第十章　臨床前分子影像儀器及應用進展

在過去的十年中，生物醫學包括分子生物學，基因組學以及蛋白組學取得了巨大發展，許多疾病的重要調節途徑已經確定，為攻克這些疾病奠定了基礎。與此同時，非侵入性的成像技術也取得了長足進步。現在，CT或MRI能夠在幾秒鐘或幾分鐘內完成對患者的全身掃描，并得到患者的高分辨率和高對比度的結構圖像。通過注射造影劑以及動態掃描，CT和MRI也能夠獲得組織的血管形成、灌注以及滲透等功能信息。核醫學成像（PET和SPECT）借助放射性核素標記的示蹤劑能夠進行功能成像，例如應用¹¹C、¹³N、¹⁵O和¹⁸F等標記的示蹤劑能夠對活體進行生理、生化和病理過程進行空間和時間上的顯像，目前已經廣泛用于臨床。例如，¹⁸F標記的脫氧葡萄糖（¹⁸F-FDG）是一種葡萄糖類似物，其在人體內的分布情況反映體內細胞對葡萄糖的攝取和磷酸化，目前在臨床上廣泛用于腫瘤成像，以此達到精確診斷、分期以及療效評估的目的。除了在臨床上的應用，這些成像方式也廣泛用于動物模型研究。動物模型是生物醫學研究中重要的實驗模型，它有助于更方便、更有效地認識人類疾病的發生和發展規律。由于模式動物例如小鼠和大鼠遠比人小很多，因此需要開發專門針對這些小動物的掃描儀從而獲取它們清晰的形態結構或功能，這些小動物專用成像儀也叫作臨床前顯像儀器。借助臨床前分子影像，我們可以通過小動物疾病模型在非常早期階段發現新的診斷或治療藥物，并促進向臨床應用的轉化研究，并幫助降低開發成本。例如，在一種新的藥物用于人體前，必須有來自動物研究上積累的大量數據，包括劑量、藥物的體內分布、藥物注射和排出的路徑以及毒性。在出現這些臨床前影像儀器之前，這些臨床前數據只能通過犧牲和解剖動物的組織并進行體外實驗來獲取。對于研發一種新的藥物來說，可以借助臨床前分子影像儀器的非侵入特性來研究藥物動力學和藥代動力學，從而可以填補臨床前的藥物研究到人體Ⅰ期臨床試驗的鴻溝，加速新藥開發周期。由于臨床前分子影像的非侵入性，它還能夠針對同一個小動物進行疾病進展研究，對疾病的發生與發展過程以及致命因素進行評估。相比于小動物CT和MRI，小動物PET允許我們在不犧牲動物的前提下研究動物疾病的動態病理過程和分子機制。

第一節　小動物PET

一、PET成像原理

小動物PET和人體PET的成像原理是相同的，都是通過注射放射性核素標記藥物到研究對象（人體或小動物），放射性核素在衰變過程中釋放正電子，正電子在組織中運動一段距離之后與組織中的電子發生湮滅，這個運動的距離取決于正電子的能量，能量越高，其運動的范圍就越大，例如¹⁸F衰變產生的正電子在水中的最大運動距離為1.0mm，而⁸²Rb衰變產生的正電子由于具有更高的能量，其在和電子湮滅之前運動距離更遠，高達1.7mm。根據能量守恒定律，湮滅會產生兩個反方向飛行的能量為511keV的γ光子。這些γ光子會被圍繞在研究對象外面的探測器所捕獲，然后經過光電轉換以及各種物理因素校正，最后通過圖像重建算法得到一個三維的放射性核素示蹤劑分布圖。通過動態掃描采集數據，還可以得到隨時間變化的示蹤劑分布圖，如進一步采用和示蹤劑相匹配的動力學參數模型建模，可以重構出具有生物學意義的參數圖。

二、PET系統結構

PET核心技術主要是由探測器和重建系統組成。

1.探測器

晶體是整個PET系統的核心，它能將高能量γ光子轉化為低能量的光子。理想的探測器應具備高阻止能力、高空間分辨率、高能量分辨率、高時間分辨率和造價便宜的特性。目前常用的晶體材料主要有鍺酸鉍（BGO）、摻鈰的氧化正硅酸釓（GSO）、摻鈰的氧化正硅酸镥（LSO）以及摻釔和鈰的氧化正硅酸镥（LYSO），這些晶體各自具有不同的優勢。BGO具有較大的原子序數和密度，使得它對γ光子具有很好的攔截能力和有效增加其敏感性，但它的余輝時間比較長（300ns），時間分辨率比較差，從而使得采集速度變慢，但BGO的成本較低。相對而言，GSO具有較短的余輝時間（60ns）和較高的能量分辨率，使得掃描的散射顯著降低，其缺點就是光輸出量低以及晶體易裂。LSO和LYSO都具有更短的余輝時間（40ns），從而具有很高的轉化效率，因此適合快速采集。但由于镥產生一定本底計數，因而使得它在低劑量成像的情況下有一定的局限。無論采用哪種晶體，在設計的過程中都需要對空間分辨率和敏感性進行權衡考慮。目前PET晶體的環向尺寸約為4mm，軸向約為8mm，相應的空間分辨率能達到4mm。經過晶體轉化后的低能量光子都需要通過光電轉換成電信號傳送到電子系統進一步處理，目前幾乎所有的小動物PET系統均使用位敏型光電倍增管（PS-PMT）作為光電探測器。隨著半導體技術的發展，硅光電倍增管（SiPM）作為一種新型的半導體光電探測器件正日益取代位敏型光電倍增管，且它具有很強的磁場兼容性以及結構緊湊的特點，是一種用于PET/MR的理想光電探測器。開發具有相互作用深度測量（depth of interaction，DOI）和飛行時間技術（time of flight，TOF）性能的探測器系統是未來的發展方向。DOI主要目的就是提供分辨率，而TOF主要目的是提高整個圖像的信噪比。

2.重建系統

正電子和電子湮滅產生后的兩個運動方向相反的γ光子，在經過一定的時間窗和能量窗甄別后形成一個“符合事件”。通過這種方式，可以得到探測器的位置信息而不需要物理準直器。在收集得到所有的“事件”之后，需要在重建前或在重建過程中進行各種物理因素校正，包括衰減校正、隨機校正、散射校正以及探測器敏感性不一致校正等。如果這些物理因素沒有經過合適的校正，那么就會嚴重影響PET的成像質量。PET圖像重建算法分為解析法和迭代法兩大類，其中解析法是以中心切片定理為基礎的反投影方法。迭代法是基于最大似然估計的算法，其基本思想就是從初始估值出發，數值投影之后和測量得到的數據進行比較和反復修正，最終得到接近真實值的圖像。目前，迭代法廣泛用于臨床和臨床前PET系統。隨著多模態成像技術的發展，我們可以借助高分辨的結構成像來提高PET圖像分辨率和信噪比。另外也出現了很多專用的重建系統，例如具有呼吸運動校正功能的4維PET重建算法以及動力學參數重建算法。

三、小動物PET特點

盡管人體PET和小動物PET的成像原理相同，但是小動物PET系統有其獨有的技術特點和挑戰。在進行藥物研發或病理研究的過程中，我們通常需要對小動物進行持續幾十分鐘到幾個小時的動態掃描，為了減少因小動物運動所造成的偽影，顯像時需要對小動物進行全程麻醉。另外，由于小動物的組織結構很小，其生理狀態容易受到成像環境的影響，因此為了保持PET測量數據的可靠性和重復性，特別是在測量生理參數如血流和神經受體密度時，必須嚴格控制熱源以確保所研究動物的動態平衡，例如通過燈光來維持動物的溫度。當研究動物在不同階段成像時，需要通過一些特定的設備來固定動物以盡量保持它們在同一掃描位置。

給小動物注射的示蹤劑的劑量必須足夠低到不能影響它們的生理狀態，同時又要保證圖像質量。一般而言，注射的示蹤劑不能超過其作用對象占有率的1%，這是因為示蹤劑的比活度（Bq/g）通常是固定的，因此所允許注射的劑量有限制。例如，當用¹¹C標記的Raclopride來進行D2多巴胺神經受體顯像時，給小鼠和大鼠注射的劑量分別不能超過0.3MBq和5.2MBq。另外一種限制就是注射量應小于動物總血量的10%，對于小鼠和大鼠來說，其對應的體積為2.5ml和30ml。

PET掃描儀的空間分辨率主要取決于四個因素：探測器的晶體大小、探測器解碼方式、正電子在發射之后以及和電子發生湮滅之前的運動距離以及湮滅產生的兩個光子的共線性。通過探測器的解碼方案可以決定光子和探測器相互作用的位置，隨著技術的發展，目前小動物PET的空間分辨率能達到1mm。目前高分辨率的小動物PET系統得益于使用長而細的探測器晶體，但這種長而細的晶體的缺點就是光子有很高的概率是從相鄰晶體穿透過來的。圖10-1顯示當光子被180°（頭對頭）探測器所捕獲時，其響應帶（灰色區域）比較窄，而對應于非180°角的傾斜投影時，相應的探測器響應帶變寬。在沒有點擴散函數校正的情況下，分辨率很難提高，這也是掃描儀整個空間分辨率不均一的最重要原因。

一個典型的小鼠重量大約為25g，相比于中等重量的人體來說（75kg），其體重和大小只有人的1/3 000和1/15。而大鼠一般重量為300g，其體重和大小只有人類的1/250和1/6。目前臨床用的全身PET系統分辨率在6mm左右，如果我們想看清小動物中同樣的組織結構，相應的小動物掃描儀的分辨率對于小鼠和大鼠來說期望在0.4mm和1mm。目前市場上的小動物PET分辨率能達到1mm左右，因此更適合掃描大鼠，而對于小鼠來說，我們需要開發分辨率更高的小動物PET。

另外，目前在進行小動物掃描成像時，大多數情況下需要對小動物進行全身麻醉或固定，以避免由于軀體運動所造成圖像模糊。但這種全身麻醉或固定會引起小動物生理紊亂，在這種情況下所測量得到的放射性藥物濃度分布可能和自然狀態下測量得到的分布不一樣，尤其是對于神經系統。布魯克海文國家實驗室開發的RatCAP是一種便攜式的小動物PET掃描儀，專門用于大鼠在清醒狀態下的PET神經顯像。該RatCAP掃描儀是一種小型的具有完整環的PET系統，其重量為250g，內徑為28mm，外徑為80mm，軸向視野長度為25mm。在研究大鼠的神經活動時，掃描儀固定在眼睛和耳朵之間。該掃描儀整個視野的空間分辨率小于2mm，探測器的敏感性在0.76%。該PET系統采用的晶體是硅酸釔镥（LYSO），光電轉換器采用的是雪崩光電二極管固態光電轉換器（APD）。大鼠在掃描的過程中可以自由活動。

第二節　小動物MRI

一、MR成像原理

正如小動物PET和人體PET成像原理一樣，小動物MRI和人體MRI的成像原理也是一致。通常情況下，原子核自旋軸的排列是無規律的，當施加磁場時，核自旋空間取向就會從無序變成有序，此時磁化強度達到穩定值。如果進一步施加一定頻率的射頻脈沖，原子核會發生進動，吸收與原子核進動頻率相同的射頻脈沖，此時核自旋系統就會引起共振效應。在撤銷射頻脈沖之后，原子核就不能維持高能量狀態，在釋放出能量的時候，同時向磁場中原來的排列狀態過渡，這些釋放的能量就可以轉化為射電信號，然后被探測器檢測并通過成像算法繪制出物體內部的結構圖像。氫核是MR成像的首選，這是因為人體或動物各種組織中含有大量的水和碳氫化合物，氫核的磁共振靈活度高、磁旋比大、信號強從而所得到的圖像質量高。測量所得到的信號強度和氫核密度緊密相關，人體或動物里各種組織間含水比例不同，從而含氫核數不同，得到的信號強度也有差異，利用這種差異作為特征量，就可以區分開各種組織。利用動物不同組織之間、正常組織與該組織中的病變組織之間氫核密度、弛豫時間T₁、T₂三個參數的差異，可以得到動物的不同成像。

二、MRI系統結構

MRI系統主要由高磁的靜磁場、梯度磁場、射頻系統和圖像重建系統組成。靜磁場又叫主磁場，臨床用的系統主要由1.5T和3.0T組成，小動物系統用的主磁場目前高達14.7T。梯度場可以分別產生和控制x、y、z三個磁場方向的梯度，從而實現層、頻率以及相位選擇從而實現信號的空間編碼。射頻系統包括射頻發生器和接收器，發生器產生短而強的射頻場，而接收器用來接收磁共振信號。這些接收到的模擬信號經過轉換器變成數字信號，然后經過圖像重建變成三維圖像。相對于CT、MRI具有無電離輻射損害，高軟組織分辨能力等獨特優點。

三、小動物MRI特點

對于核素和可見光成像，小動物MRI的優勢是具有微米級的高分辨率及無毒性。小動物MRI成像技術集中于發展高磁場，例如14.7T以及各種小動物專用的序列包括脈沖動脈自旋標記灌注成像、化學位移成像、螺旋和部分k空間成像以及抑制脂肪、預飽和、流量補償、磁化轉移和反轉恢復適用于標準的成像。另外，在探針方面也有了很大發展，如超微超順磁性氧化鐵（USPIO）可用于標記癌細胞、造血細胞、干細胞、吞噬細胞和胰島細胞等，非常適合追蹤正常細胞或癌細胞的生物學行為或轉移、代謝的規律；膜聯蛋白V順磁性氧化鐵顆粒被用來檢測凋亡細胞，因為凋亡細胞磷脂酰絲氨酸暴露在細胞表面，導致與其有高特異性結合的膜聯蛋白Ⅴ（annexin Ⅴ）的攝取增加。智能探針和靶向探針一樣有一特異靶點，但不同的是在和特異配體作用以后探針信號才改變，才可以被檢測出。

第三節　小動物PET/MR研究進展

小動物PET/CT提供了一種非侵入性的手段來研究小動物疾病模型，目前已用于很多生物醫學科研機構。MRI由于具有較好的軟組織分辨能力以及各種功能成像手段包括功能磁共振成像（fMRI）和磁共振波譜（MRS），其在神經、心臟和腫瘤方面的應用越來越廣泛。小動物PET/MR是一種全新的多模態成像系統，它能結合MRI的多種成像手段如灌注和擴散成像以及PET在評估生理和新陳代謝方面的卓越靈敏性。它在神經退化、特定癌癥、心臟病和干細胞研究方面具有很大潛力，為研究相應小動物疾病模型提供一站式掃描方式。由于傳統的光電倍增管在高磁場的環境下性能會失效，因此為了避免磁場影響，需要用光纖鏈接把磁場中的信號傳輸出來進一步處理，但光纖會導致光子的丟失和信號的損失從而降低圖像的分辨率。硅光電倍增管（SiPM）由于其優越的抗磁場能力，越來越廣泛用于一體化、同步掃描小動物PET/MR的PET系統。例如，首爾大學利用8個探測器模塊和硅光電倍增管制造了一臺小動物PET系統，這個PET系統在距離視野中心2mm處其空間分辨率可達到1mm。活體小動物實驗表明硅光電倍增管作為探測器的PET系統圖像質量非常清晰。

隨著新的PET/MR探測技術的發展，目前應用于人的TOF技術的PET/MR一體機已經應用于臨床，實現了兩種模態的同時、同步信號采集，應用小動物線圈也可以用于小動物成像研究。

（顏建華）

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