一种新型的小动物四模态分子医学影像系统

周坤，孟祥溪，谢肇恒，李素莹，田涧，杨昆，任秋实

北京大学 工学院 生物医学工程系，北京100871

一种新型的小动物四模态分子医学影像系统

周坤，孟祥溪，谢肇恒，
李素莹，田涧，杨昆，任秋实

北京大学 工学院 生物医学工程系，北京100871

分子医学影像技术已经成为生物医学研究和临床成像的重要手段[1-2]。传统的医学影像手段只能提供有限的信息，例如成像对象的解剖结构。为了实现对疾病的深入认识与准确诊断，以及对治疗响应的及时监测和药物研发的具体需求，我们必须了解生物体在分子和细胞层面的生理和病理过程。分子影像即是满足了这种需求，其含义是通过跟踪生物过程，分子影像技术在分子水平上实现实时的，高分辨无创的生物代谢观测，为疾病的早期诊断提供可能。

分子医学影像学的前沿不断拓展，新手段、新技术层出不穷，已经成为生物医学工程的活跃领域。目前的分子影像技术已经能够在多个层次上较为灵活的表征人体的生理病理过程，深入细胞、分子乃至基因层面。在细胞水平，利用磁共振技术结合对特定细胞的顺磁标记，可以跟踪疾病的血管新生过程。在分子水平，利用分子影像手段可以对肿瘤发生发展的病理过程，如血管新生、细胞凋亡、受体识别与信号转导等过程的分子机理进行研究。在基因水平，借助先进的分子生物学技术，可以利用核酸探针等进行特定基因及其表达产物的精确定位和成像。

除了开发面向临床应用的分子影像设备，针对小动物的分子影像设备研发则可以为分子影像的研究提供重要模型。在基础病理学研究、药物的临床前评价、分子靶标的发现与筛选等方面，小动物分子影像具有不可替代的作用。同时，小动物影像设备也可以作为临床设备的技术储备。目前，国际上能够生产小动物分子影像设备的企业寥寥无几，价格普遍较高。

虽然分子影像的概念形成仅有不到20年的时间，但分子影像的相关技术却有深厚的背景。从科学研究到临床应用，许多分子影像模态已经成为了实验室和临床诊断的金标准。例如常用的磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI），就是利用具有特定核自旋量子数的原子核在外磁场调控下的弛豫信号实现对软组织的高分辨率成像。

正电子发射断层成像(positron emission tomography，PET)和单光子发射计算机断层成像(single-photon emission computed tomography，SPECT)均属于核医学分子影像。PET利用发生β+衰变的核素在体内产生正电子，正电子与周围的电子发生湮灭后发射出一对方向相反，能量均为511 keV的高能γ光子。通过对这对γ光子的检测即可重构出核素的空间分布[3-4]。SPECT则利用直接发射γ光子的核素，并通过装有准直器的探测器对不同方位收集到的γ光子进行计数，最终重建出核素的空间分布。

荧光分子断层成像(fluorescence molecular tomography, FMT)是一种相对较新的光学分子影像模态。该技术将荧光物质注入动物体内，并从体外对其进行光照激发，使其产生荧光。同时，探测器将荧光光子收集记录，并重建出荧光物质的空间分布。

但是，生物体是一个极其复杂的系统，即使是一个最简单的生物过程也会涉及到许多生化反应,一个生物标志物可能只是部分代表了过程；此外,不同的生物过程可能有重叠的分子反应。同时，不同的分子影像模态具有各自的特点、优势和不足，利用单一手段很难在多个参数上得到同步提高。因此，使用单一模态进行生物代谢过程的观测是十分局限的，必须使多个分子影像模态有机融合，才能获得更为全面立体的信息。

具体的，对于以上列举的几种模态，PET具有较高的探测灵敏度，可以对疾病早期的小病灶进行有效的探测，但是其辐射光子的能量为固定的511 keV，且分辨率难以提高。SPECT 的示踪剂较为易得，不需要装备医用回旋加速器即可制备相应的探针，但其灵敏度比PET 要低很多。FMT 的优点是可供选择的荧光分子种类丰富，可以利用高度特异性的配体进行成像，并且没有电离辐射，但是其穿透深度的限制较大，图像重建过程中出现病态的程度较高。同时，以上几种模态均难以获得高分辨的解剖结构，限制了其实际应用。而传统的计算机断层成像(computed tomography，CT)技术是提供解剖结构的理想模态。除此之外，CT还可以帮助FMT的重建，参与FMT初值参数的设定过程。

因此，我们开发了一种新型的四模态小动物分子影像设备，并通过对动物模型的成像实验展示了其良好的性能。该设备将CT、PET、SPECT和FMT集成在同一套系统中，实现了不同模态对于同一实验动物的共同成像。

1 四模态分子影像系统

1.1 CT

CT系统的核心部件采用33 μm焦点的微焦点X射线源与线型X-ray探测器，采用三代螺旋CT扫描方式，通过二次自主研发的滑环供电/信号传输系统实时采集传输数据。在现有探测器上的基础上，将线型X-ray探测器的等距采集方式改造为等角采集，针对三代螺旋CT扫描方式需要实时采集传输数据，利用国内现有的滑环技术，设计配套的驱动装置、传输装置、固定装置、设备安装托架等部件。在CT系统的旋转机架上加入嵌入式系统采集数据，形成完整的滑环系统，以低廉的成本实现高速数据采集减少因插值而引入的误差，并采用合适的CT光路图设计，最终达到＜ 80 μm的空间分辨率及传输功能，达到＜7s/层的扫描速度，Micro X-ray CT系统能够实现透视扫描、螺旋扫描、高精度定点扫描采集模式，能够实现小动物高精度断层成像，并为PET/SPECT模块提供解剖结构信息，以及为FMT模块图像重建提供CT先验知识。CT结构图如图1所示，CT重建效果图如图2所示。

图1 CT系统结构图（左）及实物图（右）

图2 CT系统小鼠重建效果图

1.2 PET

PET探测模块由LYSO晶体与SiPM探测器之间耦合而成，确保晶体与探测器的耦合精度以及遮光性。PET探测环由27组PET探测器模块组成，构成8环探测环，具有60 mm的有效FOV视野以及24 mm的轴向视野，如图3所示。同时，PET采用高灵敏度3D采集方式，提高符合探测的计数率，缩短PET扫描时间，如图4所示。

图3 PET系统探测器布置图

图4 高灵敏度3D采集模式

1.3 SPECT

SPECT成像设备采用二维阵列（像素尺寸2 mm×2 mm）的LYSO闪烁晶体耦合PSPMT探测器组态，从而获得高灵敏度与高计数率。同时采用互成180°前后错位排列的双探头，使有效FOV足以覆盖整个小动物，极大地缩短SPECT检测的扫描时间。采集过程中，入射的γ射线事件，在晶体上激发出的荧光的位置，经过权重网络和ADC转为包含位置信息的X、Y、E数据，通过100M传输速度的TCP/IP网络接口发送到采集计算机，形成图像帧。SPECT结构以及与CT融合效果图如图5所示。

图5 SPECT/CT 结构及图像重建融合图

1.4 FMT

荧光分子层析成像系统主要包括激发光源，光纤传输系统，滤波片轮，动物平移台，电动转台，镜头以及相机，如图6所示。同时系统为保证动物实验时处于自然的状态，采用光源及成像系统旋转而动物水平固定到动物床的方式。光源模块中采用卤钨灯或者氙灯作为光源。整体光源部分采用了分块设计，光源的电源和控制箱分别放置在旋转台下面，激发光源通过传导光纤连接至旋转台上方。在光纤耦合端通过使用布线器及轴承，使得传导光纤与电源线、信号线相分离，避免缠绕，如图6（右）所示。透射、反射光纤在布线器内部，通过滑槽的滑动及磁铁的固定，可实现在电动转台360度旋转时光纤不随之转动。同时缠绕在布线器外圈的电源线和信号线随电机转动，实现稳定的系统供电及信号传输。激发光通过透镜聚焦，在转动轴线上直接将激发光射入光纤，使光源和激发光光纤没有机械的链接，从而使系统在旋转过程中没有光纤的扭曲。

图6 FMT系统结构图

1.5 四模态集成

四模态集成采用图7所用的设计方式，SPECT与CT放置于同一个机架上（图5），PET放置于SPECT/CT前端并保证共轴。由于FMT的遮光需求，将FMT放置在整个系统的另一侧，通过设计一个可旋转动物床，确保在小动物实验过程中由SPECT/CT/PET 模态转至FMT模态不会造成小动物的位移误差[5]。

图7 四模态分子影像系统结构图

2 多模态分子影像系统实验及结果

基于小动物多模态分子影像系统，我们进行了一系列的实验，获得了很好的效果，其中以小鼠的炎症及癌症分辨最为成功[6]。

众所周知，18F-氟代脱氧葡萄糖(2-deoxy-2-(18F) fluoro-D-glucose ,18F-FDG)是PET进行肿瘤探测的最常用药物，其原理是基于肿瘤细胞的高代谢特征使得18F-FDG在肿瘤细胞浓聚，但是，炎症区域也会由于其高代谢特性使得18F-FDG发生浓聚现象，因此会使得单一的PET探测产生假阴性判断。庆幸的是，一种靶向整合素αvβ3受体 的SPECT探 针，[99Tcm(HYNIC-PRGD2)(tricine)(TPPTS)] (99Tcm-3PRGD2) 具有更强的肿瘤细胞靶向性，将其与PET探测有机融合，可以大大减少肿瘤细胞的假阴性判断。

实验设计如下[6]:我们通过20gBALB / C裸鼠（16周）进行诱导人肺腺癌A549细胞的皮下注射(2.5×107,2.5mL)]（右肩）和皮下注射促炎物质的杆菌Calmette-Gu注射(1mg/mL,分别为0.2mL)（右下肢），培养具有肿瘤细胞（右肩）以及炎症的小鼠模型。

在实验过程中，对小鼠注射18F-FDG，99Tcm-3PRGD2，以及一种基于近红外荧光染料的FMT探针Cy7-entrapped CCPM，并使用多模态分子影像系统进行数据采集及图像重建融合。为了确认影像学的结论，我们还在将实验动物处死后对齐进行了组织学鉴定。相关结果如图8所示。

图8 四模态活体成像实验。CT成像结果图 (a-c), PET成像(d-f) 显示FDG在脑部、右肩以及两腿上的高度浓聚。在SPECT成像中(g-i),99Tcm-3PRGD2 在右肩、腹部以及膀胱上的浓聚现象，同时FMT成像(m)显示右肩上的浓聚现象。(n)显示了FMT提供的白光图。通过SPECT/CT/PET的三模态融合，我们就可以准确地确定肿瘤的位置位于右肩上，而FMT的图像也验证了这一点。组织切片(o)显示了右肩细胞的高增殖现象，证明了我们实验的论断。组织切片 (p) 证实了右腿的验证细胞。

3 总结及展望

分子影像技术已经成为医学领域的前沿热点研究方向。世界著名大学及制药公司纷纷加大对分子医学影像手段的研发支持力度，高档次的研究成果不断涌现。在可以预计的将来，分子影像将成为未来新药创制及生物医学研究的主要方法及技术手段。20世纪90年代以来，多模态的设计理念已经成为小动物活体成像的技术潮流和发展趋势。基于正电子发射断层成像（PET）、单光子发射断层成像（SPECT）的核素成像设备和荧光分子层析成像（FMT）的光学成像设备特别适合研究分子、代谢和生理学事件（功能成像）；而X射线断层成像（CT）设备则适合于解剖学成像（结构成像）；融合多模态成像技术PET/CT、SPECT/ CT）则能够结合功能成像和结构成像两方面的优点。多模态融合成像技术已逐渐获得生物医学研究领域科学家的广泛认可，成为最受欢迎的生命科学研究技术平台之一。

致谢

该项目由国家重大科学仪器专项(2011YQ030114), 国家基础研究计划973项目(2011CB707500), 国家自然科学基金(11104058), 和河北省自然科学基金 (A2011201155)支持。

[1] Robert A de Kemp,Frederick H Epstein,Ciprian Catana,et al．Small-animal molecular imaging methods[J]．Journal of Nuclear Medicine, 2010,51:18S-32S．

[2] Bushberg Jerrold T, Boone John, Leidholdt Edwin． The essential physics of medical imaging[M]．Lippincott Williams & Wilkins, 2011．

[3] Beyer T,Townsend DW,Brun T,et al．A combined PET/CT scanner for clinical oncology[J]．Journal of Nuclear Medicine, 2000,41:1369-1379．

[4] S R Cherry．Multimodality imaging:Beyond pet/ct and spect/ ct[J]．Semin Nucl Med,2009,39(5):348-353．

[5] H Zaidi,R Prasad．Advances in multimodality molecular imaging[J]．Journal of medical physics/Association of Medical Physicists of India,2009,34:122．

[6] Yanye Lu,Kun Yang,Kedi Zhou,et al．An integrated quadmodality molecular imaging system for small animals[J]．Journal of Nuclear Medicine,2014,55:1375-1379．

A New Quad-Modality Integrated Molecular Imaging System for Small Animals

ZHOU Kun, MENG Xiang-xi, XIE Zhao-heng, LI Su-ying, TIAN Jian, YANG Kun, REN Qiu-shi
Department of Biomedical Engineering, College of Engineering, Peking University, Beijing 100871, China

本文介绍了一种新型的小动物四模态分子影像系统的研发。该系统集成了计算机断层成像（computed tomography, CT）、正电子发射断层成像（positron emission tomography, PET）、单光子发射计算机断层成像（single-photon emission computed tomography, SPECT）和荧光分子断层成像（fluorescence molecular tomography, FMT）四种模态。对小鼠肿瘤-炎症模型的成像结果显示，融合了各个模态的综合重建结果可以提供较单一模态更加丰富的结构、功能代谢信息。

四模态；分子医学影像；CT；PET；SPECT；荧光分子断层成像；图像融合

A new quad-modality integrated molecular imaging system for small animal was invented, which integrated the modalities of computed tomography (CT), positron emission tomography (PET), single-photon emission computed tomography (SPECT) and fluorescent molecular tomography (FMT). The imaging results of mouse models of tumors and inflammation revealed that the multi-modality integrated comprehensive reconstruction can provide more structural, functional and metabolic information than the single modality.

quad-modality; molecular imaging; CT; PET; SPECT; fluorescent molecular tomography; image integration

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.02.002

1674-1633(2015)02-0007-04

2014-10-05

2014-12-16

国家重大科学仪器专项(2011YQ030114)，国家基础研究计划973项目(2011CB707500)，国家自然科学基金 (11104058)，河北省自然科学基金 (A2011201155)支持。

任秋实，教授。

通讯作者邮箱：renqsh@coe．pku．edu．cn