王銘 朱慶莉 姜玉新

中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院，北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院，北京協(xié)和醫(yī)院超聲診斷科，北京 100730

光學(xué)成像是利用光學(xué)技術(shù)探測組織對光的散射、吸收及熒光等性質(zhì)的過程。光學(xué)功能成像的基礎(chǔ)是光在組織或細(xì)胞中經(jīng)歷一系列吸收、散射后，出射光中攜帶著與吸收和散射相關(guān)的組織生化信息，通過對組織內(nèi)基本光學(xué)性質(zhì)的定量測量可反映其內(nèi)部生物活性及生理信息等[1]，如血液中氧合血紅蛋白濃度、脫氧血紅蛋白濃度、血氧飽和度，這些可反映組織的代謝情況。近幾年來光學(xué)成像在醫(yī)學(xué)診斷中得到了廣泛應(yīng)用，如在腦功能[2-3]、皮膚癌[4]、嬰兒大腦連續(xù)監(jiān)控[5-6]等方面都取得成功，尤其在乳腺癌的早期診斷中的應(yīng)用價(jià)值更為突出[7-8]。本文就光學(xué)成像技術(shù)在乳腺病變診斷中的應(yīng)用及進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 乳腺組織的光學(xué)成像發(fā)展史

1929年，Cutler等[9]首先利用乳腺透照術(shù)（transillumination），即使用強(qiáng)光照射乳腺，并觀察穿透乳腺后的光強(qiáng)度。該技術(shù)可檢測出乳腺癌血紅蛋白濃度增高，但一些良性病變同樣有血紅蛋白濃度增高。由于該技術(shù)不能定量測量光吸收量，且空間分辨率差，故未被臨床廣泛應(yīng)用。

20世紀(jì)70～80年代，應(yīng)用視頻照相機(jī)對透照法進(jìn)行改進(jìn)，仍遇到與透照法同樣的問題：無法明確區(qū)分乳腺良惡性結(jié)節(jié)。不同研究報(bào)道的靈敏度差異很大，有的報(bào)道靈敏度可達(dá)96%，而有的報(bào)道約為60%[10-11]，低于乳腺X線[12-13]。

20世紀(jì)90年代，乳腺透照術(shù)再次改進(jìn)，產(chǎn)生了激光通過皮秒到毫微秒的光子脈沖應(yīng)用于乳腺成像[14]。這項(xiàng)技術(shù)采用的是在選擇的時(shí)間窗內(nèi)到達(dá)探測器的光子而非隨機(jī)進(jìn)入介質(zhì)的脈沖光子，故光子散射最少，能最快到達(dá)探測器，并形成較高分辨率的圖像，但信噪比低[8]。另外，受乳腺組織厚度的影響，需對激光強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制以校正投射圖像的光衰減變化。這種改良乳腺透照技術(shù)的診斷率未見明確報(bào)道。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：使用多個(gè)波長以提高診斷的靈敏度和特異度；使用一系列的理論模型和假設(shè)為病變組織幾何及光學(xué)參數(shù)的測量提供較好的評估[15]。

乳腺透照術(shù)雖在成像設(shè)備和光源上有了突破性的進(jìn)展，但其“投影成像”的印象依然無法消除，其成像方式從某種意義上說仍是一個(gè)光強(qiáng)度的灰度投影圖像，無法區(qū)分吸收效應(yīng)與散射效應(yīng)，以及量化分析組織的吸收與散射；同時(shí)投影分辨率及對比度均無法達(dá)到臨床要求，在應(yīng)用中依然受限。

2 光散射斷層成像

光散射斷層成像（diffuse optical tomography，DOT）是近20年來光學(xué)成像技術(shù)的巨大突破。該技術(shù)采用近紅外波段的散射光，利用組織對多波長光譜的散射作用，定量計(jì)算組織內(nèi)部光學(xué)信息（包括吸收、散射、新生血管和氧合狀態(tài)），并得到三維斷層圖像。光散射成像技術(shù)將光入射組織后的結(jié)局分為兩部分，即光的散射和組織對光的吸收。散射是由于光通過組織時(shí)光子的前進(jìn)方向發(fā)生不同程度的改變，吸收是組織內(nèi)載色基團(tuán)將光能轉(zhuǎn)換為熱能。在近紅外波段下組織中的主要吸收體是血紅蛋白和脫氧血紅蛋白，兩者反映了組織內(nèi)部血供和氧合的狀態(tài)。乳腺癌的生長、浸潤和轉(zhuǎn)移均依賴于新生血管生成，腫瘤內(nèi)含有大量新生血管，血流速度慢，瘤細(xì)胞代謝旺盛，耗氧量大，形成了乳腺癌內(nèi)部呈現(xiàn)“血含量高、氧含量低”的特殊現(xiàn)象。由于DOT對血液中相對氧濃度敏感，依據(jù)腫瘤組織與正常組織內(nèi)部氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白濃度不同，可用于乳腺癌的早期診斷。文獻(xiàn)報(bào)道以乳腺腫塊內(nèi)高血紅蛋白濃度、低血氧飽和度作為判斷乳腺惡性腫瘤的指標(biāo)是可靠的。

與乳腺透照術(shù)相比，DOT引入了一個(gè)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型（如數(shù)字或分析性的散射方程）去描述光子在人體組織中的傳播過程，通過更全面、更確切的途徑得到光學(xué)信息進(jìn)而可更準(zhǔn)確地定量計(jì)算，并獨(dú)立測定吸收系數(shù)、散射系數(shù)和熒光壽命。盡管DOT可使用持續(xù)強(qiáng)烈的光源，尤其是只需顯示吸收量或熒光改變時(shí)，但脈沖光和調(diào)制-相位光仍有其特有的優(yōu)勢。脈沖光通過傅立葉轉(zhuǎn)換后的結(jié)果與多頻調(diào)制光測量的結(jié)果相近。

對特定波長吸收系數(shù)的測定可定量計(jì)算乳腺腫瘤的水、氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白濃度和血氧飽和度，所以光學(xué)方法是唯一可評估和定量計(jì)算這些功能性組織和惡性腫瘤特征的方法。

Cheng等[16]對62例接受乳腺X線及穿刺活檢的患者行動(dòng)態(tài)乳腺光學(xué)成像檢查。結(jié)果顯示，動(dòng)態(tài)光學(xué)成像對乳腺癌診斷的特異度高于乳腺X線檢查（0.61±0.09 vs.0.45±0.09）；靈敏度略低于乳腺X線（0.84±0.07 vs.0.94±0.04）。動(dòng)態(tài)光學(xué)成像可提供病灶血管生成方面的功能信息，因而提高診斷的特異度。DOT的分辨率依賴于腫瘤組織與正常組織光學(xué)系數(shù)的差異，而一般情況下兩者差異并不大[17]，因此近紅外光DOT重建圖像也遇到了分辨率低、對比度不高的瓶頸，對部分乳腺病灶無法識(shí)別。此外，由于光的傳播特性，DOT也不能對病灶的具體位置和大小作出判定。這些缺陷導(dǎo)致DOT技術(shù)不能單獨(dú)用于乳腺病變的常規(guī)診斷，故近年來一些學(xué)者提出將乳腺DOT與現(xiàn)有成熟的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)相結(jié)合的方法來彌補(bǔ)以上不足。

3 多模態(tài)成像

解剖成像如超聲、CT、MRI等能反映生物體的解剖信息，而功能成像可反映器官的代謝信息，利用圖像配準(zhǔn)技術(shù)將兩者結(jié)合，在一幅圖像上同時(shí)反映組織的解剖信息和代謝情況，從而產(chǎn)生醫(yī)學(xué)圖像融合技術(shù)，即多模態(tài)成像。發(fā)展光學(xué)功能影像與其他模態(tài)融合的技術(shù)和設(shè)備將乳腺光學(xué)成像的應(yīng)用推向一個(gè)新的高度。

超聲光散射斷層成像，即Optimus雙模式成像系統(tǒng)，就是將DOT與超聲聯(lián)合應(yīng)用，既可通過超聲定位獲得腫塊的形態(tài)學(xué)特點(diǎn)，又可通過DOT獲得腫塊的功能狀態(tài)信息，將聲學(xué)與光學(xué)良好地融為一體。超聲定位有利于克服光學(xué)成像空間分辨力低的缺點(diǎn)，使之能應(yīng)用于臨床診斷。孝夢甦等[18]應(yīng)用超聲光散射斷層成像分析不同大小的乳腺病灶的總血紅蛋白濃度（total heamoglobin concentration，THC）特征及病灶大小與THC的相關(guān)性，結(jié)果顯示，良性病灶THC均值（137.36±90.43)μmol/L，與惡性病灶THC均值（227.36±88.53)μmol/L差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001）；惡性病變的THC值與病灶大小呈線性相關(guān)，良性病灶THC測值受病灶大小影響較小。而多項(xiàng)研究證實(shí)，超聲定位DOT可用于鑒別乳腺病變的良惡性[19-20]。乳腺癌是典型的血管依賴性病變。彩色多普勒血流成像（color Doppler flow imaging，CDFI）可顯示乳腺癌新生血管內(nèi)的血流信號，為診斷乳腺癌提供重要信息。但其靈敏度有限，僅可顯示內(nèi)徑＞200μm的血管，對較小乳腺癌的血流顯示欠佳[21]。朱慶莉等[22]研究對比觀察DOT與CDFI檢測乳腺癌新生血管中的靈敏度，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)CDFI相比，超聲定位DOT可更敏感地探測乳腺癌血管，特別是對診斷直徑≤1 cm的早期乳腺癌具有潛在臨床應(yīng)用價(jià)值。Jakubowski等[23]及Zhu等[24]將超聲與DOT結(jié)合應(yīng)用，超聲用于定位乳腺病變，近紅外光用來測定乳腺腫塊內(nèi)血紅蛋白濃度和血氧飽和度，證實(shí)這些功能參數(shù)對輔助診斷乳腺癌和觀察化療療效有非常重要的價(jià)值。

Dehghani等[25]指出，與MRI進(jìn)行結(jié)合，在乳腺癌試驗(yàn)中同時(shí)重建μa和u s'，將獲得更高的對比度和分辨率；單獨(dú)重建μa，對比度會(huì)提高，而分辨率的提高更顯著。Choe等[26]在MRI精確定位下對51例乳腺病灶行DOT，并對病灶進(jìn)行光學(xué)指數(shù)分析（綜合評估病灶血紅蛋白、血氧飽和度及散射等光學(xué)參數(shù)），發(fā)現(xiàn)惡性病灶光學(xué)指數(shù)明顯高于正常組織，而良性病灶光學(xué)指數(shù)并未顯示出這種顯著差異，受試者工作特征（receiver operating characteristic，ROC）曲線下面積為0.90～0.99，顯示DOT對乳腺癌的診斷具有較高的價(jià)值。

4 光學(xué)對比劑的應(yīng)用現(xiàn)況

與大多數(shù)醫(yī)學(xué)影像設(shè)備一樣，對比劑的應(yīng)用可提高光學(xué)成像效果，提供更多的診斷信息。在近紅外波段，靛青綠（indocyanine green，ICG）是應(yīng)用最廣泛的對比劑，主要用于顯示腫瘤血管生成情況和血管滲透能力[27]。ICG在高滲環(huán)境下會(huì)經(jīng)血管裂隙滲出血管（如腫瘤的新生血管），分布于細(xì)胞外組織中，進(jìn)行近紅外熒光成像時(shí)這種病理學(xué)改變以可視的光學(xué)圖像展現(xiàn)出來，從而提高DOT的特異度和對比度，有利于早期診斷。此種探針的缺點(diǎn)是缺乏特異性，且成像時(shí)背景熒光干擾大。

近幾年來，納米結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)使許多新型光學(xué)成像造影劑的產(chǎn)生成為可能。納米分子具有更高的量子有效性，更大的散射或交叉部分的吸收，不僅適用于生命體，還具有優(yōu)良的光學(xué)穩(wěn)定性。目前，作為光學(xué)造影劑的納米結(jié)構(gòu)材料還在研發(fā)中，包括膠體金、金屬納米殼層和量子點(diǎn)等[28-30]。

造影劑的最新研究進(jìn)展是分子成像中金屬蛋白酶或組織蛋白酶等酶激活的造影劑的開發(fā)。將熒光染料與腫瘤表面受體（靶向探針）特異性結(jié)合或被腫瘤相關(guān)的酶所激活（智能探針）[30]，可在活體狀態(tài)下探測腫瘤分子的活動(dòng)。與靶向探針相比，智能探針在原始注射狀態(tài)幾乎無熒光，一旦被腫瘤相關(guān)酶激活即可在作用位點(diǎn)產(chǎn)生強(qiáng)烈的熒光，信噪比高，其所探測的是高度特異的熒光信號。

光學(xué)分子成像在乳腺病變的診斷中可無創(chuàng)性觀測活體組織乳腺癌特定基因表達(dá)、腫瘤生長及轉(zhuǎn)移等生物學(xué)過程，目前多用于活體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，臨床應(yīng)用報(bào)道尚少。如白細(xì)胞介素11受體（interleukin11 receptor，IL-11R）與乳腺癌的發(fā)生、發(fā)展有關(guān)，并在乳腺癌骨轉(zhuǎn)移中起重要作用，劉濤等[31]將IL-11R的模擬物環(huán)九肽與近紅外染料偶聯(lián)，得到近紅外或近紅外/核素標(biāo)記的靶向IL-11Rα的特異性對比劑。先進(jìn)行體外對比劑與乳腺癌細(xì)胞MDA-MB-231結(jié)合實(shí)驗(yàn)，然后對已建立的裸鼠乳腺癌細(xì)胞MDAMB-231異體種植瘤模型進(jìn)行體內(nèi)光學(xué)成像及核素成像實(shí)驗(yàn)，分析靶向?qū)Ρ葎┰隗w內(nèi)實(shí)驗(yàn)中的特異性，并與病理學(xué)檢查結(jié)果對比。結(jié)果顯示，在裸鼠乳腺癌種植模型中，靶向IL-11Rα的特異性對比劑可與IL-11Rα陽性的乳腺癌MDA-MB-231細(xì)胞特異性結(jié)合，這有望為臨床腫瘤的早期分子診斷和靶向性治療提供新的理論基礎(chǔ)。

5 存在問題與應(yīng)用前景

功能成像和分子活動(dòng)成像目前位于癌癥的無創(chuàng)性檢測和研究的前沿。光學(xué)成像是目前已建立的放射影像技術(shù)的補(bǔ)充，它提供了豐富的組織血氧飽和度、血紅蛋白濃度信息，再加上酶激活熒光探針使背景信號受抑制，光學(xué)成像可提供高度敏感和特異的基因表達(dá)信息。與其他成像法相似，光學(xué)成像也可顯示乳腺腫瘤血管生成、血管滲透性及對比劑攝取情況，因此與X線、B超、CT、MRI、PET等傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)影像方法相比，其是一種功能成像，且無離子輻射、價(jià)格低廉。

目前光學(xué)成像技術(shù)應(yīng)用于活體成像時(shí)還存在一些問題：①生物組織具有高度的異質(zhì)性，在活體實(shí)驗(yàn)中組織的吸收系數(shù)、散射系數(shù)等光學(xué)參數(shù)往往難以準(zhǔn)確獲得。通常是將其預(yù)設(shè)為一個(gè)固定值，這在很大程度上影響成像結(jié)果的準(zhǔn)確性。②三維成像結(jié)果大多是熒光染料濃度的相對值圖像，難以實(shí)現(xiàn)定量成像。③動(dòng)態(tài)成像通常需長時(shí)間采集數(shù)據(jù)，整個(gè)過程往往受呼吸、運(yùn)動(dòng)等干擾，從而使圖像產(chǎn)生偽影，影響成像質(zhì)量。④對于三維動(dòng)態(tài)成像，因?yàn)閿?shù)據(jù)量巨大，對計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度與存儲(chǔ)空間要求很高，因此需研究快速有效的成像算法。

有理由相信，隨著光學(xué)儀器及光學(xué)造影劑的不斷完善與改進(jìn)，光學(xué)成像定將在認(rèn)識(shí)和了解乳腺腫瘤血管生成、早期診斷惡性腫瘤、提供有效治療方案及療效評價(jià)中發(fā)揮越來越大的作用。

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