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影像医学的发展与科学创新

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功能 j分了医学景三像学(电子版)201 7 4川第6诠第2j剞j Funct Mol Med Imaging(Electronic Edition),Apr 2017Vol,6.No.2 .-1 1 63 ・专家述评・ 影像医学的发展与科学创新 陈自谦,林宇宁 陈自谦,主任医师、教授、博士研究生导师、博士后指导导师 现任中 国人民福州总医院医学影像中心主任,《功能与分子医学影像学(电 子版)》主编、《中国CT和MRI杂志》副主编 现兼任中国研究型医院学 会放射学专业委员会副主任委员、全军分子影像与核医学会副主任委员、全 军放射诊断设备质量安全控制专业委员会副主任委员、南京军区放射学会 主任委员、保健委员会会诊专家、福建省医学会第六届理事会理 事、福建省放射学会副主任委员、福建省中西医结合影像学会副主任委员、 中国医师协会放射学分会委员、国家自然科学基金网评专家、国家科技奖 励评审专家;第二军医大学、厦门大学、福建医科大学等8所大学教授,硕士 和博士研究生导师;《中华放射学杂志》、《临床放射学杂志》、《实用放射学杂 志》等杂志编委和常务编委 以第一和通讯作者在国内外核心期刊发表论 文2()(1余篇,其中SCI收录2{)余篇,主编著作8部,以主要完成人获福建省 科技进步一等奖1项,和省部级科技进步二等奖5项,三等奖10余项 承担国家、全军及省部级重大科研课题数1()项 2014年被评为第六届全国 优秀科技工作者,2(115年荣立南京军区个人二等功,2()16年享受政 府津贴、 【关键词】影像医学;科学g,J ̄J :发展 【中图分类号】 R445;R3l9 【文献标志码】 A 【文章编号】 2095—2252(2017)02.1l63.04 科学技术足第一生产力,而创新是科学前进 代,叩诊法、听诊器、‘系列测蕈仪器和光学器械, 的动力。自然科学技术的创新与医学技术的结合 以及化学分析方法开始出现,医学辅助诊断的方 使影像 学这一年轻学科往近一个世纪得到空前 法逐渐 f寓,但f 述手段已远远无法满足医学发 的发展。历史的车轮在前进中存在着一螳偶然性, 展的需要。唯物主义认识论认为,世界是可矢【I的, 也存在着必然性,物理学家伦琴在l 895年发现x 科学家们 是秉承着这一理念,对‘系列医学难 射线时绝不会想到他的成果会开肩一个新的医学 题进行着艰辛而不懈的探索。一百多年来,与影 领域和变革,但人类在对 卜命的{=;l{索巾义必然地 像医学村芙的诺!,!尔奖获得者中7名获得 i理学 会之寻找诊断和治疗疾病更为完美的解决手段, 与医学奖,5名获得物理学奖…。l901年,伦琴 这个过程中,是医学的人文关怀和科学的创新 因发现X射线获得第一届诺贝尔物理学奖,从而 思维不断地推进影像医学的进步。 开创了放射学专业;l903年,居里夫妇因发现锚 1科技创新是产生影像医学的基础 和钋获得讲贝尔物 学奖,由此开启了放射治疗 学专业;l952年,诺贝尔物理学奖授予了布尔赫 占人以神明和朴素的『{然寸吁学思维运用占 和珀塞尔,他们因发现核磁共振现象而受此殊荣: 卜、巫术、神灵和阴阳五行学说诊疗疾病。剑J 近 1 956年,维尔纳・福斯曼、安德烈・弗雷德 克・ 库南德和小狄金森・武德茹夫・里查兹三 医生 DOI:10.3969 ̄.issn 2095—2252.2017 02.001 因对心脏导管术和循环系统病理变化研究的贡献 [作者单位】350025桶州I 放 ● I_. 医院医学影像・{J 心 获得诺 尔牛理学及医学奖:l979年,柯马克 [通讯作者]陈门谦,Email:chenziqian ̄@sina.tom 和豪斯菲尔德凶CT技术的发明获得诺贝尔医学 '_ .1 164. 功能与分子医学影像学(电子版)2017年4月第6卷第2期Funct Mol Med Imaging(Electronic Edition),Apr 2017,Vo1.6,No.2 奖;在2003年,诺贝尔医学奖被授予劳特布尔和 曼斯菲尔德两名科学家,他们在磁共振成像技术 领域取得了突破性成就。因此,各学科的理论和 技术创新使影像医学的诞生成为必然。 生物一心理一社会医学模式转变,临床医学在疾 病诊断和治疗上不仅仅要求微创甚至无创性,并 要求早期诊断和预防,这就要求影像医学对疾病 的诊断不能仅限于病理解剖学层面,还应该从疾 病发生早期的功能变化,甚至分子水平进行探索。 正电子发射计算机断层扫描(positron emission tomography,PET)技术与CT、MR技术(PET-CT、 MR—PET)的同机化融合将病变的结构和能量代 谢信息结合M ,磁共振扩散加权成像(diffusion 2科学创新推动影像医学的发展 x射线、放射性同位素及磁共振现象的发现, 介入导管、CT和磁共振的发明,充分表明各个学 科、工程技术和医学问的相互渗透、促进及转化的 密切关系,其中最突出的表现是影像设备硬件和 软件的快速更新换代,这也是医学模式不断转变 的内在动力驱使的结果。现代医学对疾病的诊疗 提出了更高的要求,不仅仅要求微创甚至无创性, 还要求对疾病进行早期诊断和预防 。因此,在 最近的半个世纪见证了常规(经典)X线成像到非 数字化x线摄影(屏/胶结构),计算机x线摄影 技术(computer radiography,CR),最后到数字化 X线成像技术(digital radiography,DR)的转变; 碘造影剂、血管穿刺技术和数字减影血管造影技 术(digital subtraction angiography,DSA)的发明 促使介入放射学与影像医学的交叉学科诞生,标 志着现代血管微创诊疗医学划时代的进步;计算 机科学的快速发展使电子计算机x线断层扫描 成像(computer tomography,CT)成为可能,从而 解决了传统x线密度分辨率低、解剖结构重叠的 难题;MRI的出现得益于量子物理学的突破性成 果,即核磁共振现象的发现,通过傅立叶变换这一 数学模型将核磁共振信号进行转换以实现对信号 的空间编码和图像重建。近年来,在生命科学发 展的前沿领域,分子生物学已广泛渗透到医学科 学的众多分支,分子影像学即是分子生物学、物理 学、化学、材料学和生物工程学等多学科发展并与 影像医学结合而形成的新兴学科,成为影像医学 的发展方向 。因此,影像医学的发展得益于多 学科间共同发展和完美结合,它的成长离不开各 学科理论技术创新和交叉互补。 3影像医学的发展对科技创新的促进作用 影像医学作为医学的一门分支,其自身也有 不断创新和发展的动力,这种动力来源于临床医 学发展的需求和对患者人文关怀的追求,同时又 是医学科学的属性所决定。随着医学模式逐渐向 weighted imaging,DWI)反映活体组织内水分子 自由扩散信息 ,磁共振波谱分析(MR spectros— copy,MRS)可定量化测量活体内细胞代谢化合 物含量 J,这些影像技术的革新都迎合了影像医 学在诊断理念上的进展,即结构和功能、分子信息 互补,弥补了单一成像模块的不足,显著提高了影 像诊断的准确率。 此外,影像医学的技术人文化需求也刺激着 各学科去发明和寻找新的影像技术 ,使成像时 间更短,对组织的分辨能力更高,以尽最大程度 减少患者在检查中的不适感并提高检查的成功 率。如在螺旋CT技术出现之前,CT成像是一个 非常耗时的过程,且获得的图像分辨率差,难以 满足医学诊断要求。CT滑环技术、连续进床技术、 多排探测器技术和高性能计算机及图像后处理软 件的出现让这一难题逐渐得以解决,螺旋CT由 此开始登上历史的舞台并进入飞速发展的时代; 再如传统的+TL径磁共振磁体有时会引起患者的 不适甚至产生幽闭恐惧症,而大孔径或开放式磁 体的发明,则为这类患者带来了福音。此外,大部 分影像设备和技术的研发,其目的是为了无创或 者微创性地获得更可靠、翔实及完整的影像信息, 如CT血管造影(CT angiography,CTA)可快速、 无创性地获得全身动脉血管的形态学信息 ,可 大大减少诊断性DSA的使用率 j,为急诊介入 (如大咯血栓塞治疗)提供重要的血管起源、变异 等解剖学信息u “ ,由此带来的医源性辐射损伤 也随之降低u引。像这种以人为本的技术创新的 例子在影像医学领域举不胜举。 4影像医学创新的内涵 4.1影像技术的创新近年来,影像技术的创新和 发展主要包括四个方面:①由非数字化向数字化 功能与分子医学影像学(电子版)2017年4月第6卷第2期FunctMolMedImaging(ElectronicEdition),Apr2017,Vo1.6,No.2 ・1165 方向发展,最具代表性的是图像存储与传输系统 (PACS)的发明,解决了数字图像存储、管理、查 的信息如图像纹理(texture)、直方图(histogram) 等,前者主要用于病变的定性描述,后者可定量描 询、传输、共享及诊断等一系列问题,为影像医学 述病变()Joo瘤)的异质性u孓 。放射组学的发展 的数字化建立了基本条件。传统x线屏/胶结构 将转变传统的影像诊断模式,黑白灰阶图像的纹 成像过渡到CR的成像板(IP板),到当今的DR 理特征分析将成为重要的诊断信息,当然这仍需 平板接收器,数字化x线成像使经典x线影像空 要放射组学数据库的扩充、计算机仿真技术的发 间、密度及时间分辨率大大提高;②由平面成像 展和更大样本量的临床研究去支撑。 向断层、三维成像方向发展,代表性的是多层螺旋 4.3影像医学诊断思维的创新影像诊断是一个 CT和高场强MR技术的涌现,使高分辨率、实时 容积数据采集,无创性血管三维成像,图像数据任 意平面和三维重建成为可能;③由形态成像向功 能、代谢和分子成像发展,主要表现在磁共振设备 性能不断提高和各种成像序列的开发,使扩散、灌 注、波谱及血氧水平依赖性成像等功能和分子影 像学方法得以实现,这些技术让影像医学进一步 突破显示大体解剖和病理学改变的界限,而将触 角延伸到器官功能、细胞和分子水平;④由单一 模态成像向融合、多模态成像发展,包含了葡萄糖 代谢和解剖信息的PET.CT成像即是影像医学多 模态化的典型,该技术早己在临床广泛应用并对 肿瘤的TNM分期作出巨大贡献u引。 4.2影像诊断模式的创新 4.2.1影像诊断的多模态化如上所述,由于各种 功能、代谢和分子成像技术的涌现,多模态影像技 术之间的互补使得影像诊断的准确率大大提高, 如磁共振扩散加权成像、波谱分析及灌注成像联 合常规解剖学成像已广泛应用于颅内肿瘤的诊断 与鉴别诊断,熟悉这些技术的原理并对相关表现 进行合理的解释才能对病变作出准确的诊断,这 就要求影像医师不仅要有全面的专业基础,还要 在诊断思维上与时俱进,要了解甚至掌握各种影 像新技术的原理和最新进展,这就需要影像学科 良好的继续教育制度作为支撑。 4.2.2影像诊断的精准化传统的影像医学诊断模 式依赖于对病变形态学的分析,无法达到精准医 学(precision medicine)的标准和个性化医疗的要 求u引,近年逐渐出现的放射组学(radiomics)有望 发展成为精准影像医学的基础,其核心是从CT、 PET或MRI等图像中高通量地提取并分析大量 高级、定量的影像学特征数据,这些数据既包含了 形态学特征如毛刺、分叶等,也包含人眼无法辨认 蕴含高度理性思维的过程,只有客观、仔细、全面 地观察病变,才能为临床提供准确的参考。因此, 影像医师要有科学的思维方式和思考问题的 能力,结论的推断应符合逻辑,然而这种思维形成 需要长期的磨练和培养,需要学科内规范化诊疗 制度的建立和创新,如本科近几年推出的定期回 顾性、影像病理对照读片制度就是培养影像诊断 科学思维过程的良好平台。 此外,影像学科内的集体阅片、会诊制度是 影像医学中的一个核心制度。由于影像诊断不是 简单的看图作文,它需要对各种征象和信息综合 分析的基础上才能作出准确的诊断,因此,对疑难 病例的集体、专家会诊才能在最大程度上集思广 益、减少诊断偏倚,这种学科会诊制度的形成也是 影像医学诊疗模式上的巨大创新。 4.4影像医学创新的核心理念医学的发展应秉 承着生命至上、以人为本的思想,对疾病治疗的前 提是科学、准确的诊断,影像医学技术的创新正是 服务于这样的需求,其发展长达一个世纪的历史 亦充分体现了医学人文精神这一核心理念,这说 明影像医学的发展必须与人文精神融合,尊重生 命的价值,才能焕发出生命力。 参考文献 [1]陈志晔,李琳.影像医学界诺贝尔奖的哲学思考[J].中 国医学伦理学,2007,20(2):70,20—21. 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