第四节　分子成像常见技术方法

一、磁共振成像

磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是利用原子核在强磁场内发生共振所产生的信号经过图像重建的一种成像技术。MRI的基本原理是基于生物磁自旋成像技术，通过对处于外加磁场中的人体组织中的氢原子施加射频脉冲激发，产生磁共振现象，经过空间编码技术，用感应线圈采集以电磁形式放出的磁共振信号，经计算机的数据处理转换，建立反映人体各组织信息的数字图像。由于MRI所获得的图像具有极好的软组织和空间分辨率，丰富的信息量，MRI技术灵活多变（如任意角度成像，多种成像序列和成像方法），且成像技术本身具有无创性，使得MRI不仅成为临床疾病诊断必不可少的检查手段，也为分子影像学的研究和应用提供了无限可能。

磁共振（magnetic resonance，MR）分子成像是在传统MRI基础之上，借助于分子成像探针的特异性及信号放大作用来提升磁共振检测的灵敏度，进而在活体条件下，无创性地、实时地检测生物细胞内正常或病理状态下分子功能状态的技术。MR分子成像与传统MRI的最大区别在于，它是在传统MR技术的基础之上，以特殊分子或细胞作为成像对象，把非特异性的器官和组织水平的物理成像转向特异性的基因、分子水平的分子成像。MR分子成像除了具有传统MRI的所有优点以外，还具有可以在活体完整的生理、病理状态下研究疾病的发病机制、进展过程及疾病的决定因素，以及干预疗效，甚至可以在基因治疗后、表型改变前，评价基因治疗的早期效果，并提供三维信息等的独特优势。但是MR分子成像的检测敏感性较核医学及光学成像技术要低数个数量级，达到微摩尔（μmol）水平，因此需要大量的对比剂在靶组织内聚集及强大的信号扩增系统，这在一定程度上限制了其研究和应用。

MR分子成像技术的特点决定了其核心主要为分子成像探针、成像技术和设备、报告基因三个因素。对MR分子成像技术的三个核心因素的研究不是互为独立、相互分割的，而是在特定条件的有机统一和相互促进。目前，MR分子成像研究常用的技术绝大部分是基于直接成像或报告基因成像方法的常规MR结构成像，其使用的主要为T1或T2加权成像技术（T1 weighted imaging，T1WI；T2 weighted imaging，T2WI），因此检测的灵敏度还有很大的提升空间。近年来各种新型的MRI技术和超高场强（7.0T及以上）成像设备相继被开发和应用，同时分子生物学、材料学、物理学等科学技术飞速发展，这对MR分子成像技术的发展，特别是检测灵敏度的提升方面具有很好的促进作用。例如基于化学交换饱和转移（chemical exchange saturation transfer，CEST）技术的分子探针的研发，特别是将CEST与原子超极化技术的有效结合，借助于超高场MRI设备，极大地提升了MR分子成像的检测灵敏度。而将磁敏感加权成像（susceptibility weighted imaging，SWI）技术与可激活分子成像探针的设计相结合，则能够有效地提升分子探针对疾病靶点（如酶、分子等）的特异性反映能力。

二、CT成像

1972年X线计算机体层成像（computed tomography，CT）的诞生，为临床疾病的诊断提供了强有力的手段，其具有极高的空间和密度分辨率，特别是极好的时间分辨率等应用优势。CT的成像的工作原理虽然与普通X线成像有所不同，但它们成像的基础一样，利用的是X线在被检测物质中的衰减，与物质的厚度及物质固有的衰减系数密切相关。以碘剂和钡剂为主的对比剂的使用极大地拓展了CT在疾病诊断中的敏感度和应用范围。但是，在分子影像学成像上，相比于其他成像技术，以显示解剖结构改变为基础的CT技术，无论在诊断的灵敏度，还是在诊断的特异性方面，均具有一定的局限性，因此，临床上较少用其作为分子成像设备去检测病变的功能以及分子水平的变化。但是随着CT技术、材料科学以及分子生物学的发展，新型的CT设备如微小 CT（micro CT）、能谱 CT（spectral CT）相继成功研发，各种基于特殊材料与分子生物学技术相结合的新型CT成像探针不断产生，这为CT技术应用于分子成像提供了更多的可能。

micro CT由于采用了与临床常规CT不同的微焦点X线球管，分辨率明显提高，可达微米级，如对小鼠成像的图像分辨率达到50μm，而对骨小梁样本的成像上分辨率可达 14μm × 14μm × 14μm 像素。因此，micro CT的出现，为CT技术在分子影像学临床前动物活体研究、新药开发及疾病机制等方面的研究提供了有效手段。

新型CT对比剂的研究，为CT技术在分子成像上发挥作用提供了另一条有效途径，特别是其与诸如micro CT、spectral CT等新型CT成像设备的有机结合。由于CT本身的成像特点，CT分子成像探针的成像核心仍是基于对X线吸收能力的提升，因此高原子序数的金（Au）、碘（I）是研究中应用的最多的成像物质，而其他一些物质如钬（Ho）、镱（Yb）等也见研究报道。直接成像中的靶向性成像仍是CT分子成像最常用的成像策略，包括主动靶向和被动靶向两个部分。分子探针主动靶向靶点的方式，主要有：①抗原-抗体途径，例如利用抗三磷酸鸟苷（guanosine triphosphate，GTP）结合蛋白的抗体与Au和I的复合物构建的分子探针，可以实现CT对恶性肿瘤的特异性显像；②蛋白-蛋白途径，将胶原结合黏附蛋白35（collagen-binding adhesion protein35，CNA35）与金纳米颗粒连接构建分子成像探针，能够有效靶向心肌瘢痕组织中的胶原蛋白，实现CT对心肌瘢痕符合的有效评价；③蛋白（肽）、小分子-受体途径，例如叶酸修饰的金纳米颗粒，能够被叶酸受体过表达的恶性肿瘤细胞有效摄取，在肿瘤组织中形成明显的CT增强效果，而构建的碘纳米多聚物除了本身比普通碘对比剂具有更高的CT成像能力外，借助于靶向基团含精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸序列的肽（arg-gly-asp，RGD），更可实现对恶性肿瘤微血管生成情况的评价。分子成像探针被动靶向靶点的方式主要有，肿瘤的“EPR（enhanced permeability and retention）”效应，细胞的特殊识别和摄取。例如以Au和高密度脂蛋白（high density lipoprotein，HDL）构建的分子探针可以被小鼠主动脉壁动脉粥样硬化易损斑块中的巨噬细胞所吞噬，进而通过CT实现对动脉粥样硬化斑块的风险评估。除了靶向性成像外，近几年来，基于CT成像的可激活分子探针的研究也逐渐报道，这为CT分子成像用于检测疾病的功能和分子水平的变化提供了借鉴价值。例如通过Au与牛血清白蛋白（bovine serum albumin，BSA）以及硝基咪唑构建的分子成像探针，其硝基咪唑成分可被在肿瘤乏氧区明显增多的硝基还原酶还原成氨基，进而引起探针在肿瘤内大量聚集，并被CT成像所反映，且CT增强的效果与肿瘤乏氧的程度呈正相关。而构建的基于金纳米颗粒，且具有组织蛋白酶响应性的分子探针，可以实现CT分子成像探针对肿瘤内组织蛋白酶活性的有效评价，而后者的活性与肿瘤的转移以及预后密切相关。

三、放射性核素成像

放射性核素成像（radionuclide imaging）是利用放射性药物能选择性分布于特定的器官或病变组织的特点，将放射性药物引入患者体内，以脏器内、外或正常组织与病变之间对放射性药物摄取的差别为基础，利用显像仪器从体外获得脏器和组织功能结构影像的一种核医学技术。

用于脏器、组织或病变显像的放射性核素或其标记化合物称为显像剂（imaging agent）。核素显像的基本原理是放射性核素的示踪作用，不同的核素显像剂在体内有其特殊的靶向分布和代谢规律，常选择性聚集在特定的脏器、靶组织，与邻近组织之间的放射性分布形成一定的浓度差异，从而被测量仪器探测并显示出脏器、组织的形态、位置、大小和脏器功能以及某些分子变化。还可以在一定时间内多次显像，获得脏器、组织的系列图像，在此基础上计算出特定区域的时间-放射活性曲线及相应的参数，从而进行定量分析。不同脏器的显像需要使用不同的显像剂，同一个脏器的不同功能测定也需要不同的显像剂。不同显像剂在特定脏器、组织中的分布聚集的机制各不相同。

显像剂释放的射线类型不同，其探测和显像设备也不同，可以分为单光子显像（single photon imaging）和正电子显像（positron imaging）。使用γ照相机、SPECT对显像剂中放射性核素发射的单光子进行显像的称为单光子显像；使用PET、符合线路SPECT对显像剂中放射性核素发射的正电子进行显像的称为正电子显像。

放射性核素成像的分类方法，根据不同的视角可以分成多种类型：①根据影像获取的状态可以分为静态显像和动态显像；②根据显像部位可以分为局部显像和全身显像；③根据获取影像的维度可以分为平面显像和断层显像；④根据影像获取的时间可以分为早期显像和延迟显像；⑤根据病变组织对显像剂的摄取与否可分为阳性显像与阴性显像；⑥根据成像时机体的状态可以分为静息显像和负荷显像；⑦根据显像剂释放的射线类型可以分为单光子显像和正电子显像。在临床实践中，核素成像方法很难用一种单一的分类方法概括，比如甲状腺功能亢进症的核素显像，既是一种静态显像，也是平面显像、阳性显像或局部显像。

放射性核素成像反应器官组织的血流、代谢和功能变化，与X线、CT、MRI等主要建立在解剖结构信息基础上的影像技术比较，在临床应用方面有以下特点：①核素成像借助新型显像剂可以观测到分子水平代谢和化学信息变化，在疾病早期尚未出现形态结构改变时就可以诊断疾病，有助于疾病的早期诊断；②核素成像的多种动态成像方法可计算出多种功能参数，可用于病变的定量分析，如疗效观察和对比、预后分析；③核素成像的本质是建立在放射性药物与靶器官、靶组织特异性结合的基础上，具有较高的特异性；④通常使用生理剂量或更微小剂量的显像剂，灵敏度高，不会扰乱机体的内环境，过敏和其他毒副作用极少，辐射剂量小，安全、无创。当然，核素成像的对空间分辨率不高，对组织结构的解剖细节显示不及常规影像学方法。以PET/CT、SPECT/CT、PET/MR为代表的多模态（multiple modality）成像技术实现了功能影像和结构影像的融合，将核素成像的高灵敏性与结构影像的高空间分辨率等技术优势有机结合，是分子影像和医学成像的发展方向。

四、超声分子成像

超声分子影像学是分子影像学的一个分支，是将分子生物学、物理、化学及材料学等与超声医学相结合的一门新兴学科。超声分子成像是指携带配体或抗体的超声成像靶向对比剂与靶组织结合，应用超声造影技术表现靶组织在组织、细胞及亚细胞水平的变化，从而反映病变区组织在分子基础方面的变化，因而其与超声对比剂的发展密不可分。靶向超声对比剂即超声分子探针，携带靶向配体，可与活体细胞结合，用作分子成像和治疗。超声分子成像可以与靶向给药相结合，实现在分子成像的同时进行治疗。靶向给药是通过靶向超声微泡携带或包裹药物分子，并与肿瘤或炎症血管内皮的靶向位点结合，通过气泡破裂将药物分子释放，从而达到定点给药的目的。常见的超声分子成像应用有炎症组织成像、血栓成像，以及肿瘤和新生血管的靶向成像等。

近年来，随着材料、化学、分子生物学和现代超声医学的发展，超声分子成像技术取得了极大发展。超声对比剂的种类也越来越多，功能也越来越丰富，如从微米级对比剂到纳米级对比剂，从单一靶点对比剂到多靶点对比剂，从单一模式的超声对比剂到多模式对比剂以及集诊断、治疗功能于一体的诊疗剂，从有机超声对比剂到无机超声对比剂再到有机/无机杂化的超声对比剂，从常规血池显影对比剂到外源、内源或是肿瘤微环境刺激响应超声对比剂；这些发展、进步扩大了超声成像的应用范围和提高了超声诊断的准确性和效率。随着人们将其他一些功能纳米粒子、药物或基因引入超声对比剂中，超声分子成像已不再是一项单纯的成像诊断技术，它正向“多模态成像”和“诊疗一体化”方向发展，将在疾病的诊断和治疗中发挥重要作用。

超声分子成像具有分辨率较高、非放射性、操作简单和实时成像等优点，已成为医学成像领域新的研究热点。然而目前超声分子成像还处于实验研究阶段，真正应用到临床上还存在一些亟待解决的问题：如何设计兼具良好生物相容性和靶向作用的超声对比剂；如何定量化评价超声造影效果；如何延长对比剂在血液中的停留时间。相信随着医学影像技术和现代分子生物学的进一步结合和发展，这些问题必将得到解决。

五、光学成像

光学成像技术具有无电离辐射、操作简单、成本低等优点，广泛用于分子、细胞和小动物成像研究，有些光学成像技术已经应用于临床。根据发光原理，光学成像技术可分为生物发光成像、荧光成像、光学相干断层扫描、拉曼成像、光声成像以及其他类型的成像技术（契伦科夫荧光成像、契伦科夫激发荧光成像、X射线激发荧光成像、放射性核素荧光成像）等。

（一）生物发光成像

生物发光成像（bioluminescence imaging，BLI）是将萤光素酶（luciferase）报告基因标记细胞，当萤光素酶蛋白表达时给予外源底物，无需激发光，萤光素酶催化底物氧化反应即产生可被电荷耦合器件（CCD）镜头检测到的发射光，具有灵敏度高、特异性强、背景极低的优点。萤光素酶是来源于细菌、海洋甲壳类动物、鱼和昆虫的一类发光蛋白家族。最常用的真核表达萤光素酶包括：萤火虫萤光素酶和海肾萤光素酶。生物发光成像的缺点是需要底物，发射光子的穿透性低，与荧光成像相比需要更长的采集时间，不易向临床转化（图1-1-4-1）。

（二）荧光成像

荧光成像（fluorescence imaging，FI）是荧光物质被激发光照射后，产生可被CCD镜头检测到的发射光。

根据激发波长和发射波长的不同，可以将荧光成像分为下转换和上转换荧光成像。下转换荧光成像也称为斯托克斯发光，由高能量、短波长的光作为激发光，发射出低能量、长波长的发射光；上转换荧光成像即反-斯托克斯发光，由低能量、长波长的光作为激发光，发射出高能量、短波长的发射光。活体荧光成像通常使用以下三种标记方法：荧光蛋白报告基因、有机小分子荧光染料和纳米材料。

荧光成像所用物质按其发射光波长分为可见光（400～700nm）、近红外Ⅰ区（700～1 000nm）、近红外Ⅱ区（1 000～1 700nm）。荧光成像不需要底物，由于常用的荧光成像具有组织穿透力低、背景高等缺点，仅限于浅表组织、腔镜可到达组织或术中的组织成像。近红外Ⅱ区荧光成像与传统的荧光成像相比，具有更强的组织穿透能力和更低的背景，是目前光学成像的研究热点（图1-1-4-2）。

（三）光学相干断层扫描

光学相干断层扫描（optical coherence tomography，OCT）是利用光学干涉成像的原理，将发射光源分为两束，分别照射到检测样品（信号臂）和反光镜上（参考臂）；然后信号臂和参考臂反射的信号叠加，一旦信号臂与参考臂的长度一致，就能发生干涉；通过不同物质反射回来的光信号，分辨组织类型；样品反射能力较强的区域会产生较强的干涉，而超出干涉长度的反射光将不会产生干涉。OCT分为时域 OCT（TD-OCT）和频域 OCT（FD-OCT）。TD-OCT是在同一时间内将样本反射光进行叠加、干涉并成像，这种方法扫描速度有限。FD-OCT是通过改变光源光波的频率产生干涉信号，从而提供了成像速度并改善了图像信噪比。OCT技术的主要优点是具有显微级的空间分辨率、提供直接的组织形态图像，在眼科和冠脉成像等方面，已广泛用于临床。OCT血管成像（OCTA）技术是研究活体组织血管网络和微循环的重要工具，有研究显示某些对比剂能够增加微血管显像的敏感性（图1-1-4-3）。

（四）拉曼成像

拉曼成像（Raman imaging）原理基于拉曼效应。当光与介质相互作用时，大部分光被弹性散射，即散射光与入射光具有相同的能量、频率和波长；一小部分光是非弹性散射的，散射光具有较低的光学频率或能量，以及比入射光更长的波长。这种非弹性散射的现象称为拉曼效应，而各种不同分子组成的物质产生不同的非弹性散射光。拉曼成像分为自发拉曼成像、非线性拉曼成像和新型拉曼成像。拉曼成像用于疾病诊断的策略有两种，一种是基于病变组织与正常组织内在拉曼光谱特征的不同，另一种是使用具有拉曼活性的纳米粒子作为对比剂进行成像（图1-1-4-4）。

（五）光声成像

光声成像（photoacoustic imaging，PAI）以光为媒介、以光声效应为物理基础、集成了光学成像及超声成像的混合式成像技术。它是通过光照射组织，组织内源分子或外源对比剂吸收光子后产生热膨胀，发射出超声波，被超声信号探测器检测到并形成图像。光声成像具有高空间分辨率和良好的组织穿透性等优点。光声对比剂可分为内源性和外源性两种。内源性光声对比剂包括血红素、脱氧血红素、黑色素、荧光蛋白报告基因等；外源性光声对比剂包括小分子近红外荧光染料和纳米材料（如纳米金、碳基材料）（图1-1-4-5）。

（六）其他类型的光学成像

契伦科夫荧光成像（ČerenkovLuminescence imaging）：指放射性核素衰变时，发出伽马射线的同时也会发出可见光和近红外光，可用光学成像设备采集这种光进行成像。

契伦科夫激发荧光成像（Čerenkov excited fluorescence imaging）：指用放射性核素衰变时发出的契伦科夫荧光去激发其他的荧光染料所进行的成像。

X射线激发荧光成像（X-ray excited fluminescence imaging）：是指用X射线激发一些材料发出荧光进行成像，主要是镧系稀土纳米材料。

放射性核素荧光成像（radiopharmaceutical excited fluorescence imaging）：指用伽马射线和契伦科夫荧光同时激发其他的荧光染料所进行的成像（表1-1-4-1）。

六、多模态成像

多模态成像是指利用两种或两种以上的医学影像模式或成像技术对同一检测对象进行成像以获得补充信息，实现对疾病解剖、功能、代谢及分子信息的全面反映。近年来，虽然各种单模态的成像技术取得了飞速的发展，但是从单一模态成像方式中所获取的信息尚不足以完全满足对疾病精准诊断的要求。例如光学成像在疾病信息检测方面具有极高的灵敏度，但是组织穿透深度及空间分辨率方面具有很大的局限性；CT具有极高的空间分辨率和时间分辨率，但软组织分辨率有待提高；MRI具有极好的软组织和空间分辨率，丰富的成像参数，但时间分辨率和成像敏感性欠佳；PET成像具有与光学成像相媲美的检测灵敏度，且无组织穿透深度限制，但空间分辨率低等。为了弥补各种单一成像模式的不足，通过合适的方法，将多种成像技术有机整合，实现对疾病结构和功能诊断的同机融合，已成为分子影像学成像发展的重要趋势，并将为分子成像开辟更广阔的研究和应用空间。

目前多模态成像技术已部分进入临床应用，主要为成像设备和软件的融合。PET与CT成像技术的成功融合，实现了在同一台设备上对同一检测对象解剖图像和功能图像的近乎同时获取，为临床疾病精准诊断提供了新的有效途径。随之，PET与MRI的融合也成功完成，并投入临床使用。而MRI与超声图像的技术整合，更极大地提高了经直肠超声（transrectal ultrasound，TRUS）引导下前列腺穿刺的准确性。

纳米医学技术的飞速发展，各种集多种特性（如光、电、磁、热等）于一身的纳米复合材料相继被合成，这为分子影像学多模态成像技术的研究提供了可能。例如在上转化发光纳米颗粒（upconversion nanoparticles，UCNPs）中掺杂稀土材料构建的分子成像探针，可同时实现光学成像、MRI、CT等多模态分子成像；用金纳米棒与铁金属有机框架材料（metal-organic framework，MOF）构建的核壳结构分子成像探针，能够将光声成像（photoacoustic imaging，PAI）、CT与MRI在一个纳米体系中实现。虽然，目前基于纳米分子成像探针的多模态分子成像技术还局限于临床前的实验研究中，但相信在不远的将来，多模态分子成像技术一定会在临床疾病精准诊疗中发挥巨大的作用。

（王培军　徐辉雄　左长京　沈爱军　李　丹）