功能與分子影像學(xué)概念和進(jìn)展課件

1、功能與分子影像學(xué)概念和進(jìn)展功能與分子影像學(xué)概念和進(jìn)展一、飛速發(fā)展的醫(yī)學(xué)影像學(xué)二、對生命本質(zhì)的認(rèn)識(shí)三、醫(yī)學(xué)影像學(xué)發(fā)展方向功能與分 子影像學(xué)1、功能影像學(xué)概念及其應(yīng)用2、分子影像學(xué)概念及其應(yīng)用3、基因影像學(xué)概念及其應(yīng)用四、分子影像學(xué)值得注意的幾個(gè)問題五、分子影像學(xué)的技術(shù)問題一、飛速發(fā)展的醫(yī)學(xué)影像學(xué)一、飛速發(fā)展的醫(yī)學(xué)影像學(xué)一、飛速發(fā)展的醫(yī)學(xué)影像學(xué)1895年11月8日永遠(yuǎn)值得紀(jì)念的日子德國物理學(xué)家威廉.倫琴（18451923）獲1901年Nobel獎(jiǎng)1895年11月8日德國物理學(xué)家威廉.倫琴X線計(jì)算機(jī)體層攝影（CT）1969年設(shè)計(jì)成功1972年公諸于世1979年獲Nobel獎(jiǎng)英國工程師C.N. Hou

2、nsfieldX線計(jì)算機(jī)體層攝影（CT）1969年設(shè)計(jì)成功英國工程師C.N磁共振成像（MRI）Edward PurcellFelix Bloch1952年同獲Nobel獎(jiǎng)磁共振成像（MRI）Edward PurcellFelix Seldinger技術(shù)Sven-Ivar Seldinger獲1956年Nobel獎(jiǎng)Seldinger技術(shù)Sven-Ivar Seldinger功能與分子影像學(xué)概念和進(jìn)展Anatomic imagingAnatomic imaging解剖影像之完美解剖影像之完美Anatomic and functional imagingAnatomic and functional

3、 imagin二、對生命本質(zhì)的認(rèn)識(shí)二、對生命本質(zhì)的認(rèn)識(shí)DNADNA功能與分子影像學(xué)概念和進(jìn)展功能與分子影像學(xué)概念和進(jìn)展功能與分子影像學(xué)概念和進(jìn)展細(xì)胞的奧秘細(xì)胞的奧秘器官合成：神經(jīng)管發(fā)育器官合成：神經(jīng)管發(fā)育How to do?How to do?三、醫(yī)學(xué)影像學(xué)發(fā)展方向： 功能與分子影像學(xué)三、醫(yī)學(xué)影像學(xué)發(fā)展方向： 功能與分子影像學(xué)各學(xué)科的交叉點(diǎn)功能與分子影像學(xué)生物學(xué)物理學(xué)信息技術(shù)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)化學(xué)、藥學(xué)臨床醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)各學(xué)科的交叉點(diǎn)功能與分子影像學(xué)生物學(xué)物理學(xué)信息技術(shù)醫(yī)學(xué)影像技A Definition of Functional and Molecular ImagingSource: R. We

4、issleder, MGHRadiology, 1999Organ LevelTissue Level Cellular LevelGenetic LevelMoving from Imaging todays anatomical & functional targetsDetection,Tumor BurdenAngiogenesisGrowth kineticsDrug deliveryTumor markersDrug TargetingGenetic mutationsGene Therapy to Imaging tomorrows more specific disease t

5、argetsTodayT o m o r r o w A Definition of Functional and（一）、功能影像學(xué)概念及其應(yīng)用（一）、功能影像學(xué)概念及其應(yīng)用 定義：“利用影像手段顯示組織和器官 的功能變化”，包括： MRI: 彌散成像、彌散張量成像、灌 注成像、腦功能定位成像 （Bold-fMRI）； CT： 灌注成像； 定義：“利用影像手段顯示組織和器官 的功能變化”，PET-CT: 灌注成像，它以18-F 、11-C、13- N、15-O及其它許多被標(biāo)記的化合 物進(jìn)行腦和心肌血流灌注的顯像；SPECT： 主要包括局部腦血流(regional cerebral blood

6、flow，rCBF)和心 肌灌注顯像;US： 心血管及部分器官血管的動(dòng)態(tài)觀察。PET-CT: 灌注成像，它以18-F 、11-C、13-1、磁共振功能成像(functional magnetic resonance imaging，fMRl) 依成像原理，廣義的fMRI可分為三類：第一類：彌散基礎(chǔ)上(diffusionbased)的fMRl，可檢測腦等實(shí)質(zhì)性器官水的變化。1、磁共振功能成像(functional magnetic 彌散成像 腦梗塞T2水抑制 DWI彌散成像 彌散成像腦梗塞彌散加權(quán)ADC/EADC腦梗塞彌散加權(quán)ADC/EADC發(fā)病3小時(shí)的腦卒中-T2WI、DWI發(fā)病3小時(shí)的腦卒中

7、-T2WI、DWI各向異性圖ADC 圖彌散張量（DTI）：各向異性圖各向異性圖ADC 圖彌散張量（DTI）：各向異性圖彌散張量各向異性圖：顯示腦灰 白質(zhì)走行和分部Genu CCInt. Cap.SpleniumExt. Cap.ThalamusOptic Radiations彌散張量各向異性圖：顯示腦灰 白質(zhì)走行和分部Ge彌散張量3D成像顯示正常皮質(zhì)纖維束及其與腫瘤的關(guān)系彌散張量3D成像顯示正常皮質(zhì)纖維束及其與腫瘤的關(guān)系彌散張量3D成像：左頂葉腦腫瘤患者，可見患側(cè)病變區(qū)纖維束受壓移位，但未見明顯中斷（側(cè)位）彌散張量3D成像：左頂葉腦腫瘤患者，可見患側(cè)病變區(qū)纖維束受壓彌散張量圖與腦功能成像融合彌

8、散張量圖：顯示白質(zhì)束與語言表達(dá)功能中樞圖像融合彌散張量圖與腦功能成像融合彌散張量圖：顯示白質(zhì)束與語言表達(dá)功肝臟及腹部多發(fā)轉(zhuǎn)移(DWI)肝臟及腹部多發(fā)轉(zhuǎn)移(DWI)全脊柱骨轉(zhuǎn)移：全身彌散 （類PET成像）全脊柱骨轉(zhuǎn)移：全身彌散 （類PET成像）第二類: 灌注基礎(chǔ)上(perfusion based)的fMRI，以MRI造影劑在腦和其它實(shí)質(zhì)性器官血管內(nèi)分布時(shí)間的過程來觀察功能變化，觀察指標(biāo)：血流量（BF）、血容量（BV）、平均通過時(shí)間（MTT）、首過斜率（FS）、時(shí)間峰值（TP）等。第二類: 灌注基礎(chǔ)上(perfusion based)的灌注成像動(dòng)態(tài)灌注成像 負(fù)性增強(qiáng)圖 (NEI) rCBV 灌注成

9、像動(dòng)態(tài)灌注成像 負(fù)性增強(qiáng)圖 右側(cè)大腦半球梗塞后2小時(shí)，MR灌注成像右側(cè)大腦半球梗塞后2小時(shí)，動(dòng)態(tài)灌注成像:平均通過時(shí)間（MTT）動(dòng)態(tài)灌注成像:平均通過時(shí)間（MTT）膠質(zhì)母細(xì)胞瘤灌注成像 （WHO 級(jí)）膠質(zhì)母細(xì)胞瘤灌注成像 （WHO 級(jí)）乳腺癌MR灌注成像乳腺癌MR灌注成像乳腺良性病變MR灌注成像曲線：綠色為正常乳腺組織 、粉色為乳腺纖維腺瘤均表現(xiàn)為相對低的對比劑吸收，對比劑的流入、流出較緩慢。乳腺良性病變MR灌注成像曲線：綠色為正常乳腺組織 、粉色為乳3D容積動(dòng)態(tài)增強(qiáng)技術(shù)序列 肝A期 門V期 延遲期3D容積動(dòng)態(tài)增強(qiáng)技術(shù)序列 肝A期 門V期 心臟運(yùn)動(dòng)功能檢查 白血技術(shù)心臟運(yùn)動(dòng)功能檢查 白血技術(shù)心

10、臟形態(tài)學(xué)檢查 黑血技術(shù) 心臟形態(tài)學(xué)檢查 黑血技術(shù) Cardiac Function:FIESTA-CINECardiac Function:FIESTA-CINECoronary MRA - High Resolution 3D Spiral ImagingRCA - . 8mm pixel resolution LCA - . 8mm pixel resolution Coronary MRA - High Resolution肺動(dòng)脈灌注肺動(dòng)脈灌注第三類：血氧水平基礎(chǔ)上的腦功能成像(blood oxygenation level based-fMRI),如血氧水平依賴性腦功能成像(blood

11、 oxygenation level dependent，BOLDfMRI) 、動(dòng)脈自旋標(biāo)記（ASL）。是磁共振研究最熱門的領(lǐng)域之一。 第三類：血氧水平基礎(chǔ)上的腦功能成像(blood oxygen血氧水平依賴性腦功能(Bold-fMRI)血氧水平依賴性腦功能(Bold-fMRI)腦功能成像(Bold-fMRI)腦功能成像(Bold-fMRI)fMRI-大腦皮層定位fMRI-大腦皮層定位正常被試視覺刺激激活腦區(qū)正常被試視覺刺激激活腦區(qū)焦慮、抑郁、躁狂焦慮、抑郁、躁狂3.0T MRI評(píng)價(jià)癡呆正常人癡呆患者3.0T MRI評(píng)價(jià)癡呆正常人癡呆患者精神分裂癥患者大腦功能變化:與對照組比較腦灰質(zhì)明顯減少精

12、神分裂癥患者腦功能變化正常人腦功能變化精神分裂癥患者大腦功能變化:與對照組比較腦灰質(zhì)明顯減少精神左頂部腦膜瘤ASL（內(nèi)源性灌注）左頂部腦膜瘤ASL（內(nèi)源性灌注） 2、CT功能成像 與MRI和PET相比，CT功能成像的范圍相對狹窄; 隨著CT空間、密度、時(shí)間分辨率的極大提高以及強(qiáng)大后處理能力的實(shí)現(xiàn); CT功能成像的應(yīng)用越來越廣泛，目前主要集中在兩大方面：各器官灌注成像和心臟動(dòng)態(tài)功能成像。 2、CT功能成像 與MRI和PET相比，CT功能成像的范左側(cè)顳葉腦梗塞CT灌注成像左側(cè)顳葉腦梗塞CT灌注成像CT腦灌注成像-右側(cè)大腦半球 梗塞半暗帶形成CT腦灌注成像-右側(cè)大腦半球 梗塞半暗帶形成Perfusi

13、on CTMTTCBFCBV Patient 4 hours post-strokeCBF and MTT shows right side abnormality tissue at riskCBV show little abnormality tissue likely can be savePerfusion CTMTTCBFCBV Patient 腦腫瘤CT灌注成像腦腫瘤CT灌注成像CT to valuate the blood flow and metabolisms in breast cancerCT to valuate the blood flow a心功能評(píng)價(jià):(1)、心

14、臟容積測量：CT全心室橫斷連續(xù)掃描重建能三維測量心臟容積；(2)、射血分?jǐn)?shù)測定：在舒張和收縮末期通過容量重建來評(píng)價(jià)基礎(chǔ)心功能參數(shù)如左右心室射血分?jǐn)?shù)。心功能評(píng)價(jià):(3 )、心肌壁厚度測量(4 )、心肌灌注成像(5 )、心臟電生理分析最近研究表明MSCT對心功能參數(shù)的分析結(jié)果與左心室造影所獲得的金標(biāo)準(zhǔn)有很好相關(guān)性。(3 )、心肌壁厚度測量心功能評(píng)價(jià)心功能評(píng)價(jià)智能化心功能圖像處理智能化心功能圖像處理心功能評(píng)價(jià)Report Generation：LV Volume Curve & Ejection FractionWall MotionWall ThicknessMyocardial MassCine

15、/Movie Views心功能評(píng)價(jià)Report Generation：3、PETCT功能顯像3、PETCT功能顯像PET對大腦功能區(qū)的定位PET對大腦功能區(qū)的定位正常心肌PET血流灌注顯像正常心肌PET血流灌注顯像PET 13N-NH心肌顯像PET 13N-NH心肌顯像4、SPECT的功能顯像 SPECT的功能顯像主要包括局部腦血流(regional cerebral blood flow，rCBF)和心肌灌注顯像。4、SPECT的功能顯像 SPECT的功能顯像主要包括局部癲癇：SPECT明確顯示左側(cè)顳葉海馬硬化，與病理結(jié)果一致，但MRI顯示正常癲癇：SPECT明確顯示左側(cè)顳葉海馬硬灌注代謝均

16、減低（匹配），提示局部為心肌壞死（箭頭示）99mTc-MIBI心肌灌注顯像示： 局部心肌血流灌注減低18F-FDG心肌代謝顯像示：心肌18F-FDG代謝減低灌注代謝均減低（匹配），提示局部為心肌壞死（箭頭示）99m5、超聲功能成像超聲功能成像是功能成像的重要組成部分，其顯著特點(diǎn)是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：心血管的功能成像腹部實(shí)質(zhì)性臟器的血管功能成像5、超聲功能成像超聲功能成像是功能成像的重要組成部分，其顯著（二）、分子影像學(xué)概念及其應(yīng)用1999年Weissleder將分子影像學(xué)定義為：“在活體內(nèi)進(jìn)行細(xì)胞和分子水平生物過程的描述和測量，即著眼于探測構(gòu)成疾病基礎(chǔ)的分子異常，最終對由這些分子

17、異常改變所構(gòu)成的結(jié)果進(jìn)行成像 ”。（二）、分子影像學(xué)概念及其應(yīng)用1999年Weissleder我們的定義：“利用分子手段檢測組織和器官代謝變化，并將這種變化用影像手段顯示出來作為早期特異性診斷疾病的依據(jù)”。我們的定義：“利用分子手段檢測組織和器官代謝變化，并將這種變功能與分子影像學(xué)概念和進(jìn)展分子影像學(xué)顯像設(shè)備及技術(shù)分子影像學(xué)顯像設(shè)備及技術(shù)Micro-PET細(xì)胞凋亡顯像Micro-PET細(xì)胞凋亡顯像1、磁共振分子成像MRS磁共振波譜(magnetic resonance spectrum，MRS)是最典型的分子成像技術(shù)，因?yàn)樵诜肿铀缴现苯臃从炒x變化并用波譜和影像表達(dá)出來。1、磁共振分子成像M

18、RS磁共振波譜(magnetic reMRS為研究組織代謝和功能的無創(chuàng)性方法，常用的原子核有：31P MRS，主要用于能量代謝的研究；1H MRS主要檢測膽堿、肌酸、脂肪、氨基酸、酮體及乳酸等代謝物質(zhì)。MRS為研究組織代謝和功能的無創(chuàng)性方法，常用的原子核有：31MRS在腦功能方面主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面：（1）腦內(nèi)氧化反應(yīng)的定量分析及神經(jīng)元死 亡的判斷。（2）對神經(jīng)元破壞范圍的描述和評(píng)估。（3）細(xì)胞膜的改變。（4）腦病的特征性代謝改變。 31P MRS還用于心肌等部位的能量代謝的 檢測；1H MRS還用于前列腺的疾病診斷。MRS在腦功能方面主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面：尸體染色顯示腦干核團(tuán)中的鐵3T

19、MRI顯示腦干核團(tuán)中的鐵尸體染色顯示腦干核團(tuán)中的鐵3T MRI顯示腦干核團(tuán)中的鐵腎上腺腦白質(zhì)營養(yǎng)不良腎上腺腦白質(zhì)營養(yǎng)不良腦腫瘤MRI波譜分析腦腫瘤MRI波譜分析腦腫瘤MRI波譜分析腦腫瘤MRI波譜分析腦膜瘤的氫質(zhì)子波譜:NAA降低，Cho升高腦膜瘤的氫質(zhì)子波譜:NAA降低，Cho升高體表線圈前列腺波譜成像體表線圈前列腺波譜成像前列腺癌MR波譜(R) 前列腺癌MR波譜(R) 2、PETCT分子成像是利用發(fā)射正電子的放射性核素進(jìn)行器官斷層顯像的設(shè)備。它以18F 、11C、13N、15O等放射性示蹤劑（生物探針）標(biāo)記化合物進(jìn)行全身組織器官血流灌注、氧耗量、葡萄糖、蛋白質(zhì)、氨基酸、脂肪代謝以及受體等顯

20、像。2、PETCT分子成像是利用發(fā)射正電子的放射性核素進(jìn)行器官PET分子顯像的主要優(yōu)缺點(diǎn)：(1)、PET可以動(dòng)態(tài)地獲得較快(秒級(jí))的動(dòng)力學(xué)資料，能夠?qū)ι砗退幚磉^程進(jìn)行快速顯像；(2)、PET具有很高的靈敏度，能夠測定感興趣組織中p摩爾甚至f-摩爾數(shù)量級(jí)的配體濃度；PET分子顯像的主要優(yōu)缺點(diǎn)：(3)、PET可以絕對定量，盡管經(jīng)常使用半定量方法，但也可以使用絕對定量方法測定活體體內(nèi)生理和藥理參數(shù)；(4)、PET采用示蹤量的PET藥物(顯像劑)，不會(huì)產(chǎn)生藥理毒副作用”。(3)、PET可以絕對定量，盡管經(jīng)常使用半定量方法，但也可以不足：特異性示蹤劑不能顯示靶分子以外的組織，空間分辨率低，定量分析計(jì)算

21、復(fù)雜 ，有一定的假陽性和假陰性。不足：特異性示蹤劑不能顯示靶分子以外的組織，空間分辨率低，定高分辨率腦FDG PET-3D顯像高分辨率腦FDG PET-3D顯像18FFDG PETCT顯示強(qiáng)迫癥手術(shù) 治療前后的大腦額葉代謝變化18FFDG PETCT顯示強(qiáng)迫癥手術(shù) 治療18FFDG PETCT顯示胰腺癌18FFDG PETCT顯示胰腺癌11C-MET與18F-FDG PET顯像 分布特點(diǎn)對比11C-MET18F-FDG11C-MET與18F-FDG PET顯像 分布特點(diǎn)對肺癌腦轉(zhuǎn)移PET與MRI比較11C-MET18F-FDG18F-FDGCMRI肺癌腦轉(zhuǎn)移PET與MRI比較11C-MET18

22、F-FDG18PET顯像：FDG和MET比較PET顯像：FDG和MET比較病理證實(shí)級(jí)星形細(xì)胞瘤FDG無法顯示腫瘤MET清楚顯示腫瘤病理證實(shí)級(jí)星形細(xì)胞瘤FDG無法顯示腫瘤MET清楚顯示腫瘤CTPETCTPET早期肺癌的FDG PET顯像早期肺癌的FDG PET顯像CTPET/CTContrast CTPET/CTCTPET/CTContrast CTPET/CTPET/CT to valuate the blood flow and metabolisms in breast cancerPET/CT to valuate the blood fl 18F多巴胺轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白PET顯像劑 18F多巴胺

23、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白PET顯像劑 假陽性和假陰性 客觀認(rèn) 識(shí)和評(píng)價(jià)價(jià)值,不要神化。誤診假陽性假陰性假陽性和假陰性 客觀認(rèn)誤診假陽性假陰性曾診斷為肺癌，病理證實(shí)：結(jié)核曾診斷為肺癌，病理證實(shí)：結(jié)核 假陰性胸腺瘤術(shù)后胸壁轉(zhuǎn)移 假陰性胸假陽性：良性病變，纖維結(jié)腸鏡病理證實(shí)息肉假陽性：良性病變，纖維結(jié)腸鏡病理證實(shí)息肉假陽性：PET淋巴瘤縱隔內(nèi)及雙側(cè)腹股溝多發(fā)腫大淋巴結(jié)病理證實(shí)炎性反應(yīng)性增生。假陽性：PET淋巴瘤縱隔假陽性：PET肝膿腫假陽性：PET肝膿腫假陽性炎性假瘤假陽性炎性假瘤假陰性：FDG PET定性困難病理：膠質(zhì)母細(xì)胞瘤假陰性：FDG PET定性困難病理：膠質(zhì)母細(xì)胞瘤3、SPECT分子成像SPECT分子顯像

24、主要包括腦代謝顯像和腦神經(jīng)受體顯像。3、SPECT分子成像功能與分子影像學(xué)概念和進(jìn)展4、分子靶向顯像分子靶向顯像是現(xiàn)代腫瘤診療領(lǐng)域的突破性成果，代表了目前腫瘤分子生物學(xué)診斷和治療最新發(fā)展方向。4、分子靶向顯像分子靶向顯像是現(xiàn)代腫瘤診療領(lǐng)域的突破性成果，將11C標(biāo)記在易瑞沙或與易瑞沙結(jié)構(gòu)類似的藥物上，利用PET顯像，在體外可通過放射性分布情況判斷腫瘤是“喜” Iressa還是“厭” Iressa。將11C標(biāo)記在易瑞沙或與易瑞沙結(jié)構(gòu)類似的藥物上，利用PET顯11C- PD 15303511C-Iressa11C- PD 15303511C-Iressa光學(xué)成像方法較多，主要有彌散光學(xué)成像、多光子成像、活體顯微鏡成像、近紅外線熒光成像及表面共聚焦成像等。5、光分子成像技術(shù)光學(xué)成像方法較多，主要有彌散光學(xué)成像、多光子成像、活體顯微鏡6、超聲分子成像是近幾年超聲醫(yī)學(xué)的研究熱點(diǎn)。它是利用超聲微泡造影劑介導(dǎo)來發(fā)現(xiàn)疾病早期在細(xì)胞和分子水平的變化，有利于人們更早、更準(zhǔn)確地診斷疾病。通過此種方式也可以在患病早期引導(dǎo)基因治療、藥物治療等，以期在根本上治愈疾病。6、超聲分子成像是近幾年超聲醫(yī)學(xué)的研究熱點(diǎn)。7、基因顯像 基因顯像是