科学研究的任务是通过现象去认识本质,只有通过对大量现象的研究,才能发现事物的本质,达到科学的认识.诊断疾病也是这样,疾病的真相需要基于大量临床资料的严密逻辑推理后得出.在获得组织病理学标本前,影像医学对器官改变的直接呈现使疾病诊断和鉴别诊断变得更为直观和更有说服力.特别是功能与分子影像学的飞速发展,让人们的视野超越了形态学领域,并从功能与分子水平去认识疾病的发生、发展规律,这对临床医学的影响是非常深远的.临床医师可以早期、准确、一目了然地看到疾病的证据,一些通过物理诊断和实验室检查难以发现的病变可及时被发现和治疗,传统的医疗流程和模式开始转变,人们对生命和疾病的认识开始发生变革[1].影像医学发展到今天,我们不禁开始思考 :影像医学与临床医学关系是什么?在临床医学中价值有哪些应用?它未来的发展趋势如何?
1 临床医学是影像医学的基础
随着人类与疾病斗争过程中对正常与异常变化规律认识的不断深化,对疾病的诊疗也从早期的经验医学发展到现在的循证医学,因此寻找疾病证据对诊断技术提出了更高要求.古人以神明和朴素的自然哲学思维运用占卜、巫术、神灵和阴阳五行学说诊疗疾病.医学发展到近代,叩诊法、听诊器、一系列测量仪和光学器械,以及化学分析方法开始出现,医学辅助诊断的方法逐渐丰富.1895 年,伟大的德国物理学家伦琴发现了肉眼看不见的 X 射线,至 20 世纪初 X 射线诊断成为临床医学的重要手段,从此影像医学应运而生,成为现代医学不可分割的重要组成部分.
影像医学一般定义是成对人体组织非侵袭性的成像诊疗技术,切除后的器官或组织也可进行医学成像,但通常是划分到病理学的范畴.随着医学模式逐渐向生物 - 心理 - 社会医学模式转变,医学的境界不断拓展,在诊断和治疗上更强调关心患者,关注社会,注重技术与服务的共同提高.人们不仅仅要求微创甚至无创诊疗方法,还要求对疾病进行早期诊断和预防,因此医学模式的转变就必然要求和促进诊断方法不断变革和更新,影像医学飞速发展的基础和动力即来源于此.
1.1 常规(经典)X 线成像 它的发展经历了非数字化 X 线摄影(屏 / 胶结构)、计算机 X 线摄影技术(computer radiography,CR)和数字化 X 线成像技术(digital radiography,DR).影像接收器采用屏 / 胶结构形式已有 100 多年历史,随着数字X 线(CR、DR)的出现,屏 / 胶结构成像已逐渐被 CR 的 IP 板、DR 的平板接收器等所代替,非数字化 X 线成像向数字化 X 线成像方向发展成为必然.CR 是 X 线成像技术迈向数字化的第一步,使经典 X 线影像空间、密度及时间分辨力大大提高.CR 成像的过程为 :成像板(IP 板)采集信息→数字化处理→贮存→传输→成像.平板探测器的发明是实现 DR 成像的关键,该技术真正在空间、密度及时间分辨率上有质的飞越.其成像过程是 :平板探测器采集信息→数字化处理→成像.DR 摄影的重要技术之一是双能量减影摄片(dual-energy subtraction),该技术利用两次不同剂量 X 线对同一部位曝光而获得的图像,根据诊断需要可显示不同的组织结构如骨骼、软组织或肺等.
1.2 造影技术 包括非血管性和血管性造影技术,它极大地推动了影像医学和临床医学的发展.造影剂,如钡剂、碘剂等的发明与应用是医学影像学的革命性进步.非血管造影技术自 X 线成像应用不久就应用于临床诊断,使影像医学迈入结构与功能相结合的时代,如消化道钡剂检查,呼吸道、胆系和泌尿系造影等.碘剂的发明与应用使血管造影成像成为可能,血管穿刺技术的发明与应用使血管造影成为现实,血管穿刺插管技术的发明与应用真正实现了超选择性血管造影成像,是现代血管微创诊疗医学划时代的进步.数字减影血管造影技术(digital subtraction angiography,DSA)是在常规血管造影成像基础上发展起来的,有很高的空间和密度分辨率,多轴旋转式 DSA 技术,甚至能动态显示血管结构并行 3D 重建.
1.3 CT 1971 年 9 月,第一台头颅计算机断层扫描(computed tomography,CT)机在英国问世,由于此项杰出发明对人类的巨大贡献,Hounsfield(CT 机的设计和制造者)与 Cormack(CT 算法的发明者)共同获得了 1979 年度诺贝尔医学和生理学奖.1974 年,美国 George Town 医学中心工程师 Ledley 设计了全身 CT 机 ;1989 年,滑环技术和连续进床技术的出现使螺旋扫描采集成为可能,螺旋 CT 因此出现 ;1998 年,推出的多层螺旋 CT 使得球管旋转 1 周可同时获得多幅横断面图像,扫描速度大大提高.此后,CT 设备与技术进入迅猛发展的时代,16 层螺旋 CT 的出现使扫描中体素采集实现了各项同性,在此基础上就可以获得高分辨率的影像资料,并进行高质量的影像后处理.
1.4 MRI 长期以来 , 人们设想用无创性的方法既能取得活体器官和组织的详细诊断图像,又能监测活体器官和组织中的化学成分和治疗反应,磁 共 振 成 像 技 术(magnetic resonance imaging,MRI)的出现使这个设想得以实现.MRI 因其极好的软组织分辨力、多参数成像等,可提供人体功能与代谢信息、自由任意层面成像和无电离辐射损伤等,对全身各系统疾病的诊断,尤其是早期肿瘤的诊断有着巨大的价值.2003 年 10 月 6 日,Lauterbur 和 Mansfield 两位科学家因在磁共振成像技术领域的突破性成就而共享诺贝尔生理学或医学奖.
1.5 PET 融合成像技术 , 如正电子发射断层显像(positron emission tomography,PET)技 术 与CT、MR 技术(PET/CT、MR/PET)同机化融合是21 世纪医学影像学在新理念形成、新思维模式及工作方法的建立的革命性进步,它满足了临床医学同时对病变结构和功能改变无创性评估的需求[2-3].脑磁图(magnetoencephalograph,MEG)是一种完全无创的脑功能影像检测成像技术,它与 MR 影像叠加整合,可对脑解剖与功能学精确定位,并实时反映脑功能的瞬间变化,具有高灵敏度(5fT-1pT)、高空间分辨率(< 2 mm)、高时间分辨率(< 1 ms)等特点,其信号源需要大约十万个神经元同时活动,产生足够强大的生物磁场,才能被颅外表面分布的 MEG 传感器检测到[4].但在任一时刻,大脑上千亿个神经元中仅有 10 ﹪在活动.在简单回顾影像设备及技术发展的历程中发现,任何一种单一的影像学手段都不是完美和万能的.现代临床医学在不断探寻疾病发生、发展机制和证据的过程中,需要对人体组织器官的生理和病理状态进行结构、功能,甚至分子层面的精细和无创性呈现,这种需求决定了影像医学设备和技术的发展永无止境,从业者理念和思维更新也永无止境.
2 影像医学发展推动临床医学进步
临床医学进步极大地推动了影像医学的发展,同时影像医学发展又反过来促进了临床医学的进步.
2.1 获取诊疗证据 通过影像学手段可获得更可靠、更翔实、更完整的诊疗依据 :影像设备和技术的不断进步,以及诊断水平的不断提高,使临床诊疗疾病过程中无创或者微创性地获得更可靠、更翔实、更完整的接近病理学的影像信息,有效地提高了诊疗水平.例如,随着多层螺旋 CT 的快速发展,CT 血管造影(CT angiography,CTA)在冠状动脉的显示中已具有巨大的优势.该技术对钙化、软斑块和心肌桥的显示有独有的功能.软斑块为不稳定性粥样硬化,是发生急性心肌梗死最危险的因素,但在 DSA 上无法直接显示,CTA 可检测到小至 0.16 mm 的软斑块[5],可指导及时介入治疗,因此 CTA 有望取代 DSA 作为冠状动脉疾病检查的"金标准".另外,MR 和 CT 均可实施心肌灌注显像和心脏功能分析,并获得心肌毛细血管水平的灌注状况和心功能参数等,为临床治疗提供更多更可靠的影像资料和证据,以此提示治疗指征及预后.
2.2 早期发现早期诊断早期治疗 现代医学影像技术能早期发现和早期诊断(如微小病灶、功能和代谢水平异常的确诊等)疾病,使早期治疗甚至超早期治疗成为现实,从而提高生存率.对于恶性肿瘤患者,延长生存期的根本出路在于早期诊断 ;而非肿瘤性疾病,如急性脑血栓、心肌梗死、肺动脉和外周血管栓塞,早期溶栓的疗效亦十分显着.例如每年低剂量螺旋 CT 筛查比常规的胸部 X 线片能更早地发现早期肺癌,并使重度吸烟患者肺癌死亡率降低 20 ﹪[6].多层 CTA 技术和MR 弥散加权成像技术可及时对血管栓塞疾病作出早期诊断,且快速、简便、易行,可对病变血管进行精确定位并指导溶栓治疗.
2.3 疗效评价和肿瘤分期 影像学连续性观察和随访,对疗效评价越来越客观可靠,可为科学合理治疗提供依据,对恶性肿瘤的客观准确分期由理论成为现实.恶性肿瘤的疗效评价直接决定是否需要调整治疗方案,其准确性关系治疗的成败.
依靠三维重建技术可对治疗中的肿瘤大小变化进行精确评估 ;功能与分子影像学的发展甚至可以在肿瘤的形态学改变之前测量病灶内部的水分子弥散程度 ;继而反映肿瘤组织细胞数量和细胞膜完整性是否改变等信息 ;还可以测量肿瘤的灌注参数,继而间接反映微血管密度和通透性的改变,甚至可以评估肿瘤在治疗过程中代谢物的变化,这些均可为临床疗效的早期评价提供依据.恶性肿瘤的准确分期也得益于功能与分子影像学的发展,如前所述,MR 弥散加权成像技术可以早期发现病灶内因组织细胞数量增加和胞膜完整性改变导致的水分子弥散受限,这就可为早期和准确地发现肿瘤淋巴结转移提供依据[7].基于葡糖糖代谢的 PET/CT 成像早已在临床广泛应用,并对肿瘤的 TNM 分期作出巨大贡献[8].
2.4 诊疗模式变革 由于影像医学的飞速发展和革命性进步,使诊疗模式发生巨大变化,如微创医学、多学科协助、复合手术室等开始出现.随着医疗设备和医院信息化建设的发展,临床科室和影像科之间的资料传输和共享越来越方便,临床诊断和治疗对影像资料的依赖性日益增强,影像提供的信息和诊断结果可作为一个桥梁,从系统和全局的角度对疑难病例进行综合分析,以指导多临床学科间的协作.影像设备的实时成像特点使临床治疗的视野延伸到普通外科器械,甚至药物难以触及的领域,由此带来微创医学的兴起,让患者受益匪浅.诊疗技术日益微创化已是今后临床医学发展的方向,神经介入、心脏介入、外周血管介入等微创技术已成为相应血管疾病的首选治疗手段,人们对这些技术疗效的惊叹足已成为这场变革的最大动力.
3 临床医学发展促进了医学影像学的进
影像技术的进步主要包括四个方面 :(1)由非数字化向数字化方向发展 (;2)由平面成像向断层成像方向发展 (;3)由形态成像向功能和代谢成像发展 (;4)由单一模式成像向融合模式成像发展.由此带来的影像诊疗模式如下变革.
3.1 高度综合化 DR、DSA、CT、MR、PET、PET/CT、MR/PET 等高端影像技术应用,使影像医学有了革命性进步.但是这并不等于一种技术代替另一种技术,而是要求人们更科学合理地综合应用这些高端技术的各自优势,以达到资源的最佳整合和利用.所谓多模态综合影像诊断的含意就包括不同设备不同技术的综合、同种设备不同技术的综合,以及多模态比较影像医学建立等.
3.2 高度精准化 随着影像设备分辨力不断提高、功能逐渐多样化,特别是功能与分子影像学的出现,如 MR 波谱成像、代谢示踪成像、弥散成像、灌注成像和血氧水平依赖脑功能成像(blood oxygenlevel dependent functional MRI,BOLD-fMRI)等,使早期诊断和恶性肿瘤准确分期成为可能[9-12].
3.3 诊疗一体化 介入放射学的飞速发展使影像技术同时兼备诊断和治疗的功能,从一个穿刺点、一根导丝到外科手术和药物难以企及的治疗靶点,这是生物 - 心理 - 社会医学模式下对疾病微创化诊疗需求的必然产物和结果,也是临床医学助推影像医学进步的典范.
3.4 诊疗规范化 由于影像医学与临床医学是不可分割的,其诊疗过程必然要遵循后者的规范化操作要求,要根据设备和仪器条件合理地选择检查项目,并达到一定的质量控制标准,以提高诊断的准确性,减少漏诊和误诊,以在最大限度地满足临床和患者的需求.
3.5 管理模式变革 在学习和借鉴国外先进医疗、科研和教学模式的同时,要注重与实际相结合,创造出适合本学科发展、合理的管理模式.例如,影像诊疗活动要强调规范化,要注意人性化和个性化.影像医学只有不断创新才能持续发展,创新活动不仅仅局限在仪器和设备的创新,更深层次的应该是理念上的创新,从二维到三维、从静态到动态、从结构到功能、从宏观到微观的创新.我们应该认识到,影像医学的时空观已经发生深刻的变革,以往的思想和思维方式必须不断地更新才能紧随现代医学快速发展的步伐.但不管什么形式的创新和科研都应以临床医学需求为导向,使其成果转化为可服务于临床与患者的新技术和新业务.此外,影像技术的进步需要有相应的人才去开发和应用,人才的规范化培训和继续教育是影像学科保持创新能力和竞争力的关键问题.因此,只有通过医疗、创新和人才资源的优化和整合,一个影像学科的综合实力才能得到提高,仅仅依靠好的设备和仪器支撑起的影像学科只不过是虚无缥缈的空中楼阁,是无法满足临床医学发展与需求的.
4 展 望
分子影像学是综合影像技术,它是集合了分子生物学、核医学及计算机等科学的一门新兴学科,与功能影像结合,称为功能与分子影像学,是21 世纪最具发展前景的学科之一.分子影像学中"分子探针"的研发和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!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诊断和治疗最新发展方向,如将11C 标记在易瑞沙(Iressa)或与易瑞沙结构类似的药物上,利用 PET 显像,在体外可通过放射性分布情况判断肿瘤是"喜"(Iressa￡还是"厌"(Iressa￡[13].
影像医学与临床医学的进一步融合将促进一体化手术室的建设,其功能包括患者重要信息和医学影像资料的快速查看和 PACS 存储,手术录像的交流和共享可使低年资医生水平迅速提高 ;手术室设备的智能化控制,预置个性化的手术间设备参数,符合人体工程学的安全设计和影像医学证据术中实时采集等.此外,高度信息化、网络化及数字化可使图像存储、通讯系统及远程放射学高度发达,整合和共享资源变得十分方便 ;智能型工作站的应用使计算机辅助诊断和治疗成为可能,人工智能技术亦将应用于影像诊断和介入治疗,而介入治疗则趋向实时、立体及少或无 X线辐射伤害,组成了与内镜、微创诊疗等相结合的大平台.
5 结 语
总之,影像医学是临床医学的重要组成部分,两者的发展相辅相成,相互依存,又相互促进了现代医学的进步.
参考文献
[1] 陈自谦 , 倪萍 , 李天然 , 等 . 数字化时代医学影像学科建设与管理相关问题探讨 [J]. 医疗卫生装备 , 2007,28(1):43-45.
[2] Mawlawi O, Townsend DW. Multimodality imaging:anupdate on PET/CT technology[J]. Eur J Nucl Med MolImaging, 2009, 36(1):15-29.
[3] Gaertner FC, Fürst S, Schwaiger M. PET/MR:a paradigmshift[J]. Cancer Imaging, 2013, 27(13):36-52.
[4] Stam CJ. Nonlinear dynamical analysis of EEG and MEG:review of an emerging field[J].Clin Neurophysiol, 2005,116(10):2266-2301.
[5] 牛广明 . 影像技术学发展及对临床医学的影像 [J]. 内蒙古医学杂志 , 2006, 38(11):969-970.
[6] Henschke CI, McCauley DI, Yankelevitz DF, et al. EarlyLung Cancer Action Project: A summary of the findings onbaseline screening[J]. Oncologist, 2001, 6(2):147-152.
[7] Malayeri AA, El Khouli RH, Zaheer A, et al. Principlesand applications of diffusion-weighted imaging incancer detection, staging, and treatment follow-up[J].Radiographics, 2011, 31(6):1773-1791.
[8] Sachelarie I, Kerr K, Ghesani M, et al. Integrated PET-CT: evidence-based review of oncology indications[J].Oncology, 2005, 19(4):481-490.
[9] Hollingworth W, Medina LS, Lenkinski RE, et al. Asystematic literature review of magnetic resonancespectroscopy for the characterization of brain tumors[J].Am J Neuroradiol, 2006, 27(7):1404-1411.
[10]Türkbey B,Aras , Karabulut N, et al. Diffusion-weightedMRI for detecting and monitoring cancer:a review ofcurrent applications in body imaging[J]. Diagn IntervRadiol, 2012, 18(1):46-59.
[11]Copen WA, Schaefer PW, Wu O. MR perfusion imaging inacute ischemic stroke[J]. Neuroimaging Clin N Am, 2011,21(2):259-283.
[12]Kim SG, Ogawa S. Biophysical and physiological originsof blood oxygenation level-dependent fMRI signals[J]. JCereb Blood Flow Metab, 2012, 32(7):1188-1206.
[13]Wang JQ, Gao M, Miller KD, et al. Synthesis of [11C]Iressaas a new potential PET cancer imaging agent for epidermalgrowth factor receptor tyrosine kinase[J]. Bioorg MedChem Lett, 2006, 16(15):4102-4106.