馮詩(shī)齊/編譯

洛馬琳達(dá)大學(xué)醫(yī)學(xué)中心：計(jì)算機(jī)化的質(zhì)子層析成像記錄了質(zhì)子束在橫貫病人身體時(shí)的位置、方向和能量損失

●從磁標(biāo)記糖、煙霧傳感手術(shù)刀以及高能質(zhì)子束，加之國(guó)際團(tuán)隊(duì)的協(xié)作攻關(guān)，下一波的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)將為人們呈現(xiàn)更為清晰的人體圖像。

在21世紀(jì)的最初幾年，醫(yī)學(xué)影像學(xué)已有迅猛的進(jìn)步。如今，醫(yī)生可以在分子水平上觀察病情、檢查個(gè)體的心跳特征，和研究大腦工作的微小細(xì)節(jié)——所有這些工作在十年前是根本不可能的?！拔覀冋谶M(jìn)入精密醫(yī)學(xué)的時(shí)代，”美國(guó)國(guó)家生物醫(yī)學(xué)成像和生物工程研究所（NIBIB）主任羅德里克·佩蒂格魯(Roderic Pettigrew)說，“并盡力做到精準(zhǔn)診斷、靶向治療、提高護(hù)理和監(jiān)控治療的成效?！?/p>

大量的進(jìn)步來源于對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)，比如，計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)、超聲以及磁共振成像 (MRI)?！把刂w維途徑(fibre pathway)，現(xiàn)在的MRI可以追蹤大腦中水分子的擴(kuò)散，并可計(jì)算其運(yùn)動(dòng)軌跡?！迸宓俑耵斦f。

最新的成像方法來自于一些實(shí)驗(yàn)室的成果，這些設(shè)備能檢測(cè)或監(jiān)測(cè)癌癥，包括定位單個(gè)細(xì)胞以投送藥物，或?yàn)樾呐K疾病手術(shù)提供前所未有的精度。其中一些技術(shù)尚未達(dá)到臨床階段，但有些已開始進(jìn)入臨床試驗(yàn)。與傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比，它們進(jìn)度更快、更精確和更安全。

“一匙糖”療法

進(jìn)展之一涉及腫瘤的識(shí)別方法。腫瘤是葡萄糖的貪婪消費(fèi)者，患者通常要進(jìn)行葡萄糖類似物的放射性標(biāo)記（標(biāo)記聚集到腫瘤上），由正電子發(fā)射斷層掃描(PET)進(jìn)行檢測(cè)。但放射性檢測(cè)不適宜對(duì)兒童、妊娠婦女，或?qū)┝坑邢拗频钠渌颊?。為繞開這一障礙，由西蒙·W·塞繆爾(Simon W.Samuel)領(lǐng)銜的倫敦大學(xué)學(xué)院團(tuán)隊(duì)，開發(fā)出一種非損傷性的無線電波脈沖方法來標(biāo)記葡萄糖——患者只需一杯含糖飲料，而不是放射性同位素——然后用MRI進(jìn)行檢測(cè)，這種方法更為安全。同時(shí)，這一方法還能區(qū)分腫瘤的不同類型，可以有效地制定治療方案和評(píng)估其效果。

這種被稱為glucoCEST技術(shù)——即葡萄糖化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移——主要測(cè)量葡萄糖分子中的羥基組和生物組織中的水分子之間質(zhì)子的交換。無線電波脈沖改變羥基組中質(zhì)子的磁特征，屏蔽由MRI檢測(cè)到的來自水分子的信號(hào)?！坝绊懯呛苄〉模绻覀冎貜?fù)許多次，還是可以檢測(cè)到?！眻F(tuán)隊(duì)成員沙維爾·格雷(Xavier Golay)說。

對(duì)移植到小鼠體內(nèi)的兩種人類結(jié)直腸腫瘤，研究人員通過glucoCEST，對(duì)腫瘤注射葡萄糖前后一小時(shí)所拍攝的MRI圖像進(jìn)行研究后，清楚地顯現(xiàn)出不同類型的腫瘤——不同的腫瘤對(duì)葡萄糖的吸收始終是不同的。目前，研究人員擬將glucoCEST用于人類臨床試驗(yàn)，開始招募頸部接受過十多次掃描的腫瘤患者，與將葡萄糖注入小鼠腫瘤不同，患者則采用飲用的形式。格雷認(rèn)為，未來glucoCEST可能不只局限于頸部腫瘤。“可以想象，它可以評(píng)估任何與高糖消耗相關(guān)的器官，心臟或大腦，”

約翰·霍普金斯大學(xué)的放射學(xué)家彼得·范·茲爾(Peter van Zijl)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)表示謹(jǐn)慎的樂觀。“我們覺得它是可行的，但需要一些更多的 MRI顯影，因?yàn)閷?duì)人類使用的磁場(chǎng)要比動(dòng)物低得多?！蹦壳?，他的團(tuán)隊(duì)也在進(jìn)行人類glucoCEST研究。

包括2001年由德國(guó)漢堡菲利浦研究所開發(fā)的磁性粒子成像(MPI)技術(shù)，其快捷、靈敏且安全等優(yōu)點(diǎn)，尤其在同步成像操作上，很可能替代目前用于評(píng)估心臟疾病的血管造影術(shù)。這一技術(shù)采用磁性示蹤劑，而不是通常用于血管造影術(shù)中的化學(xué)造影劑——因?yàn)槟承┗加新阅I臟疾病的患者，不能安全排泄掉血管造影示蹤劑：碘或釓。

相反，磁性粒子成像依靠注入血液中的氧化鐵納米顆粒。由于納米顆粒是超順磁的，意味著它們的平均磁性為零，但可通過外部磁場(chǎng)磁化——即使是由掃描設(shè)備產(chǎn)生的弱磁場(chǎng)——這一進(jìn)程導(dǎo)致粒子發(fā)出微小的可被檢測(cè)到的電磁信號(hào)。當(dāng)納米粒子傳遍血流時(shí)，其濃度變化可令其成為對(duì)心臟供血、心臟中的血的流速，以及對(duì)冠狀動(dòng)脈手術(shù)具有重要意義的關(guān)鍵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

迄今，雖然研究人員開發(fā)了只適合于小型動(dòng)物的原型掃描機(jī)，但伯克利加利福尼亞大學(xué)從事磁共振成像的史蒂芬·康諾利(Steven Conolly)認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)有可能令生物醫(yī)學(xué)成像產(chǎn)生根本性變革；包括克利夫蘭凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的納米材料學(xué)家安娜·薩米亞 (Anna Samia)也認(rèn)為，就對(duì)比度和靈敏度而言，MPI將超過MRI、超聲波、PET和CT掃描等成像方法，最終可用于活體內(nèi)追蹤干細(xì)胞以及炎癥的成像。

帶煙的利器

為了準(zhǔn)確地在手術(shù)切口邊緣工作，英國(guó)-匈牙利合作開發(fā)了一種設(shè)備，可以探測(cè)或分析手術(shù)過程中產(chǎn)生的煙霧（熱量），即顯示穿過切口的煙是癌組織還是正常組織。“現(xiàn)代手術(shù)的理念是要切除所有的腫瘤組織，”倫敦帝國(guó)學(xué)院的詹姆斯·金羅斯(James Kinross)說，“但是，在手術(shù)期間仍然沒有辦法確保安全?！鳖A(yù)估的數(shù)字表明，在乳腺腫瘤切除手術(shù)中，有超過五分之一的患者，可能未能清除所有的惡性細(xì)胞。

這款稱為iKnife的“煙霧傳感手術(shù)刀”，在通過電加熱切除組織的同時(shí)，用質(zhì)譜法分析手術(shù)中產(chǎn)生的煙霧，包括對(duì)組織代謝物的類型和濃度加以標(biāo)記，并參照庫(kù)中的讀數(shù)匹配，完成所有這些步驟不超過3秒鐘（相比之下，傳統(tǒng)的組織學(xué)方法完成這些步驟需要20～30 分鐘）。 不僅結(jié)果準(zhǔn)確，還縮短了病人麻醉的時(shí)間。

在臨床試驗(yàn)中，由倫敦帝國(guó)學(xué)院的佐爾坦·塔卡茲 (Zoltan Takats)和杰里米·尼克爾森(Jeremy Nicholson)領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)，在手術(shù)中用該設(shè)備實(shí)時(shí)標(biāo)記91片從病人身上切除、不符合參照庫(kù)且未被外科醫(yī)生發(fā)覺的腫瘤組織。在上述情況下，iKnife所標(biāo)識(shí)的腫瘤類型——包括腦、肺、乳腺、胃和肝的腫瘤——與那些由傳統(tǒng)方法確定的相匹配。

塔卡茲團(tuán)隊(duì)正在對(duì)三家醫(yī)院涉及結(jié)腸、乳腺、肝、婦科和泌尿科手術(shù)的觀測(cè)試驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)督。“下一階段將進(jìn)行隨機(jī)試驗(yàn)，一些醫(yī)生將基于這些數(shù)據(jù)作出判斷，”金羅斯說，“據(jù)此，我們將確定該設(shè)備在長(zhǎng)期意義上對(duì)腫瘤學(xué)療效的影響?！敝?，有許多外科醫(yī)生希望在開刀前獲知腫瘤邊界的影像，而不是手術(shù)時(shí)才用iKnife來感知腫瘤的邊界。

倫敦大學(xué)學(xué)院（UCL）高級(jí)生物醫(yī)學(xué)成像中心：由葡萄糖化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移技術(shù)(gluco-CEST)觀察到的腫瘤：相比深色區(qū)域，淺色區(qū)域有更高的對(duì)葡萄糖的攝取

國(guó)際間協(xié)作

現(xiàn)有的使用X光的成像技術(shù)之一CT，但并非必須使用X光。目前正在開發(fā)的兩種方法依賴于更為奇特的輻射：質(zhì)子束和同步輻射。

質(zhì)子CT，記錄質(zhì)子束在穿越患者身體的位置、方向和能量損耗，經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚?，即由?shù)據(jù)產(chǎn)生出人體三維圖像，可以供醫(yī)生診斷諸如癌癥等疾病，以及規(guī)劃下一步的醫(yī)療方案。美國(guó)北伊利諾伊大學(xué)(NIU)的喬治·庫(kù)塔肯(George Coutrakon)說，采用質(zhì)子束而非X光來提供人體密度更詳細(xì)的圖像，是因?yàn)橘|(zhì)子可在人體內(nèi)預(yù)測(cè)的深度釋放其能量(X光則以連續(xù)的方式發(fā)射能量)，放射科醫(yī)師可以精準(zhǔn)地對(duì)患者實(shí)施治療，以減少暴露于輻射下的健康組織。

2010年，北伊利諾伊大學(xué)、加州洛馬琳達(dá)大學(xué)，以及圣克魯斯加州大學(xué)合作完成了第一代質(zhì)子束成像系統(tǒng)。目前，北伊利諾伊大學(xué)、費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，正在合作建立第二代質(zhì)子束成像系統(tǒng)，即在幾分鐘內(nèi)生成人頭般大小物體的三維圖像。

正當(dāng)上述團(tuán)隊(duì)在圍繞質(zhì)子束開展研究時(shí)，一項(xiàng)國(guó)際性的協(xié)作，即一種基于同步加速器X光的CT成像系統(tǒng)正在開發(fā)：當(dāng)帶電粒子圍繞環(huán)形路徑被加速，會(huì)具有比常規(guī)產(chǎn)生的X光高得多的光能量。包括慕尼黑路德維格-馬克西米利安大學(xué)和洛杉磯加利福尼亞大學(xué)，對(duì)位于法國(guó)格勒諾布爾的歐洲同步輻射裝置光束產(chǎn)生的圖像應(yīng)用申請(qǐng)了一種新奇的算法：他們通過比典型的二維成像更少的輻射曝光，得到了人體乳腺三維CT圖像。由于乳房對(duì)輻射高度敏感，而避免過度暴露是一個(gè)很重要的步驟。盡管該算法仍處于初級(jí)研究階段，但該團(tuán)隊(duì)報(bào)告稱，它能“成為診斷乳腺癌的強(qiáng)有力的工具，使臨床醫(yī)生能更有效地應(yīng)對(duì)這一疾病?！?/p>

醫(yī)學(xué)影像學(xué)的進(jìn)步并不總是在如此大的范圍發(fā)生，佩蒂格魯援引一個(gè)NIBIB 9年前研制的具有獨(dú)創(chuàng)性的低成本成像儀Vscan舉例 （一個(gè)以電池供電、手持式的超聲設(shè)備，于2009年公布）。“一些著名的心臟病學(xué)家認(rèn)為，Vscan有可能會(huì)成為未來的聽診器，”佩蒂格魯說，“不僅僅是因?yàn)樗∏沂州p便，它的成本還比常規(guī)超聲設(shè)備低20倍?！备鶕?jù)同樣的獨(dú)創(chuàng)性，賴斯大學(xué)的麗貝卡·R·科圖姆(Rebecca R.Kortum)正在與他人合作開發(fā)微型顯微鏡，旨在實(shí)現(xiàn)其小到足以放入實(shí)時(shí)診斷活組織的檢查針孔內(nèi)。

如此多的研發(fā)工作在進(jìn)行，目標(biāo)是開發(fā)更快捷、更清晰、更安全的成像技術(shù)——或許，由這些新技術(shù)開發(fā)的產(chǎn)品很快會(huì)在你家附近診所出現(xiàn)。佩蒂格魯說：“我們推崇那些以變革性方法做出新的發(fā)現(xiàn)，并獲取有關(guān)生命的本質(zhì)、或生理學(xué)以及疾病的知識(shí)的科學(xué)家?！痹谡劶癗IBIB以及生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域的方方面面，他如數(shù)家珍，目標(biāo)是“我們著力要開發(fā)診斷和治療疾病的新方法。”