世纪之交谈“成像”
作者：庄天戈教授
单位：上海交通大学 (200030)
关键词：
编者按 编者按：以知识经济为主要特征的二十一世纪即将来临。值此世纪之交，展望与人类健康息息相关的医疗仪器的发展，意义深长，很有必要。随着物质世界的日益丰富，人们的需求已从求温饱提高到求健康，希冀高质量的生活。在现代科学技术基础上发展起来的医疗仪器，新世纪将会有什么重大进展和突破，为人类的健康和延长生命作出何种贡献，将是世人瞩目的焦点之一。为此，本刊特辟此栏，首先约请国内一些资深专业人士，撰文展望新世纪的医学成像等技术。以成像技术为主的国内医械如何发展，不止先生的报导确为有识之士的真知灼见。与此同时，编辑部还编译了美国FDA一个机构的调研报告，介绍了新世纪起始十年将迅速发展的医疗技术和产品，在本栏一并刊出，以飨读者。
20世纪的最后一本日历已经启封，21世纪的脚步声已隐约可闻，在这新老世纪的“接口”处，让我们对医学成像作一回顾与前瞻。
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媒体报导：人类期望寿命已从1900年的50岁左右，提高到现在的70～80岁。这廿多年的寿命增幅，医疗技术的进步包括医学成像技术的发展自属功不可没。可以说，整个20世纪记录了医学成像系统从孕育、成长到发展的全过程。需要指出的是，每一新的医学成像概念的形成都是以物理学的新发现为前提的：
1895年伦琴X射线的发现导致了X射线成像技术的问世；
1896年贝克勒尔发现铀的放射性质以及随后居里夫妇发现镭与钋这两种新放射性元素为核医学成像奠定了基础；
1917年朗之万发射超声成功才有今日B超成像的辉煌。
1946年布洛赫与伯塞尔核磁共振现象的发现孕育了磁共振成像装置的诞生。
每一种成像技术的发展、完善与实用化(产业化)都与工程技术特别是信息技术、微电子技术以及计算技术的发展密切相关。在这一空间中，与工程技术相关的科学工作者(包括数学)大有用武之地。Hounsfield发明CT就是工程技术人员应用计算机技术与信息技术开创一代新型成像系统的典范。在新的世纪中我们应关注物理学的每一成就，充分利用工程技术的发展成果，开创新的医学成像系统并将现有医学成像技术推向新的高度。
, 百拇医药
沿着20世纪医学成像发展的轨迹，让我们预测21世纪医学成像技术的前景：
1. X射线成像领域。人们将充分应用平板薄膜晶体管(TFT)技术(有源阵列)制成“高分辨力实时成像板”，使X射线摄影彻底实现无胶片化。正在开发的有两种类型：间接型与直接型。所谓间接型是指入射X射线先与CsI:T1荧光屏作用变为荧光，然后通过有源阵列检测并输出电信号。有源阵列中对应于每一象素有一非晶硅(a-Si)光敏二极管(用来将光转换为电荷沉积)及非晶硅薄膜晶体管开关，通过电子线路将开关选通，快速读出。直接型则是让入射X射线通过非晶硒(a-Se)层(而非荧光屏)直接转换成电荷沉积，由薄膜晶体管开关经由电子线路选通读出。它的原理与干板静电摄影相似，只是借助于有源阵列读出而不像干板静电摄影那样靠带电粉粒显影，从而达到瞬时输出。间接型的缺点是结构性CsI的制造工艺较直接型的非晶硒均匀层的制造工艺复杂，且需要光敏二极管。直接型的缺点是要外加数千伏高压，对薄膜晶体管开关形成极大威胁，必须在结构工艺上采取措施。目前间接型已制成1536×1920象素阵，象素节距为127μm，成像尺寸为19.5cm×24.4cm，预计到21世纪初可得28×106象素阵，象素节距为50μm，成像尺寸达30cm×40cm，可用于乳腺检查。由于静电X射线图象转换器的优良特性，可使直接型的分辨力及整体质量高于间接型，可以满怀信心地预测在21世纪初必将有高性能的实时成像板问世。加上HDTV及相应的高分辨力显示器的普及，届时CR将退出历史舞台，影象增强器将送入博物馆，X线胶片可被彻底革除；直接三维成像系统(体CT)也会随之推出；全数字化放射成像时代真正到来；PACS将成为21世纪医院的常规系统。这将会是放射医学的一次革命性变化，多诱人的前景!
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2. 磁共振成像领域。近20年来发展极快。脑影像的分辨力在常规扫描时间下，提高了数千倍。在显微成像中，分辨力达50μm～10μm。今后还将有大幅度提高。
动态成像或实时成像包括功能成像仍是未来世纪的研究方向。其可能应用首先是血流成像。利用“飞行时间”效应或“相位对比度”以生成造影图，用以测量血流速度的空间分布、大小及方向。工作时先施一种极性的血流编码梯度脉冲，再施相反极性的血流编码梯度脉冲，分别获取数据后经处理求得。借此还可测得药物干预对血管壁顺应性的影响。在三维空间中快速测量瞬时血流速度，将是21世纪的研究课题。动态成像的另一个应用是“扩散成像”。用NMR研究分子扩散，始于本世纪五十年代。近年发现分子扩散系数可敏感地表征中风等病理过程，由此为诊断中风损伤程度提供了一种新手段。扩散系数的测量是基于在磁场梯度作用下自旋的不可逆相移。重要的是由于扩散与温度有关，据此可用较高精度无创地测得体内温度的变化。这在用干预磁共振成像系统监视介入过程中特别有用。这些方面也将是21世纪继续研究的对象。
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功能成像是近期磁共振成像最重要的进展。最初由贝尔实验室的Seiji Ogawa提出并由威斯康星医学院、麻省总医院、米尼苏达大学等研究人员用于测定大脑皮层动能。常称为fMRI。其基本原理是：红血球中的脱氧血红蛋白充当了血管内天然的顺磁性造影剂。含脱氧血红蛋白的血管置于磁场中时其周围的磁场发生改变。脱氧血红蛋白浓度越高，磁场影响越大，可藉T2或T*2加权图象看出。fMRI的一个成功应用是用外面造影剂或内生的血氧度相关效应(BOLD)描述视觉皮层的活动。必须用快速成像方法，以跟随活动过程。
动态成像在技术方面的研究，集中在两个方面。一是脉冲序列，一是重建算法。两者又有联系。一种重要的快速重建算法是回波平面成像——EPI，可在20ms～100ms内采集图像。EPI最初由Mansfield于1977年提出，直至最近才付诸实用。分辨力达2mm。在EPI中，整个磁共振图像在一次射频脉冲作用下编码。该法在小直径成像系统中容易实现，但如何将它推广为大直径成像系统将是重要的研究课题。由于在EPI梯度线圈中，电流变化极快需研究无力矩、低噪声的适形线圈。此外，为达到成功的fMRI，数据获取系统需高度同步：在整个工作过程中每次采集脉冲与采集起始瞬间时间的配合精度应在±100ns之内。这些都属挑战性的课题。但EPI不管如何快速，无法跟随成像平面的运动。因而有回波体积成像——EVI。该法由Mansfield于1989年提出，并在1994年获得第一张脑部图像。预期EVI可用于动态三维成像。在提高速度的同时，改进分辩力和信噪比SNR是今后的研究方向。
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总之，磁共振成像在21世纪中仍将是最为活跃的研究领域。除ρ,T1，T2等成像参数外，新的成像参数的研究也是发展的方向。例如最近报导的利用“分子间零量子相干”(IZQC)这一参数在功能成像方面可获得更强的对比度。此外，在研究识别分子三维结构等方面磁共振成像也将大有可为，目前已有研究DNA的新型NMR装置问世。
3. 光学CT。这也将是21世纪继续研究的领域。这一领域在20世纪后期开始启动。利用近红外或红外波段的光进行断层成像。有二种主要模式，一种是所谓“先到断层成像”(FAT)，它是对先期到达检测器尚未经受散射的光子进行断层成像。其重建算法与X-CT算法类似。缺点是在给定光脉冲下只有少数光子属先到光子，太少了。可能的应用是用于乳腺检查。另一种模式是“光子迁移成像”(PMI)。它是利用多次散射光子进行成像，可将检测器放在发射源同侧。由于检测到的光子经过的路径不是直线，故测量值不能用沿直线的线积分表示，重建方法不能套用X-CT的方法。特别是，重建模型本质上应是三维的，因为散射不可能局限于平面之内，这样计算工作量大。PMI算法远非成熟。光学CT的可能医学应用是检测血红蛋白，临床上用于体内出血检测，可用于普查。与X-CT及MRI相比，装置简单，成本低廉、运行安全，但分辨力较低。需指出的是光学CT只能是其它成像模式的补充而不是代替。它的临床实现还有一段漫长路程要走。这一研究将延伸至21世纪。
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医学成像的其他模式如X-CT、SPECT、PET、电阻抗成像、磁性源成像、电性源成像、超声成像都将会在21世纪继续发展，但以笔者所见最具革命性的、最有发展前途的仍属以X线实时高分辨成像板为核心的放射成像及具有无穷魅力的MRI。
另外有一个趋势也值得注意，这就是把两种成像模式合在一起。如将X-CT与SPECT集成在同一装置或将SPECT与磁共振合在一个系统内。随着治疗技术的计算机化，为了准确地确定病灶已有产品将治疗设备与诊断装置融为一体。典型的有GE公司生产的所谓MRT(磁共振治疗系统)。这一系统先对病人进行诊断，同时引导激光或超声手术器械直接作用于病灶而不影响健康组织，提高了定位精度并缩短了治疗周期。首台MRT已安装在波斯顿妇女医院。
站在世纪之交点，回顾即将逝去的百年，瞻望未来的世纪，完全有理由说医学成像成绩辉煌，医学成像大有可为!, 百拇医药
单位：上海交通大学 (200030)
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编者按 编者按：以知识经济为主要特征的二十一世纪即将来临。值此世纪之交，展望与人类健康息息相关的医疗仪器的发展，意义深长，很有必要。随着物质世界的日益丰富，人们的需求已从求温饱提高到求健康，希冀高质量的生活。在现代科学技术基础上发展起来的医疗仪器，新世纪将会有什么重大进展和突破，为人类的健康和延长生命作出何种贡献，将是世人瞩目的焦点之一。为此，本刊特辟此栏，首先约请国内一些资深专业人士，撰文展望新世纪的医学成像等技术。以成像技术为主的国内医械如何发展，不止先生的报导确为有识之士的真知灼见。与此同时，编辑部还编译了美国FDA一个机构的调研报告，介绍了新世纪起始十年将迅速发展的医疗技术和产品，在本栏一并刊出，以飨读者。
20世纪的最后一本日历已经启封，21世纪的脚步声已隐约可闻，在这新老世纪的“接口”处，让我们对医学成像作一回顾与前瞻。
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媒体报导：人类期望寿命已从1900年的50岁左右，提高到现在的70～80岁。这廿多年的寿命增幅，医疗技术的进步包括医学成像技术的发展自属功不可没。可以说，整个20世纪记录了医学成像系统从孕育、成长到发展的全过程。需要指出的是，每一新的医学成像概念的形成都是以物理学的新发现为前提的：
1895年伦琴X射线的发现导致了X射线成像技术的问世；
1896年贝克勒尔发现铀的放射性质以及随后居里夫妇发现镭与钋这两种新放射性元素为核医学成像奠定了基础；
1917年朗之万发射超声成功才有今日B超成像的辉煌。
1946年布洛赫与伯塞尔核磁共振现象的发现孕育了磁共振成像装置的诞生。
每一种成像技术的发展、完善与实用化(产业化)都与工程技术特别是信息技术、微电子技术以及计算技术的发展密切相关。在这一空间中，与工程技术相关的科学工作者(包括数学)大有用武之地。Hounsfield发明CT就是工程技术人员应用计算机技术与信息技术开创一代新型成像系统的典范。在新的世纪中我们应关注物理学的每一成就，充分利用工程技术的发展成果，开创新的医学成像系统并将现有医学成像技术推向新的高度。
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沿着20世纪医学成像发展的轨迹，让我们预测21世纪医学成像技术的前景：
1. X射线成像领域。人们将充分应用平板薄膜晶体管(TFT)技术(有源阵列)制成“高分辨力实时成像板”，使X射线摄影彻底实现无胶片化。正在开发的有两种类型：间接型与直接型。所谓间接型是指入射X射线先与CsI:T1荧光屏作用变为荧光，然后通过有源阵列检测并输出电信号。有源阵列中对应于每一象素有一非晶硅(a-Si)光敏二极管(用来将光转换为电荷沉积)及非晶硅薄膜晶体管开关，通过电子线路将开关选通，快速读出。直接型则是让入射X射线通过非晶硒(a-Se)层(而非荧光屏)直接转换成电荷沉积，由薄膜晶体管开关经由电子线路选通读出。它的原理与干板静电摄影相似，只是借助于有源阵列读出而不像干板静电摄影那样靠带电粉粒显影，从而达到瞬时输出。间接型的缺点是结构性CsI的制造工艺较直接型的非晶硒均匀层的制造工艺复杂，且需要光敏二极管。直接型的缺点是要外加数千伏高压，对薄膜晶体管开关形成极大威胁，必须在结构工艺上采取措施。目前间接型已制成1536×1920象素阵，象素节距为127μm，成像尺寸为19.5cm×24.4cm，预计到21世纪初可得28×106象素阵，象素节距为50μm，成像尺寸达30cm×40cm，可用于乳腺检查。由于静电X射线图象转换器的优良特性，可使直接型的分辨力及整体质量高于间接型，可以满怀信心地预测在21世纪初必将有高性能的实时成像板问世。加上HDTV及相应的高分辨力显示器的普及，届时CR将退出历史舞台，影象增强器将送入博物馆，X线胶片可被彻底革除；直接三维成像系统(体CT)也会随之推出；全数字化放射成像时代真正到来；PACS将成为21世纪医院的常规系统。这将会是放射医学的一次革命性变化，多诱人的前景!
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2. 磁共振成像领域。近20年来发展极快。脑影像的分辨力在常规扫描时间下，提高了数千倍。在显微成像中，分辨力达50μm～10μm。今后还将有大幅度提高。
动态成像或实时成像包括功能成像仍是未来世纪的研究方向。其可能应用首先是血流成像。利用“飞行时间”效应或“相位对比度”以生成造影图，用以测量血流速度的空间分布、大小及方向。工作时先施一种极性的血流编码梯度脉冲，再施相反极性的血流编码梯度脉冲，分别获取数据后经处理求得。借此还可测得药物干预对血管壁顺应性的影响。在三维空间中快速测量瞬时血流速度，将是21世纪的研究课题。动态成像的另一个应用是“扩散成像”。用NMR研究分子扩散，始于本世纪五十年代。近年发现分子扩散系数可敏感地表征中风等病理过程，由此为诊断中风损伤程度提供了一种新手段。扩散系数的测量是基于在磁场梯度作用下自旋的不可逆相移。重要的是由于扩散与温度有关，据此可用较高精度无创地测得体内温度的变化。这在用干预磁共振成像系统监视介入过程中特别有用。这些方面也将是21世纪继续研究的对象。
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功能成像是近期磁共振成像最重要的进展。最初由贝尔实验室的Seiji Ogawa提出并由威斯康星医学院、麻省总医院、米尼苏达大学等研究人员用于测定大脑皮层动能。常称为fMRI。其基本原理是：红血球中的脱氧血红蛋白充当了血管内天然的顺磁性造影剂。含脱氧血红蛋白的血管置于磁场中时其周围的磁场发生改变。脱氧血红蛋白浓度越高，磁场影响越大，可藉T2或T*2加权图象看出。fMRI的一个成功应用是用外面造影剂或内生的血氧度相关效应(BOLD)描述视觉皮层的活动。必须用快速成像方法，以跟随活动过程。
动态成像在技术方面的研究，集中在两个方面。一是脉冲序列，一是重建算法。两者又有联系。一种重要的快速重建算法是回波平面成像——EPI，可在20ms～100ms内采集图像。EPI最初由Mansfield于1977年提出，直至最近才付诸实用。分辨力达2mm。在EPI中，整个磁共振图像在一次射频脉冲作用下编码。该法在小直径成像系统中容易实现，但如何将它推广为大直径成像系统将是重要的研究课题。由于在EPI梯度线圈中，电流变化极快需研究无力矩、低噪声的适形线圈。此外，为达到成功的fMRI，数据获取系统需高度同步：在整个工作过程中每次采集脉冲与采集起始瞬间时间的配合精度应在±100ns之内。这些都属挑战性的课题。但EPI不管如何快速，无法跟随成像平面的运动。因而有回波体积成像——EVI。该法由Mansfield于1989年提出，并在1994年获得第一张脑部图像。预期EVI可用于动态三维成像。在提高速度的同时，改进分辩力和信噪比SNR是今后的研究方向。
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总之，磁共振成像在21世纪中仍将是最为活跃的研究领域。除ρ,T1，T2等成像参数外，新的成像参数的研究也是发展的方向。例如最近报导的利用“分子间零量子相干”(IZQC)这一参数在功能成像方面可获得更强的对比度。此外，在研究识别分子三维结构等方面磁共振成像也将大有可为，目前已有研究DNA的新型NMR装置问世。
3. 光学CT。这也将是21世纪继续研究的领域。这一领域在20世纪后期开始启动。利用近红外或红外波段的光进行断层成像。有二种主要模式，一种是所谓“先到断层成像”(FAT)，它是对先期到达检测器尚未经受散射的光子进行断层成像。其重建算法与X-CT算法类似。缺点是在给定光脉冲下只有少数光子属先到光子，太少了。可能的应用是用于乳腺检查。另一种模式是“光子迁移成像”(PMI)。它是利用多次散射光子进行成像，可将检测器放在发射源同侧。由于检测到的光子经过的路径不是直线，故测量值不能用沿直线的线积分表示，重建方法不能套用X-CT的方法。特别是，重建模型本质上应是三维的，因为散射不可能局限于平面之内，这样计算工作量大。PMI算法远非成熟。光学CT的可能医学应用是检测血红蛋白，临床上用于体内出血检测，可用于普查。与X-CT及MRI相比，装置简单，成本低廉、运行安全，但分辨力较低。需指出的是光学CT只能是其它成像模式的补充而不是代替。它的临床实现还有一段漫长路程要走。这一研究将延伸至21世纪。
, http://www.100md.com
医学成像的其他模式如X-CT、SPECT、PET、电阻抗成像、磁性源成像、电性源成像、超声成像都将会在21世纪继续发展，但以笔者所见最具革命性的、最有发展前途的仍属以X线实时高分辨成像板为核心的放射成像及具有无穷魅力的MRI。
另外有一个趋势也值得注意，这就是把两种成像模式合在一起。如将X-CT与SPECT集成在同一装置或将SPECT与磁共振合在一个系统内。随着治疗技术的计算机化，为了准确地确定病灶已有产品将治疗设备与诊断装置融为一体。典型的有GE公司生产的所谓MRT(磁共振治疗系统)。这一系统先对病人进行诊断，同时引导激光或超声手术器械直接作用于病灶而不影响健康组织，提高了定位精度并缩短了治疗周期。首台MRT已安装在波斯顿妇女医院。
站在世纪之交点，回顾即将逝去的百年，瞻望未来的世纪，完全有理由说医学成像成绩辉煌，医学成像大有可为!, 百拇医药