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        核素發(fā)射式計(jì)算機(jī)斷層顯像在臨床中的應(yīng)用及發(fā)展

        2016-03-06 06:43:34穆東,魏小剛,張?jiān)?/span>
        關(guān)鍵詞:體層攝影術(shù)圖像處理

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        ·綜述·

        核素發(fā)射式計(jì)算機(jī)斷層顯像在臨床中的應(yīng)用及發(fā)展

        穆東,魏小剛(綜述),張?jiān)?,朱?審校)(河北省石家莊市第一醫(yī)院心血管二科,河北 石家莊 050011)

        [關(guān)鍵詞]體層攝影術(shù),發(fā)射型計(jì)算機(jī);圖像處理;綜述文獻(xiàn)

        doi:10.3969/j.issn.1007-3205.2016.03.035

        功能影像及解剖影像的融合是影像醫(yī)學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)。現(xiàn)就核素發(fā)射式計(jì)算機(jī)斷層在臨床中的應(yīng)用及發(fā)展進(jìn)行綜述,旨在為臨床診斷、制定治療計(jì)劃、評(píng)價(jià)療效及隨訪提供更有價(jià)值的醫(yī)學(xué)信息。

        1概述

        醫(yī)學(xué)圖像所提供的信息可分為解剖結(jié)構(gòu)圖像和功能圖像[1],在醫(yī)學(xué)影像技術(shù)發(fā)展中,每種影像技術(shù)都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),但它們共同的發(fā)展要求是:將解剖圖像和功能圖像相結(jié)合,然后才能為臨床診斷、制定治療計(jì)劃、評(píng)價(jià)療效及隨訪提供更有意義的醫(yī)學(xué)信息。單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(emission computed tomography,ECT)是醫(yī)學(xué)影像技術(shù)中的重要組成部分。最初,核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛使用的成像儀器是伽馬照相機(jī),1950年建立了晶體井型計(jì)數(shù)儀,20世紀(jì)90年代 ECT與X射線透射型計(jì)算機(jī)斷層技術(shù)(transmission computed tomography,TCT)同時(shí)問世。醫(yī)用核素儀器是一類通過檢測(cè)引入人體內(nèi)的放射性核素及其標(biāo)記化合物,即放射性藥物在不同臟器和(或)病變組織的攝取和清除程度,顯示臟器和病變組織的形態(tài)、血供、功能、代謝、免疫特性、遞質(zhì)濃度和受體密度的放射性顯像儀器和檢測(cè)體外待測(cè)物質(zhì)含量的非放射性顯像儀器[2]。ECT的迅猛發(fā)展成為核醫(yī)學(xué)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一。目前最具有代表性的是正電子發(fā)射斷層成像技術(shù)(positron emission tomography,PET)和單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)(single photon emission computed tomography,SPECT)。

        2多功能ECT系統(tǒng)的臨床應(yīng)用價(jià)值

        ECT的最大優(yōu)勢(shì)在于它能將功能圖像和解剖圖像完美地結(jié)合在一起,目前,它在臨床上主要應(yīng)用于以下幾方面。

        2.1腫瘤ECT已經(jīng)在腫瘤的診斷、定位等方面得到了廣泛應(yīng)用。理論上ECT使用的示蹤劑可以在惡性腫瘤或其轉(zhuǎn)移灶所在部位異常濃聚,因此惡性腫瘤多表現(xiàn)為局部示蹤劑攝取增高,根據(jù)各種放射性示蹤劑之間的半衰期、藥代動(dòng)力學(xué)以及生物學(xué)分布的內(nèi)在差異,通過時(shí)間放射性活度-曲線計(jì)算 并提取各種示蹤劑的信號(hào)[3],利用這點(diǎn)可以在腫瘤輔助檢查、診斷、定位等方面得到豐富的信息,從而作出較為準(zhǔn)確的診斷和精確的定位。但臨床實(shí)際操作中可見示蹤劑同時(shí)被人體的某些正常組織和器官攝取,造成部分良性腫瘤、炎癥也表現(xiàn)為局部攝取增高,給診斷帶來(lái)了很大的困難。此時(shí)借助ECT中CT圖像融合技術(shù),可以精確地對(duì)病灶解剖學(xué)定位,分辨示蹤劑的正常分布、生理變異或異常濃聚,從而最大程度地實(shí)現(xiàn)對(duì)病灶的診斷與鑒別診斷,且可以依據(jù)腫瘤轉(zhuǎn)移灶的位置、數(shù)量作出較準(zhǔn)確的分期診斷,制定正確的治療方案。其中18F-脫氧葡萄糖(18F-fluorodexoxy glucose,18-FDG)PET/CT已經(jīng)被應(yīng)用于淋巴瘤的分期、療效評(píng)估和預(yù)后判定達(dá)10年之久[4],指導(dǎo)臨床確定精細(xì)的手術(shù)范圍,或確定放療的范圍和劑量。

        另外,ECT對(duì)腫瘤區(qū)域定位后可以同時(shí)觀察淋巴結(jié)對(duì)放射性顯像劑的攝取程度,判斷淋巴結(jié)是否發(fā)生轉(zhuǎn)移[5]。ECT融合圖像對(duì)于判斷腫瘤是否復(fù)發(fā),也優(yōu)于任何一種單獨(dú)的檢查,同時(shí)可用來(lái)監(jiān)測(cè)腫瘤的治療效果。ECT融合技術(shù)也用來(lái)計(jì)算腫瘤放療后的內(nèi)照射輻射劑量,從而判斷輻射劑量是否合適。Feigen等[5]分析指出的精確治愈劑量而使周圍組織和器官接受的劑量最小,ECT能從代謝、血流、組織增生、缺氧、腫瘤特異性受體、血管生成、凋亡等多方面實(shí)現(xiàn)腫瘤靶區(qū)的定位,有助于避免正常組織和鄰近重要器官受到多余的照射,可以更加有針對(duì)性地指導(dǎo)放療計(jì)劃的實(shí)施。

        2.2心臟疾病冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性心臟病(簡(jiǎn)稱冠心病)可以引起心肌缺血性改變和不同程度的功能損傷,有很高的發(fā)病率、住院率和病死率,嚴(yán)重威脅著現(xiàn)代人的健康。冠狀動(dòng)脈造影檢查是目前臨床上公認(rèn)的診斷冠心病較為可靠的方式,其已被譽(yù)為診斷冠心病的“金標(biāo)準(zhǔn)”[6],但它存在技術(shù)、設(shè)備條件、有創(chuàng)檢查風(fēng)險(xiǎn)等諸多因素的制約。99Tcm-MIBI心肌血流灌注顯像是目前臨床上已廣泛應(yīng)用的較為理想的診斷冠心病無(wú)創(chuàng)性方法[7]。當(dāng)放射性藥物進(jìn)入冠狀動(dòng)脈后,能被正常的心肌細(xì)胞選擇性攝取,攝取的量與冠狀動(dòng)脈血流量成正比。當(dāng)出現(xiàn)冠狀動(dòng)脈狹窄或阻塞時(shí),冠狀動(dòng)脈血流量減少,心肌細(xì)胞也會(huì)出現(xiàn)損傷,這時(shí)心肌攝取放射性藥物的功能會(huì)減退,甚至不能攝取,因此 ECT可以同時(shí)顯示心肌的代謝情況和血流情況,用來(lái)確定心肌是否缺血及缺血部位及范圍,檢測(cè)心肌是否存活,顯示室壁運(yùn)動(dòng)及收縮功能。有文獻(xiàn)報(bào)道,ECT診斷冠心病的靈敏度可達(dá)91%,特異度高達(dá)93%,準(zhǔn)確度為91%[8]。ECT診斷冠心病的準(zhǔn)確度高于心電圖,與運(yùn)動(dòng)平板相似,結(jié)果陰性者可基本排除冠心病,結(jié)果陽(yáng)性者可根據(jù)心肌血流分布、灌注量的異常推斷出哪支或哪幾支冠狀動(dòng)脈發(fā)生病變,以此作為冠狀動(dòng)脈造影檢查前的篩選方法。

        2.3其他疾病ECT骨顯像被廣泛應(yīng)用于臨床。骨是許多病變的好發(fā)部位,ECT利用其與CT的融合圖像,可進(jìn)行陽(yáng)性病灶解剖定位,從而確定骨髓炎等疾病的病變范圍,幫助臨床制定治療計(jì)劃及觀測(cè)治療效果。骨轉(zhuǎn)移瘤是骨骼最常見的惡性腫瘤,臨床上約有70%的惡性腫瘤可累及骨骼。ECT全身顯像為功能性顯像法,較其他影像學(xué)檢查方法可提前3~6個(gè)月作出診斷[9]。ECT全身骨顯像可用于評(píng)價(jià)骨轉(zhuǎn)移瘤,靈敏度非常高,且無(wú)絕對(duì)禁忌,可發(fā)現(xiàn)平面骨顯像中易被忽視的小的溶骨性病變或隱蔽性病灶。另外,ECT可以準(zhǔn)確顯示骨代謝,可發(fā)現(xiàn)骨質(zhì)增生、小關(guān)節(jié)的退行性改變或其導(dǎo)致的一些繼發(fā)性改變,臨床上也用來(lái)診斷代謝性骨病。

        腦卒中是目前世界范圍內(nèi)第2大主要致死性疾病,在歐美國(guó)家是成年人主要的致殘性疾病[10]。ECT在腦血管病的診斷、治療上也有應(yīng)用。腦血流灌注在腦組織的營(yíng)養(yǎng)、能量供給和代謝上具有重要的作用,測(cè)定腦血流可以早期診斷、治療腦血管疾病,減少致殘率、病死率。ECT的顯影劑經(jīng)靜脈注射后,可以通過血腦屏障進(jìn)入腦細(xì)胞,其進(jìn)入腦細(xì)胞的量與局部腦血流成正比,并且在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)無(wú)再分布,經(jīng)斷層顯像分析,就可以得到腦各部位局部血流灌注顯像圖,由此可以計(jì)算出局部腦血流量,定量、分析腦組織中某一個(gè)區(qū)域的腦血流灌注功能。在腦部疾病和精神活動(dòng)障礙疾病的早期診斷、治療方法的選擇及預(yù)后評(píng)價(jià)等方面,尤其在腦卒中及癲癇病灶的定位方面,ECT的定位率優(yōu)于CT和MRI。SPECT在短暫性腦缺血發(fā)作、腔隙性腦梗死等患者的缺血灶檢出方面較MRI更靈敏,而在大面積梗死灶方面與MRI差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,SPECT和MRI明顯較CT的陽(yáng)性預(yù)測(cè)價(jià)值和陰性預(yù)測(cè)價(jià)值更高[11]。

        3ECT發(fā)展進(jìn)展與存在的問題

        ECT技術(shù)不斷向前發(fā)展,它集核物理、放射化學(xué)、醫(yī)學(xué)影像學(xué)、分子生物學(xué)技術(shù)之大成,用解剖形態(tài)方式對(duì)病灶進(jìn)行功能、代謝和受體顯像,已經(jīng)在腫瘤學(xué)、心臟病學(xué)、神經(jīng)學(xué)等多個(gè)方面得到了廣泛應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì),多模態(tài)(multiple modality)顯像技術(shù),如SPECT/CT、PET/CT在核醫(yī)學(xué)臨床工作中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[12]。

        3.1利用F-氟代脫氧葡萄糖(fluorodexoxy glucose,F(xiàn)DG)顯像提高了對(duì)腫瘤的鑒別能力FDG是一種新的腫瘤顯像劑,在臨床腫瘤的診斷、分期、治療等方面得到了廣泛應(yīng)用,它可以與葡萄糖相同轉(zhuǎn)運(yùn)載體結(jié)合后進(jìn)入細(xì)胞,參與葡萄糖代謝,在葡萄糖代謝旺盛組織及細(xì)胞內(nèi)大量積聚,利用良惡性細(xì)胞的不同代謝水平來(lái)判斷腫塊性質(zhì),檢測(cè)惡性病灶分期,檢出復(fù)發(fā)的惡性病灶。最早的FDG顯像由多環(huán)鍺酸鉍探測(cè)器探測(cè),形成的影像不清晰,目前已經(jīng)開發(fā)出SPECT/CT和PET/CT (Hybrid Camera)的混合型機(jī)型,雙時(shí)相顯像是核醫(yī)學(xué)SPECT顯像中常用的鑒別良惡性腫瘤的手段[13],大大提高了對(duì)腫瘤的診斷及鑒別診斷。

        3.2高能準(zhǔn)直器的出現(xiàn)高能準(zhǔn)直器的出現(xiàn)也是ECT技術(shù)的一項(xiàng)發(fā)展,目前準(zhǔn)直器晶體厚度已由9 mm增加到12.5 mm,可以產(chǎn)生能量為511 keV光子,同時(shí)配合使用511 keV高能放射性核素,可以生成不同能量的雙同位素圖像,增加探測(cè)效率。目前已出現(xiàn)多通道平行束準(zhǔn)直器[14],臨床上應(yīng)用比較先進(jìn)的是狹縫準(zhǔn)直器SEPTAL (間隙為10 mm,間隔為40 mm×4 mm),它配有由鋅、鉛、銅組成的多層濾波器,可以減少來(lái)自視野以外的射線及散射效應(yīng),在工作時(shí)3 min轉(zhuǎn)一圈采集數(shù)據(jù),可以減少放射性衰減。該系統(tǒng)的空間分辨率在空氣中可達(dá)到半最大值全寬度(full width at half maximum,FWHM) 4.5 mm。大大提高了圖像分辨率。

        3.3正電子符合圖像ECT另一項(xiàng)有重大價(jià)值的技術(shù)突破是以符合線路測(cè)試的方式提高靈敏度和分辨率,基本技術(shù)方法是增加時(shí)間符合判斷電路,是一種無(wú)準(zhǔn)直器3D體積采集技術(shù)。

        3.4機(jī)型結(jié)構(gòu)的變化目前ECT已研究出可裝備多探測(cè)器的機(jī)型。探測(cè)器的增多可以更多角度地采集圖像,使靈敏度再一次提高。臨床上2、3、4個(gè)探頭的機(jī)型都有應(yīng)用,也有使用環(huán)狀探測(cè)器的機(jī)型。人體的橫斷面近似為橢圓形,探測(cè)器繞人體旋轉(zhuǎn)時(shí)的理想軌跡是探測(cè)面和人體始終保持最貼近,可以最大限度采集光子、收集圖像。早期的ECT探頭繞人體旋轉(zhuǎn)的軌跡為圓形,探頭旋轉(zhuǎn)時(shí),探頭表面到人體表面的距離變化大,使重建圖像的分辨率低?,F(xiàn)在,由于探頭角度的變化,探頭繞人體旋轉(zhuǎn)的軌跡改為橢圓。目前臨床上應(yīng)用最好的是雙探頭ECT,它具有斷層成像、快速全身骨掃描等功能,75%使用雙探頭的ECT可以在90~180 °間任意改變2個(gè)探頭之間的角度,使圖像分辨率提高了1.5~2.5 mm。

        3.5圖像融合近20年來(lái),隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的發(fā)展,ECT圖像融合技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今核醫(yī)學(xué)的一個(gè)主要研究領(lǐng)域,它有效地推動(dòng)了ECT的發(fā)展。醫(yī)學(xué)影像檢查分為功能影像檢查(核醫(yī)學(xué)影像)和解剖結(jié)構(gòu)影像檢查(CT、MRI、X線投照和B超),功能影像能檢查采集的圖像分辨率低,尤其缺乏解剖學(xué)信息。目前PET/CT將2種不同模態(tài)的醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行融合, 實(shí)現(xiàn)分子水平的功能成像與解剖成像的融合[15],并可由CT數(shù)值計(jì)算軟組織及骨骼的衰減系數(shù),對(duì)ECT圖像進(jìn)行衰減校正,產(chǎn)生有解剖定位的高質(zhì)量圖像,反映各組織的生理、病理、生化、代謝等功能性變化和體內(nèi)受體的分布情況,大大提高了診斷的正確率,拓寬了臨床應(yīng)用范圍。

        3.6圖像衰減校正PET/CT(正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像儀)將核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域“PET”獲得的組織器官功能代謝信息與X線計(jì)算機(jī)斷層顯像技術(shù)獲得的解剖學(xué)信息相融合,通過一次檢查達(dá)到對(duì)疾病的“定性”與“定位”,正得到越來(lái)越多的臨床醫(yī)生的關(guān)注與歡迎[16]。ECT的圖像是放射性核素在人體內(nèi)再分布后探測(cè)到的射線所收集形成的。探測(cè)到的射線在經(jīng)過不同組織后,受到人體自身的衰減作用。在實(shí)際成像環(huán)節(jié)中,光子探測(cè)器接受到的光子數(shù)目也要受衰減和散射的影響。這些都會(huì)影響ECT圖像的成像質(zhì)量,而通過衰減校正技術(shù)可以有效地解決這個(gè)問題。能譜CT單能量技術(shù)針對(duì)特定組織或病變,可以選取相對(duì)于某一背景的最佳觀察圖像;同時(shí)可以去除硬化、金屬偽影,充分發(fā)揮其薄層、重建等優(yōu)勢(shì)[17]。它采集的數(shù)據(jù)為射線穿過組織的衰減圖像數(shù)據(jù),利用這些就可以用 CT數(shù)據(jù)對(duì)ECT圖像衰減校正,這樣既可以使透射掃描時(shí)間明顯縮短,又可使病灶解剖邊界定位準(zhǔn)確,且衰減校正后的圖像沒有畸變。PET/CT的優(yōu)勢(shì)之一在于能夠直接利用CT圖像信息對(duì)PET發(fā)射數(shù)據(jù)圖像中的γ射線衰減進(jìn)行校正[18]。未來(lái),將采用X線CT圖像進(jìn)行全能量衰減校正,CT圖像融合可以采集足夠清晰的解剖圖像,而非僅僅是提供一種衰減校正的方法。

        3.7其他方面進(jìn)展探測(cè)器實(shí)現(xiàn)數(shù)字化也是一項(xiàng)進(jìn)步,目前ECT成像過程中所有光電倍增管的輸出都直接加一個(gè)模擬/數(shù)字(A/D)變換器,信號(hào)加工處理也全部以數(shù)字方式進(jìn)行,與以前的模擬信號(hào)輸出相比有了不小的進(jìn)步。

        近些年,新型探測(cè)器也進(jìn)入實(shí)用階段,這些新型探測(cè)器和以往的碘化鈉探測(cè)器不同,它們由其他類型晶體構(gòu)成,探測(cè)靈敏度更高,最新的有光學(xué)玻璃ECT光探測(cè)器[19]、碲化鎘鋅晶體(Cadmium-Zinc-Telluride,CZT)半導(dǎo)體材料探測(cè)器。

        新型準(zhǔn)直器也已經(jīng)進(jìn)入臨床實(shí)用階段,如多通道平行束準(zhǔn)直器、錐束型準(zhǔn)直器(Conebeam Collimator)、多焦距匯聚型準(zhǔn)直器(Multifocal Converging Collimator)等,這些準(zhǔn)直器的出現(xiàn)改變了以往準(zhǔn)直器分辨率低于固有分辨率的現(xiàn)象,使整機(jī)的系統(tǒng)分辨率明顯提高,提高了圖像質(zhì)量。

        4小結(jié)

        在核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備技術(shù)的發(fā)展中,每種影像設(shè)備技術(shù)都會(huì)有其優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn),都會(huì)面對(duì)各種各樣的問題。目前,以 PET/CT為代表的臨床多模式顯像技術(shù)已獲得突飛猛進(jìn)的發(fā)展,其在功能與解剖結(jié)構(gòu)結(jié)合顯像方面的重要作用日益突顯[20],作為新興的一項(xiàng)無(wú)創(chuàng)檢查方法,盡管仍處在發(fā)展階段,但初步應(yīng)用已顯示出它的優(yōu)越性,其臨床應(yīng)用前景也已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)同,尤其適合在中國(guó)這樣的發(fā)展中國(guó)家推廣使用。

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        (本文編輯:劉斯靜)

        [中圖分類號(hào)]R814.42

        [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

        [文章編號(hào)]1007-3205(2016)03-0369-04

        [作者簡(jiǎn)介]穆東(1983-),男,河北石家莊人,河北省石家莊市第一醫(yī)院主治醫(yī)師,醫(yī)學(xué)碩士,從事心血管疾病診治研究。

        [基金項(xiàng)目]河北省醫(yī)學(xué)科學(xué)研究重點(diǎn)課題(ZD20140131)

        [收稿日期]2015-09-22;[修回日期]2015-11-10

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