā)光源，光纖傳輸系統(tǒng)，濾波片輪，動物平移臺，電動轉臺，鏡頭以及相機，如圖6所示。同時系統(tǒng)為保證動物實驗時處于自然的狀態(tài)，采用光源及成像系統(tǒng)旋轉而動物水平固定到動物床的方式。光源模塊中采用鹵鎢燈或者氙燈作為光源。整體光源部分采用了分塊設計，光源的電源和控制箱分別放置在旋轉臺下面，激發(fā)光源通過傳導光纖連接至旋轉臺上方。在光纖耦合端通過使用布線器及軸承，使得傳導光纖與電源線、信號線相分離，避免纏繞，如圖6（右）所示。透射、反射光纖在布線器內(nèi)部，通過滑槽的滑動及磁鐵的固定，可實現(xiàn)在電動轉臺360度旋轉時光纖不隨之轉動。同時纏繞在布線器外圈的電源線和信號線隨電機轉動，實現(xiàn)穩(wěn)定的系統(tǒng)供電及信號傳輸。激發(fā)光通過透鏡聚焦，在轉動軸線上直接將激發(fā)光射入光纖，使光源和激發(fā)光光纖沒有機械的鏈接，從而使系統(tǒng)在旋轉過程中沒有光纖的扭曲。

圖6 FMT系統(tǒng)結構圖

1.5 四模態(tài)集成

四模態(tài)集成采用圖7所用的設計方式，SPECT與CT放置于同一個機架上（圖5），PET放置于SPECT/CT前端并保證共軸。由于FMT的遮光需求，將FMT放置在整個系統(tǒng)的另一側，通過設計一個可旋轉動物床，確保在小動物實驗過程中由SPECT/CT/PET 模態(tài)轉至FMT模態(tài)不會造成小動物的位移誤差[5]。

圖7 四模態(tài)分子影像系統(tǒng)結構圖

2 多模態(tài)分子影像系統(tǒng)實驗及結果

基于小動物多模態(tài)分子影像系統(tǒng)，我們進行了一系列的實驗，獲得了很好的效果，其中以小鼠的炎癥及癌癥分辨最為成功[6]。

眾所周知，18F-氟代脫氧葡萄糖(2-deoxy-2-(18F) fluoro-D-glucose ,18F-FDG)是PET進行腫瘤探測的最常用藥物，其原理是基于腫瘤細胞的高代謝特征使得18F-FDG在腫瘤細胞濃聚，但是，炎癥區(qū)域也會由于其高代謝特性使得18F-FDG發(fā)生濃聚現(xiàn)象，因此會使得單一的PET探測產(chǎn)生假陰性判斷。慶幸的是，一種靶向整合素αvβ3受體 的SPECT探 針，[99Tcm(HYNIC-PRGD2)(tricine)(TPPTS)] (99Tcm-3PRGD2) 具有更強的腫瘤細胞靶向性，將其與PET探測有機融合，可以大大減少腫瘤細胞的假陰性判斷。

實驗設計如下[6]:我們通過20gBALB / C裸鼠（16周）進行誘導人肺腺癌A549細胞的皮下注射(2.5×107,2.5mL)]（右肩）和皮下注射促炎物質的桿菌Calmette-Gu注射(1mg/mL,分別為0.2mL)（右下肢），培養(yǎng)具有腫瘤細胞（右肩）以及炎癥的小鼠模型。

在實驗過程中，對小鼠注射18F-FDG，99Tcm-3PRGD2，以及一種基于近紅外熒光染料的FMT探針Cy7-entrapped CCPM，并使用多模態(tài)分子影像系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集及圖像重建融合。為了確認影像學的結論，我們還在將實驗動物處死后對齊進行了組織學鑒定。相關結果如圖8所示。

圖8 四模態(tài)活體成像實驗。CT成像結果圖 (a-c), PET成像(d-f) 顯示FDG在腦部、右肩以及兩腿上的高度濃聚。在SPECT成像中(g-i),99Tcm-3PRGD2 在右肩、腹部以及膀胱上的濃聚現(xiàn)象，同時FMT成像(m)顯示右肩上的濃聚現(xiàn)象。(n)顯示了FMT提供的白光圖。通過SPECT/CT/PET的三模態(tài)融合，我們就可以準確地確定腫瘤的位置位于右肩上，而FMT的圖像也驗證了這一點。組織切片(o)顯示了右肩細胞的高增殖現(xiàn)象，證明了我們實驗的論斷。組織切片 (p) 證實了右腿的驗證細胞。

3 總結及展望

分子影像技術已經(jīng)成為醫(yī)學領域的前沿熱點研究方向。世界著名大學及制藥公司紛紛加大對分子醫(yī)學影像手段的研發(fā)支持力度，高檔次的研究成果不斷涌現(xiàn)。在可以預計的將來，分子影像將成為未來新藥創(chuàng)制及生物醫(yī)學研究的主要方法及技術手段。20世紀90年代以來，多模態(tài)的設計理念已經(jīng)成為小動物活體成像的技術潮流和發(fā)展趨勢?；谡娮影l(fā)射斷層成像（PET）、單光子發(fā)射斷層成像（SPECT）的核素成像設備和熒光分子層析成像（FMT）的光學成像設備特別適合研究分子、代謝和生理學事件（功能成像）；而X射線斷層成像（CT）設備則適合于解剖學成像（結構成像）；融合多模態(tài)成像技術PET/CT、SPECT/ CT）則能夠結合功能成像和結構成像兩方面的優(yōu)點。多模態(tài)融合成像技術已逐漸獲得生物醫(yī)學研究領域科學家的廣泛認可，成為最受歡迎的生命科學研究技術平臺之一。

致謝

該項目由國家重大科學儀器專項(2011YQ030114), 國家基礎研究計劃973項目(2011CB707500), 國家自然科學基金(11104058), 和河北省自然科學基金 (A2011201155)支持。

[1] Robert A de Kemp,Frederick H Epstein,Ciprian Catana,et al．Small-animal molecular imaging methods[J]．Journal of Nuclear Medicine, 2010,51:18S-32S．

[2] Bushberg Jerrold T, Boone John, Leidholdt Edwin． The essential physics of medical imaging[M]．Lippincott Williams & Wilkins, 2011．

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[4] S R Cherry．Multimodality imaging:Beyond pet/ct and spect/ ct[J]．Semin Nucl Med,2009,39(5):348-353．

[5] H Zaidi,R Prasad．Advances in multimodality molecular imaging[J]．Journal of medical physics/Association of Medical Physicists of India,2009,34:122．

[6] Yanye Lu,Kun Yang,Kedi Zhou,et al．An integrated quadmodality molecular imaging system for small animals[J]．Journal of Nuclear Medicine,2014,55:1375-1379．

A New Quad-Modality Integrated Molecular Imaging System for Small Animals

ZHOU Kun, MENG Xiang-xi, XIE Zhao-heng, LI Su-ying, TIAN Jian, YANG Kun, REN Qiu-shi
Department of Biomedical Engineering, College of Engineering, Peking University, Beijing 100871, China

本文介紹了一種新型的小動物四模態(tài)分子影像系統(tǒng)的研發(fā)。該系統(tǒng)集成了計算機斷層成像（computed tomography, CT）、正電子發(fā)射斷層成像（positron emission tomography, PET）、單光子發(fā)射計算機斷層成像（single-photon emission computed tomography, SPECT）和熒光分子斷層成像（fluorescence molecular tomography, FMT）四種模態(tài)。對小鼠腫瘤-炎癥模型的成像結果顯示，融合了各個模態(tài)的綜合重建結果可以提供較單一模態(tài)更加豐富的結構、功能代謝信息。

四模態(tài)；分子醫(yī)學影像；CT；PET；SPECT；熒光分子斷層成像；圖像融合

A new quad-modality integrated molecular imaging system for small animal was invented, which integrated the modalities of computed tomography (CT), positron emission tomography (PET), single-photon emission computed tomography (SPECT) and fluorescent molecular tomography (FMT). The imaging results of mouse models of tumors and inflammation revealed that the multi-modality integrated comprehensive reconstruction can provide more structural, functional and metabolic information than the single modality.

quad-modality; molecular imaging; CT; PET; SPECT; fluorescent molecular tomography; image integration

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.02.002

1674-1633(2015)02-0007-04

2014-10-05

2014-12-16

國家重大科學儀器專項(2011YQ030114)，國家基礎研究計劃973項目(2011CB707500)，國家自然科學基金 (11104058)，河北省自然科學基金 (A2011201155)支持。

任秋實，教授。

通訊作者郵箱：renqsh@coe．pku．edu．cn