第十章　临床前分子影像仪器及应用进展

在过去的十年中，生物医学包括分子生物学，基因组学以及蛋白组学取得了巨大发展，许多疾病的重要调节途径已经确定，为攻克这些疾病奠定了基础。与此同时，非侵入性的成像技术也取得了长足进步。现在，CT或MRI能够在几秒钟或几分钟内完成对患者的全身扫描，并得到患者的高分辨率和高对比度的结构图像。通过注射造影剂以及动态扫描，CT和MRI也能够获得组织的血管形成、灌注以及渗透等功能信息。核医学成像（PET和SPECT）借助放射性核素标记的示踪剂能够进行功能成像，例如应用¹¹C、¹³N、¹⁵O和¹⁸F等标记的示踪剂能够对活体进行生理、生化和病理过程进行空间和时间上的显像，目前已经广泛用于临床。例如，¹⁸F标记的脱氧葡萄糖（¹⁸F-FDG）是一种葡萄糖类似物，其在人体内的分布情况反映体内细胞对葡萄糖的摄取和磷酸化，目前在临床上广泛用于肿瘤成像，以此达到精确诊断、分期以及疗效评估的目的。除了在临床上的应用，这些成像方式也广泛用于动物模型研究。动物模型是生物医学研究中重要的实验模型，它有助于更方便、更有效地认识人类疾病的发生和发展规律。由于模式动物例如小鼠和大鼠远比人小很多，因此需要开发专门针对这些小动物的扫描仪从而获取它们清晰的形态结构或功能，这些小动物专用成像仪也叫作临床前显像仪器。借助临床前分子影像，我们可以通过小动物疾病模型在非常早期阶段发现新的诊断或治疗药物，并促进向临床应用的转化研究，并帮助降低开发成本。例如，在一种新的药物用于人体前，必须有来自动物研究上积累的大量数据，包括剂量、药物的体内分布、药物注射和排出的路径以及毒性。在出现这些临床前影像仪器之前，这些临床前数据只能通过牺牲和解剖动物的组织并进行体外实验来获取。对于研发一种新的药物来说，可以借助临床前分子影像仪器的非侵入特性来研究药物动力学和药代动力学，从而可以填补临床前的药物研究到人体Ⅰ期临床试验的鸿沟，加速新药开发周期。由于临床前分子影像的非侵入性，它还能够针对同一个小动物进行疾病进展研究，对疾病的发生与发展过程以及致命因素进行评估。相比于小动物CT和MRI，小动物PET允许我们在不牺牲动物的前提下研究动物疾病的动态病理过程和分子机制。

第一节　小动物PET

一、PET成像原理

小动物PET和人体PET的成像原理是相同的，都是通过注射放射性核素标记药物到研究对象（人体或小动物），放射性核素在衰变过程中释放正电子，正电子在组织中运动一段距离之后与组织中的电子发生湮灭，这个运动的距离取决于正电子的能量，能量越高，其运动的范围就越大，例如¹⁸F衰变产生的正电子在水中的最大运动距离为1.0mm，而⁸²Rb衰变产生的正电子由于具有更高的能量，其在和电子湮灭之前运动距离更远，高达1.7mm。根据能量守恒定律，湮灭会产生两个反方向飞行的能量为511keV的γ光子。这些γ光子会被围绕在研究对象外面的探测器所捕获，然后经过光电转换以及各种物理因素校正，最后通过图像重建算法得到一个三维的放射性核素示踪剂分布图。通过动态扫描采集数据，还可以得到随时间变化的示踪剂分布图，如进一步采用和示踪剂相匹配的动力学参数模型建模，可以重构出具有生物学意义的参数图。

二、PET系统结构

PET核心技术主要是由探测器和重建系统组成。

1.探测器

晶体是整个PET系统的核心，它能将高能量γ光子转化为低能量的光子。理想的探测器应具备高阻止能力、高空间分辨率、高能量分辨率、高时间分辨率和造价便宜的特性。目前常用的晶体材料主要有锗酸铋（BGO）、掺铈的氧化正硅酸钆（GSO）、掺铈的氧化正硅酸镥（LSO）以及掺钇和铈的氧化正硅酸镥（LYSO），这些晶体各自具有不同的优势。BGO具有较大的原子序数和密度，使得它对γ光子具有很好的拦截能力和有效增加其敏感性，但它的余辉时间比较长（300ns），时间分辨率比较差，从而使得采集速度变慢，但BGO的成本较低。相对而言，GSO具有较短的余辉时间（60ns）和较高的能量分辨率，使得扫描的散射显著降低，其缺点就是光输出量低以及晶体易裂。LSO和LYSO都具有更短的余辉时间（40ns），从而具有很高的转化效率，因此适合快速采集。但由于镥产生一定本底计数，因而使得它在低剂量成像的情况下有一定的局限。无论采用哪种晶体，在设计的过程中都需要对空间分辨率和敏感性进行权衡考虑。目前PET晶体的环向尺寸约为4mm，轴向约为8mm，相应的空间分辨率能达到4mm。经过晶体转化后的低能量光子都需要通过光电转换成电信号传送到电子系统进一步处理，目前几乎所有的小动物PET系统均使用位敏型光电倍增管（PS-PMT）作为光电探测器。随着半导体技术的发展，硅光电倍增管（SiPM）作为一种新型的半导体光电探测器件正日益取代位敏型光电倍增管，且它具有很强的磁场兼容性以及结构紧凑的特点，是一种用于PET/MR的理想光电探测器。开发具有相互作用深度测量（depth of interaction，DOI）和飞行时间技术（time of flight，TOF）性能的探测器系统是未来的发展方向。DOI主要目的就是提供分辨率，而TOF主要目的是提高整个图像的信噪比。

2.重建系统

正电子和电子湮灭产生后的两个运动方向相反的γ光子，在经过一定的时间窗和能量窗甄别后形成一个“符合事件”。通过这种方式，可以得到探测器的位置信息而不需要物理准直器。在收集得到所有的“事件”之后，需要在重建前或在重建过程中进行各种物理因素校正，包括衰减校正、随机校正、散射校正以及探测器敏感性不一致校正等。如果这些物理因素没有经过合适的校正，那么就会严重影响PET的成像质量。PET图像重建算法分为解析法和迭代法两大类，其中解析法是以中心切片定理为基础的反投影方法。迭代法是基于最大似然估计的算法，其基本思想就是从初始估值出发，数值投影之后和测量得到的数据进行比较和反复修正，最终得到接近真实值的图像。目前，迭代法广泛用于临床和临床前PET系统。随着多模态成像技术的发展，我们可以借助高分辨的结构成像来提高PET图像分辨率和信噪比。另外也出现了很多专用的重建系统，例如具有呼吸运动校正功能的4维PET重建算法以及动力学参数重建算法。

三、小动物PET特点

尽管人体PET和小动物PET的成像原理相同，但是小动物PET系统有其独有的技术特点和挑战。在进行药物研发或病理研究的过程中，我们通常需要对小动物进行持续几十分钟到几个小时的动态扫描，为了减少因小动物运动所造成的伪影，显像时需要对小动物进行全程麻醉。另外，由于小动物的组织结构很小，其生理状态容易受到成像环境的影响，因此为了保持PET测量数据的可靠性和重复性，特别是在测量生理参数如血流和神经受体密度时，必须严格控制热源以确保所研究动物的动态平衡，例如通过灯光来维持动物的温度。当研究动物在不同阶段成像时，需要通过一些特定的设备来固定动物以尽量保持它们在同一扫描位置。

给小动物注射的示踪剂的剂量必须足够低到不能影响它们的生理状态，同时又要保证图像质量。一般而言，注射的示踪剂不能超过其作用对象占有率的1%，这是因为示踪剂的比活度（Bq/g）通常是固定的，因此所允许注射的剂量有限制。例如，当用¹¹C标记的Raclopride来进行D2多巴胺神经受体显像时，给小鼠和大鼠注射的剂量分别不能超过0.3MBq和5.2MBq。另外一种限制就是注射量应小于动物总血量的10%，对于小鼠和大鼠来说，其对应的体积为2.5ml和30ml。

PET扫描仪的空间分辨率主要取决于四个因素：探测器的晶体大小、探测器解码方式、正电子在发射之后以及和电子发生湮灭之前的运动距离以及湮灭产生的两个光子的共线性。通过探测器的解码方案可以决定光子和探测器相互作用的位置，随着技术的发展，目前小动物PET的空间分辨率能达到1mm。目前高分辨率的小动物PET系统得益于使用长而细的探测器晶体，但这种长而细的晶体的缺点就是光子有很高的概率是从相邻晶体穿透过来的。图10-1显示当光子被180°（头对头）探测器所捕获时，其响应带（灰色区域）比较窄，而对应于非180°角的倾斜投影时，相应的探测器响应带变宽。在没有点扩散函数校正的情况下，分辨率很难提高，这也是扫描仪整个空间分辨率不均一的最重要原因。

一个典型的小鼠重量大约为25g，相比于中等重量的人体来说（75kg），其体重和大小只有人的1/3 000和1/15。而大鼠一般重量为300g，其体重和大小只有人类的1/250和1/6。目前临床用的全身PET系统分辨率在6mm左右，如果我们想看清小动物中同样的组织结构，相应的小动物扫描仪的分辨率对于小鼠和大鼠来说期望在0.4mm和1mm。目前市场上的小动物PET分辨率能达到1mm左右，因此更适合扫描大鼠，而对于小鼠来说，我们需要开发分辨率更高的小动物PET。

另外，目前在进行小动物扫描成像时，大多数情况下需要对小动物进行全身麻醉或固定，以避免由于躯体运动所造成图像模糊。但这种全身麻醉或固定会引起小动物生理紊乱，在这种情况下所测量得到的放射性药物浓度分布可能和自然状态下测量得到的分布不一样，尤其是对于神经系统。布鲁克海文国家实验室开发的RatCAP是一种便携式的小动物PET扫描仪，专门用于大鼠在清醒状态下的PET神经显像。该RatCAP扫描仪是一种小型的具有完整环的PET系统，其重量为250g，内径为28mm，外径为80mm，轴向视野长度为25mm。在研究大鼠的神经活动时，扫描仪固定在眼睛和耳朵之间。该扫描仪整个视野的空间分辨率小于2mm，探测器的敏感性在0.76%。该PET系统采用的晶体是硅酸钇镥（LYSO），光电转换器采用的是雪崩光电二极管固态光电转换器（APD）。大鼠在扫描的过程中可以自由活动。

第二节　小动物MRI

一、MR成像原理

正如小动物PET和人体PET成像原理一样，小动物MRI和人体MRI的成像原理也是一致。通常情况下，原子核自旋轴的排列是无规律的，当施加磁场时，核自旋空间取向就会从无序变成有序，此时磁化强度达到稳定值。如果进一步施加一定频率的射频脉冲，原子核会发生进动，吸收与原子核进动频率相同的射频脉冲，此时核自旋系统就会引起共振效应。在撤销射频脉冲之后，原子核就不能维持高能量状态，在释放出能量的时候，同时向磁场中原来的排列状态过渡，这些释放的能量就可以转化为射电信号，然后被探测器检测并通过成像算法绘制出物体内部的结构图像。氢核是MR成像的首选，这是因为人体或动物各种组织中含有大量的水和碳氢化合物，氢核的磁共振灵活度高、磁旋比大、信号强从而所得到的图像质量高。测量所得到的信号强度和氢核密度紧密相关，人体或动物里各种组织间含水比例不同，从而含氢核数不同，得到的信号强度也有差异，利用这种差异作为特征量，就可以区分开各种组织。利用动物不同组织之间、正常组织与该组织中的病变组织之间氢核密度、弛豫时间T₁、T₂三个参数的差异，可以得到动物的不同成像。

二、MRI系统结构

MRI系统主要由高磁的静磁场、梯度磁场、射频系统和图像重建系统组成。静磁场又叫主磁场，临床用的系统主要由1.5T和3.0T组成，小动物系统用的主磁场目前高达14.7T。梯度场可以分别产生和控制x、y、z三个磁场方向的梯度，从而实现层、频率以及相位选择从而实现信号的空间编码。射频系统包括射频发生器和接收器，发生器产生短而强的射频场，而接收器用来接收磁共振信号。这些接收到的模拟信号经过转换器变成数字信号，然后经过图像重建变成三维图像。相对于CT、MRI具有无电离辐射损害，高软组织分辨能力等独特优点。

三、小动物MRI特点

对于核素和可见光成像，小动物MRI的优势是具有微米级的高分辨率及无毒性。小动物MRI成像技术集中于发展高磁场，例如14.7T以及各种小动物专用的序列包括脉冲动脉自旋标记灌注成像、化学位移成像、螺旋和部分k空间成像以及抑制脂肪、预饱和、流量补偿、磁化转移和反转恢复适用于标准的成像。另外，在探针方面也有了很大发展，如超微超顺磁性氧化铁（USPIO）可用于标记癌细胞、造血细胞、干细胞、吞噬细胞和胰岛细胞等，非常适合追踪正常细胞或癌细胞的生物学行为或转移、代谢的规律；膜联蛋白V顺磁性氧化铁颗粒被用来检测凋亡细胞，因为凋亡细胞磷脂酰丝氨酸暴露在细胞表面，导致与其有高特异性结合的膜联蛋白Ⅴ（annexin Ⅴ）的摄取增加。智能探针和靶向探针一样有一特异靶点，但不同的是在和特异配体作用以后探针信号才改变，才可以被检测出。

第三节　小动物PET/MR研究进展

小动物PET/CT提供了一种非侵入性的手段来研究小动物疾病模型，目前已用于很多生物医学科研机构。MRI由于具有较好的软组织分辨能力以及各种功能成像手段包括功能磁共振成像（fMRI）和磁共振波谱（MRS），其在神经、心脏和肿瘤方面的应用越来越广泛。小动物PET/MR是一种全新的多模态成像系统，它能结合MRI的多种成像手段如灌注和扩散成像以及PET在评估生理和新陈代谢方面的卓越灵敏性。它在神经退化、特定癌症、心脏病和干细胞研究方面具有很大潜力，为研究相应小动物疾病模型提供一站式扫描方式。由于传统的光电倍增管在高磁场的环境下性能会失效，因此为了避免磁场影响，需要用光纤链接把磁场中的信号传输出来进一步处理，但光纤会导致光子的丢失和信号的损失从而降低图像的分辨率。硅光电倍增管（SiPM）由于其优越的抗磁场能力，越来越广泛用于一体化、同步扫描小动物PET/MR的PET系统。例如，首尔大学利用8个探测器模块和硅光电倍增管制造了一台小动物PET系统，这个PET系统在距离视野中心2mm处其空间分辨率可达到1mm。活体小动物实验表明硅光电倍增管作为探测器的PET系统图像质量非常清晰。

随着新的PET/MR探测技术的发展，目前应用于人的TOF技术的PET/MR一体机已经应用于临床，实现了两种模态的同时、同步信号采集，应用小动物线圈也可以用于小动物成像研究。

（颜建华）

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