功能与分子影像学概念和进展课件.ppt

1、功能与分子影像学概念和进展功能与分子影像学概念和进展n一、飞速发展的医学影像学一、飞速发展的医学影像学n二、对生命本质的认识二、对生命本质的认识n三、医学影像学发展方向功能与分三、医学影像学发展方向功能与分 子影像学子影像学n1 1、功能影像学概念及其应用、功能影像学概念及其应用n2 2、分子影像学概念及其应用、分子影像学概念及其应用n3 3、基因影像学概念及其应用、基因影像学概念及其应用n四、分子影像学值得注意的几个问题四、分子影像学值得注意的几个问题n五、分子影像学的技术问题五、分子影像学的技术问题一、飞速发展的医学影像学、飞速发展的医学影像学18951895年年1111月月8 8日日永远

2、值得纪念的日子永远值得纪念的日子德国物理学家威廉德国物理学家威廉.伦琴伦琴（1845184519231923）获获19011901年年NobelNobel奖奖X X线计算机体层摄影（线计算机体层摄影（CTCT）19691969年设计成功年设计成功19721972年公诸于世年公诸于世19791979年获年获NobelNobel奖奖英国工程师英国工程师C.N.HounsfieldC.N.Hounsfield磁共振成像（磁共振成像（MRIMRI）Edward PurcellFelix Bloch19521952年同获年同获NobelNobel奖奖SeldingerSeldinger技术技术Sven-

3、Ivar Seldinger获获1956年年NobelNobel奖奖Anatomic imaging解剖影像之完美解剖影像之完美Anatomic and functional imaging二、对生命本质的认识二、对生命本质的认识DNA细胞的奥秘细胞的奥秘器官合成：神经管发育器官合成：神经管发育How to do?三、医学影像学发展方向：三、医学影像学发展方向：功能与分子影像学功能与分子影像学各学科的各学科的交叉点交叉点功能与分子影像学功能与分子影像学生物学生物学物理学物理学信息技术信息技术医学影像技术医学影像技术化学、药学化学、药学临床医学临床医学分子生物学分子生物学A Definition

4、 of Functional and Molecular ImagingSource:R.Weissleder,MGHRadiology,1999Organ LevelTissue Level Cellular LevelGenetic LevelMoving from Imaging todays anatomical&functional targetsDetection,Tumor BurdenAngiogenesisGrowth kineticsDrug deliveryTumor markersDrug TargetingGenetic mutationsGene Therapy t

5、o Imaging tomorrows more specific disease targetsTodayT o m o r r o w （一）、功能影像学概念及其应用（一）、功能影像学概念及其应用 定义：定义：“利用影像手段显示组织和器利用影像手段显示组织和器官官 的功能变化的功能变化”，包括：，包括：MRI:MRI:弥散成像、弥散张量成像、灌弥散成像、弥散张量成像、灌 注成像、脑功能定位成像注成像、脑功能定位成像 （Bold-fMRIBold-fMRI）；）；CTCT：灌注成像；灌注成像；PET-CT:PET-CT:灌注成像，它以灌注成像，它以18-F 18-F、11-C11-C、13-

6、13-N N、15-O15-O及其它许多被标记的化合及其它许多被标记的化合 物进行脑和心肌血流灌注的显像；物进行脑和心肌血流灌注的显像；SPECTSPECT：主要包括局部脑血流主要包括局部脑血流(regional(regional cerebral blood flow cerebral blood flow，rCBF)rCBF)和心和心 肌灌注显像肌灌注显像;USUS：心血管及部分器官血管的动态观察。心血管及部分器官血管的动态观察。1 1、磁共振功能成像、磁共振功能成像(functional(functional magnetic resonance imagingmagnetic reso

7、nance imaging，fMRl)fMRl)n依成像原理，广义的依成像原理，广义的fMRIfMRI可分为三类：可分为三类：n第一类：第一类：弥散基础上弥散基础上(diffusion(diffusionbased)based)的的fMRlfMRl，可检测脑等实质性器，可检测脑等实质性器官水的变化。官水的变化。弥散成像弥散成像 脑梗塞脑梗塞T2T2水抑制水抑制 DWIDWI弥散成像弥散成像脑梗塞弥散加权脑梗塞弥散加权ADC/EADCADC/EADC发病发病3 3小时的脑卒中小时的脑卒中-T2WI-T2WI、DWIDWI各向异性图各向异性图ADC ADC 图图弥散张量（弥散张量（DTI）：各向异

8、性图）：各向异性图弥散张量各向异性图：显示脑灰弥散张量各向异性图：显示脑灰 白质走行和分部白质走行和分部Genu CCInt.Cap.SpleniumExt.Cap.ThalamusOptic Radiations弥散张量弥散张量3D3D成像显示正常皮质纤维束成像显示正常皮质纤维束及其与肿瘤的关系及其与肿瘤的关系弥散张量弥散张量3D3D成像：成像：左顶叶脑肿瘤患者，左顶叶脑肿瘤患者，可见患侧病变区纤维束受压移位，但未可见患侧病变区纤维束受压移位，但未见明显中断（侧位）见明显中断（侧位）弥散张量图与脑功能成像融合弥散张量图与脑功能成像融合弥散张弥散张量图：量图：显示白显示白质束与质束与语言表语言

9、表达功能达功能中枢图中枢图像融合像融合肝脏及腹部多发转移肝脏及腹部多发转移(DWI)全脊柱骨转移：全脊柱骨转移：全身弥散全身弥散 （类（类PETPET成像）成像）n第二类第二类:灌注基础上灌注基础上(perfusion(perfusion based)based)的的fMRIfMRI，以，以MRIMRI造影剂在脑和造影剂在脑和其它实质性器官血管内分布时间的过其它实质性器官血管内分布时间的过程来观察功能变化，观察指标：血流程来观察功能变化，观察指标：血流量（量（BFBF）、血容量（）、血容量（BVBV）、平均通过）、平均通过时间（时间（MTTMTT）、首过斜率（）、首过斜率（FSFS）、时）、时

10、间峰值（间峰值（TPTP）等。）等。灌注成像灌注成像动态灌注成像动态灌注成像 负性增强图负性增强图 (NEI)rCBV(NEI)rCBV 右侧大脑半球梗塞后右侧大脑半球梗塞后2 2小时，小时，MRMR灌注成像灌注成像动态灌注成像动态灌注成像:平均通过时间平均通过时间（MTTMTT）胶质母细胞瘤灌注成像胶质母细胞瘤灌注成像 （WHO WHO 级）级）乳腺癌乳腺癌MRMR灌注成像灌注成像乳腺良性病变乳腺良性病变MRMR灌注成像灌注成像曲线：曲线：绿色为正常乳腺组织绿色为正常乳腺组织 、粉色为乳、粉色为乳腺纤维腺瘤均表现为相对低的对比剂吸收，腺纤维腺瘤均表现为相对低的对比剂吸收，对比剂的流入、流出较

11、缓慢。对比剂的流入、流出较缓慢。3D3D容积动态增强技术序列容积动态增强技术序列 肝肝A A期期 门门V V期期 延迟期延迟期心脏运动功能检查 白血技术心脏形态学检查心脏形态学检查 黑血技术黑血技术 Cardiac Function:FIESTA-CINECoronary MRA-High Resolution 3D Spiral ImagingnRCA-.8mm pixel resolution nLCA-.8mm pixel resolution 肺动脉灌注肺动脉灌注n第三类：第三类：血氧水平基础上的脑功能成像血氧水平基础上的脑功能成像(blood oxygenation level ba

12、sed-fMRI),(blood oxygenation level based-fMRI),如血氧水平依赖性脑功能成像如血氧水平依赖性脑功能成像(blood(blood oxygenation level dependentoxygenation level dependent，BOLDBOLDfMRI)fMRI)、动脉自旋标记（、动脉自旋标记（ASLASL）。）。是磁共是磁共振研究最热门的领域之一。振研究最热门的领域之一。血氧水平依赖血氧水平依赖性脑功能性脑功能(Bold-fMRI)(Bold-fMRI)脑功能成像脑功能成像(Bold-fMRI)(Bold-fMRI)fMRI-fMRI-大

13、脑皮层定位大脑皮层定位正常被试视觉刺激激活脑区正常被试视觉刺激激活脑区焦虑、抑郁、躁狂焦虑、抑郁、躁狂3.0T MRI3.0T MRI评价痴呆评价痴呆正常人正常人痴呆患者痴呆患者精神分裂症患者大脑功能变化精神分裂症患者大脑功能变化:与对照组比较脑灰质明显减少与对照组比较脑灰质明显减少精神分裂症患者脑功能变化精神分裂症患者脑功能变化正常人脑功能变化正常人脑功能变化左顶部脑膜瘤左顶部脑膜瘤ASLASL（内源性灌注）（内源性灌注）2 2、CTCT功能成像功能成像 与与MRIMRI和和PETPET相比，相比，CTCT功能成像的范围相对功能成像的范围相对狭窄狭窄;随着随着CTCT空间、密度、时间分辨率的

14、极大提空间、密度、时间分辨率的极大提高以及强大后处理能力的实现高以及强大后处理能力的实现;CT CT功能成像的应用越来越广泛，目前主要功能成像的应用越来越广泛，目前主要集中在两大方面：各器官灌注成像和心脏集中在两大方面：各器官灌注成像和心脏动态功能成像。动态功能成像。左侧颞叶脑梗塞左侧颞叶脑梗塞CTCT灌注成像灌注成像CTCT脑灌注成像脑灌注成像-右侧大脑半球右侧大脑半球 梗塞半暗带形成梗塞半暗带形成Perfusion CTMTTCBFCBV Patient 4 hours post-strokeCBF and MTT shows right side abnormality tissue a

15、t riskCBV show little abnormality tissue likely can be save脑肿瘤脑肿瘤CTCT灌注成像灌注成像CT to valuate the blood flow and metabolisms in breast cancern心功能评价心功能评价:n(1)(1)、心脏容积测量：、心脏容积测量：CTCT全心室横全心室横断连续扫描重建能三维测量心脏断连续扫描重建能三维测量心脏容积；容积；n(2)(2)、射血分数测定：、射血分数测定：在舒张和收在舒张和收缩末期通过容量重建来评价基础缩末期通过容量重建来评价基础心功能参数如左右心室射血分数。心功能参数

16、如左右心室射血分数。n(3)(3)、心肌壁厚度测量、心肌壁厚度测量n(4)(4)、心肌灌注成像、心肌灌注成像n(5)(5)、心脏电生理分析、心脏电生理分析n最近研究表明最近研究表明MSCTMSCT对心功能参数的分对心功能参数的分析结果与左心室造影所获得的金标准析结果与左心室造影所获得的金标准有很好相关性。有很好相关性。心功能评价心功能评价智能化心功能图像处理智能化心功能图像处理心功能评价心功能评价nReport Generation：LV Volume Curve&Ejection FractionWall MotionWall ThicknessMyocardial MassCine/Mov

17、ie Views3 3、PETPETCTCT功能显像功能显像PETPET对大脑功能区的定位对大脑功能区的定位正常心肌正常心肌PETPET血流灌注显像血流灌注显像PET 13N-NHPET 13N-NH心肌显像心肌显像4 4、SPECTSPECT的功能显像的功能显像 SPECT SPECT的功能显像主要包括局部的功能显像主要包括局部脑血流脑血流(regional cerebral(regional cerebral blood flowblood flow，rCBF)rCBF)和心肌灌和心肌灌注显像。注显像。癫痫：癫痫：SPECTSPECT明确显示左侧颞叶海马硬明确显示左侧颞叶海马硬化，与病理结

18、果一致，但化，与病理结果一致，但MRIMRI显示正常显示正常灌注代谢均减低（匹配），提示灌注代谢均减低（匹配），提示局部为心肌坏死（箭头示）局部为心肌坏死（箭头示）99m99mTc-MIBITc-MIBI心肌灌注显像示：心肌灌注显像示：局部心肌血流灌注减低局部心肌血流灌注减低1818F-FDGF-FDG心肌代谢显像示：心肌代谢显像示：心肌心肌1818F-FDGF-FDG代谢减低代谢减低5 5、超声功能成像、超声功能成像n超声功能成像是功能成像的重要组成超声功能成像是功能成像的重要组成部分，其显著特点是实时动态显示，部分，其显著特点是实时动态显示，主要表现在两个方面：主要表现在两个方面：n心血管

19、的功能成像心血管的功能成像n腹部实质性脏器的血管功能成像腹部实质性脏器的血管功能成像（二）、分子影像学概念及其应用（二）、分子影像学概念及其应用n19991999年年WeisslederWeissleder将分子影像学定义将分子影像学定义为：为：“在活体内进行细胞和分子水平在活体内进行细胞和分子水平生物过程的描述和测量，即着眼于探生物过程的描述和测量，即着眼于探测构成疾病基础的分子异常，最终对测构成疾病基础的分子异常，最终对由这些分子异常改变所构成的结果进由这些分子异常改变所构成的结果进行成像行成像”。n我们的定义：我们的定义：“利用分子手段检测组利用分子手段检测组织和器官代谢变化，并将这种变

20、化用织和器官代谢变化，并将这种变化用影像手段显示出来作为早期特异性诊影像手段显示出来作为早期特异性诊断疾病的依据断疾病的依据”。分子影像学显像设备及技术分子影像学显像设备及技术Micro-PETMicro-PET细胞凋亡显像细胞凋亡显像1 1、磁共振分子成像、磁共振分子成像MRSMRSn磁共振波谱磁共振波谱(magnetic resonance(magnetic resonance spectrumspectrum，MRS)MRS)是最典型的分子成是最典型的分子成像技术，因为在分子水平上直接反像技术，因为在分子水平上直接反映代谢变化并用波谱和影像表达出映代谢变化并用波谱和影像表达出来。来。nM

21、RSMRS为研究组织代谢和功能的无创性为研究组织代谢和功能的无创性方法，常用的原子核有：方法，常用的原子核有：31P MRS31P MRS，主要用于能量代谢的研究；主要用于能量代谢的研究；1H MRS1H MRS主要检测胆碱、肌酸、脂肪、氨基主要检测胆碱、肌酸、脂肪、氨基酸、酮体及乳酸等代谢物质。酸、酮体及乳酸等代谢物质。nMRSMRS在脑功能方面主要应用在以下几个方面：在脑功能方面主要应用在以下几个方面：n（1 1）脑内氧化反应的定量分析及神经元死）脑内氧化反应的定量分析及神经元死 亡的判断。亡的判断。n（2 2）对神经元破坏范围的描述和评估。）对神经元破坏范围的描述和评估。n（3 3）细胞

22、膜的改变。）细胞膜的改变。n（4 4）脑病的特征性代谢改变。）脑病的特征性代谢改变。n 31P MRS31P MRS还用于心肌等部位的能量代谢的还用于心肌等部位的能量代谢的 检测；检测；1H MRS1H MRS还用于前列腺的疾病诊断。还用于前列腺的疾病诊断。尸体染色显尸体染色显示脑干核团示脑干核团中的铁中的铁3T MRI3T MRI显显示脑干核示脑干核团中的铁团中的铁肾上腺脑白质营养不良肾上腺脑白质营养不良脑肿瘤脑肿瘤MRIMRI波谱分析波谱分析脑肿瘤脑肿瘤MRIMRI波谱分析波谱分析脑膜瘤的氢质子波谱脑膜瘤的氢质子波谱:NAA:NAA降低，降低，ChoCho升高升高体表线圈前列腺波谱成像体表

23、线圈前列腺波谱成像前列腺癌前列腺癌MRMR波谱波谱(R)(R)2 2、PETPETCTCT分子成像分子成像n是利用发射正电子的放射性核素进行器是利用发射正电子的放射性核素进行器官断层显像的设备。官断层显像的设备。n它以它以18F 18F、11C11C、13N13N、15O15O等放射性示等放射性示踪剂（生物探针）标记化合物进行全身踪剂（生物探针）标记化合物进行全身组织器官血流灌注、氧耗量、葡萄糖、组织器官血流灌注、氧耗量、葡萄糖、蛋白质、氨基酸、脂肪代谢以及受体等蛋白质、氨基酸、脂肪代谢以及受体等显像。显像。nPETPET分子显像的主要优缺点：分子显像的主要优缺点：n(1)(1)、PETPET

24、可以动态地获得较快可以动态地获得较快(秒级秒级)的动的动力学资料，能够对生理和药理过程进行快力学资料，能够对生理和药理过程进行快速显像；速显像；n(2)(2)、PETPET具有很高的灵敏度，能够测定感具有很高的灵敏度，能够测定感兴趣组织中兴趣组织中p p摩尔甚至摩尔甚至f-f-摩尔数量级的配摩尔数量级的配体浓度；体浓度；n(3)(3)、PETPET可以绝对定量，尽管经常可以绝对定量，尽管经常使用半定量方法，但也可以使用绝使用半定量方法，但也可以使用绝对定量方法测定活体体内生理和药对定量方法测定活体体内生理和药理参数；理参数；n(4)(4)、PETPET采用示踪量的采用示踪量的PETPET药物药

25、物(显显像剂像剂)，不会产生药理毒副作用，不会产生药理毒副作用”。n不足：不足：特异性示踪剂不能显示靶特异性示踪剂不能显示靶分子以外的组织，空间分辨率低，分子以外的组织，空间分辨率低，定量分析计算复杂定量分析计算复杂 ，有一定的假，有一定的假阳性和假阴性。阳性和假阴性。高分辨率脑高分辨率脑FDG PET-3DFDG PET-3D显像显像18F18FFDG PETFDG PETCTCT显示强迫症手术显示强迫症手术 治疗前后的大脑额叶代谢变化治疗前后的大脑额叶代谢变化18F18FFDG PETFDG PETCTCT显示胰腺癌显示胰腺癌11C-MET11C-MET与与18F-FDG PET18F-F

26、DG PET显像显像 分布特点对比分布特点对比11C-MET18F-FDG肺癌脑转移肺癌脑转移PETPET与与MRIMRI比较比较11C-MET18F-FDG18F-FDGCMRIPETPET显像：显像：FDGFDG和和METMET比较比较病理证实病理证实级星形细胞瘤级星形细胞瘤FDGFDG无法显示肿瘤无法显示肿瘤METMET清楚显示肿瘤清楚显示肿瘤CTPET早期肺癌的早期肺癌的FDG PETFDG PET显像显像CTPET/CTContrast CTPET/CTPET/CT to valuate the blood flow and metabolisms in breast cancer

27、18F18F多巴多巴胺转运蛋白胺转运蛋白PETPET显像剂显像剂 假阳性和假阴性假阳性和假阴性 客观认客观认 识和评价价识和评价价值值,不要神不要神化。化。误诊误诊假阳性假阳性假阴性假阴性曾诊断为肺癌，病理证实：结核曾诊断为肺癌，病理证实：结核 假阴性假阴性胸胸腺腺瘤瘤术术后后胸胸壁壁转转移移假阳性：假阳性：良性病变，纤维结良性病变，纤维结肠镜病理证实息肉肠镜病理证实息肉假阳性：假阳性：PETPET淋巴瘤淋巴瘤纵隔纵隔内及内及双侧双侧腹股腹股沟多沟多发肿发肿大淋大淋巴结巴结病理病理证实证实炎性炎性反应反应性增性增生。生。假阳性：假阳性：PETPET肝脓肿肝脓肿假阳性假阳性炎性假瘤炎性假瘤假阴性

28、：假阴性：FDG PETFDG PET定性困定性困难病理：胶质母细胞瘤难病理：胶质母细胞瘤3 3、SPECTSPECT分子成像分子成像nSPECTSPECT分子显像主要包括脑代谢显分子显像主要包括脑代谢显像和脑神经受体显像。像和脑神经受体显像。4 4、分子靶向显像、分子靶向显像n分子靶向显像是现代肿瘤诊疗领域的突分子靶向显像是现代肿瘤诊疗领域的突破性成果，代表了目前肿瘤分子生物学破性成果，代表了目前肿瘤分子生物学诊断和治疗最新发展方向。诊断和治疗最新发展方向。PD 153035NNHNONClFOH311COn光学成像方法较多，主要有弥散光光学成像方法较多，主要有弥散光学成像、多光子成像、活体

29、显微镜学成像、多光子成像、活体显微镜成像、近红外线荧光成像及表面共成像、近红外线荧光成像及表面共聚焦成像等。聚焦成像等。5 5、光分子成像技术、光分子成像技术6 6、超声分子成像、超声分子成像n是近几年超声医学的研究热点。是近几年超声医学的研究热点。n它是利用超声微泡造影剂介导来发现疾病早它是利用超声微泡造影剂介导来发现疾病早期在细胞和分子水平的变化，有利于人们更期在细胞和分子水平的变化，有利于人们更早、更准确地诊断疾病。早、更准确地诊断疾病。n通过此种方式也可以在患病早期引导基因治通过此种方式也可以在患病早期引导基因治疗、药物治疗等，以期在根本上治愈疾病。疗、药物治疗等，以期在根本上治愈疾病

30、。7 7、基因显像、基因显像 基因显像是借助特定的影像手段对基因显像是借助特定的影像手段对活组织的正常或异常细胞的靶基因活组织的正常或异常细胞的靶基因进行显影。基因显像的本质也是分进行显影。基因显像的本质也是分子显像。子显像。四、分子影像学值得注意四、分子影像学值得注意 的几个问题的几个问题n1 1、理解问题：、理解问题：分子影像学不是显微分子影像学不是显微镜下，更不是实验室的影像学，而是镜下，更不是实验室的影像学，而是整合在解剖背景上可视化的影像学。整合在解剖背景上可视化的影像学。n2 2、夸大问题：、夸大问题：分子影像学现在乃至将分子影像学现在乃至将来可能都是个热门领域。然而，分子来可能都

31、是个热门领域。然而，分子影像技术在本领域的临床应用就是影像技术在本领域的临床应用就是MRSMRS、PETPET、SPECTSPECT、ECTECT、USUS。所谓基因成像。所谓基因成像应用于临床恐怕还要时间的考验。应用于临床恐怕还要时间的考验。n3 3、根本问题：、根本问题：不管影像学将来发展到不管影像学将来发展到什么阶段和水平，利用可视化影像诊断什么阶段和水平，利用可视化影像诊断病变这一根本问题不会丢掉，只会越来病变这一根本问题不会丢掉，只会越来越重要。如果不认识这一点，单纯地搞越重要。如果不认识这一点，单纯地搞什么分子影像是一种不科学和不负责任什么分子影像是一种不科学和不负责任的行为。的行为。展望展望特异性新药即特异性新药即“分子探针分子探针”的研发和的研发和多影像融合是未来发展的方向，是解决诊断问多影像融合是未来发展的方向，是解决诊断问题的根本，是架起影像医学与临床医学的桥梁！题的根本，是架起影像医学与临床医学的桥梁！南京军区南京军区为创一流医院、一流学科而奋斗为创一流医院、一流学科而奋斗