何坤山 遲崇巍 田捷（中國科學院分子影像重點實驗室，中國科學院自動化研究所，北京100190）

基于光學分子影像的術中腫瘤精確導航技術

何坤山 遲崇巍 田捷
（中國科學院分子影像重點實驗室，中國科學院自動化研究所，北京100190）

何坤山，中國科學院自動化研究所在讀博士，主要研究方向光學分子影像手術導航系統(tǒng)硬件研發(fā)。

E-mail:hekunshan2014@ia.ac.cn

作者簡介

遲崇巍，工學博士，中國科學院自動化研究所助理研究員，主要研究方向光學分子影像手術導航技術研發(fā)。

E-mail:chongwei.chi@ia.ac.cn

世界衛(wèi)生組織發(fā)布的《2014年全球癌癥報告》表明，在全球范圍內(nèi)每年癌癥新增病例高達到1400萬，死亡病例達到820萬。同時，中國新增癌癥病例在亞洲高居第一位。聯(lián)合國癌癥研究機構稱，到2030年，全球每年將有1320多萬人死于癌癥，約為2008年癌癥致死人數(shù)的兩倍。如何在早期發(fā)現(xiàn)腫瘤組織及如何在手術過程中實現(xiàn)腫瘤的精確治療一直是國際上具有挑戰(zhàn)性的難題。

作者簡介

田捷，工學博士，博士生導師，中國科學院自動化研究所研究員，兩項國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）首席科學家（2006、2011）。

E-mail: tian@ieee.org; jie.tian@ ia.ac.cn

目前，外科手術過程主要依據(jù)醫(yī)生對組織的色澤、質(zhì)地、形態(tài)進行判斷和切除，所以判斷切除的范圍與醫(yī)生的臨床經(jīng)驗有著密切的關系。如果可以在術中提供一些客觀的腫瘤邊界或者特異性組織邊界信息，將有助于提高手術成功率、降低手術創(chuàng)傷、減少醫(yī)療費用、避免手術意外發(fā)生、促進病人康復。美國哈佛大學醫(yī)學院John V. Frangioni教授 于2003年就提到，癌癥術中成像技術之所以沒有得到廣泛的應用，首要原因就是沒有適合外科醫(yī)生的成像設備?，F(xiàn)有的醫(yī)學影像技術，如計算機斷層成像（CT）、核磁共振成像（MRI）、正電子發(fā)射斷層成像（PET）等，已在術前精確診斷和術后療效評估等方面發(fā)揮了重要的作用，但難以在手術過程中發(fā)揮各自的功能。在2009年世界分子影像大會上，2008年度諾貝爾化學獎獲得者錢永健先生報告了如何用熒光顯微鏡成像引導切除熒光標記的小鼠腫瘤組織 ，開啟了光學分子影像技術在手術領域應用的先河。根據(jù)光穿透組織的能力與組織吸收光的強弱、光波的特性，650～900nm的近紅外光（Near-Infrared，NIR）被稱為“組織光窗（Tissue Optical Window）”。與可見光相比，近紅外光具有組織吸收散射少、自體熒光小、信背比高等優(yōu)點。研究表明，光學分子影

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2011年，歐洲科學家研發(fā)了分子影像手術導航的原型系統(tǒng)，并首次應用到人體卵巢癌的臨床手術中 ，相比于傳統(tǒng)方法，提高了手術治療效果。2012年，中國科學院分子影像重點實驗室團隊研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權的光學分子影像手術導航系統(tǒng)，目前已經(jīng)應用于人體乳腺癌、肝癌和胃癌的術中精確定位和準確治療上。與傳統(tǒng)的醫(yī)學影像方法相比，光學分子影像技術不僅可以用于腫瘤的早期發(fā)現(xiàn)和精確診斷，還可以為基于影像的手術提供強有力的支持，從而極大地推動生命科學和臨床醫(yī)學的發(fā)展，具有劃時代的意義。

1 光學分子影像導航系統(tǒng)的分類

為了滿足實時性、安全性、便捷性等不同的需求，各種新型的成像系統(tǒng)不斷地被研發(fā)出來，并應用到了臨床領域～。根據(jù)其特點，現(xiàn)有的系統(tǒng)可被分為便攜式、功能型及內(nèi)窺式三種類型。

圖1 光學分子影像術中精準定位微小腫瘤

1.1 便攜式光學分子影像手術導航系統(tǒng)

便捷性是衡量光學分子影像手術導航系統(tǒng)的一個重要指標。中國科學院分子影像重點實驗室自主研發(fā)的光學分子影像手術導航系統(tǒng)不僅能在術中實現(xiàn)快速的定位，而且使用方便。目前，已在中國人民解放軍總醫(yī)院、東方肝膽外科醫(yī)院及珠江醫(yī)院開展臨床實驗。在統(tǒng)計的58例肝癌患者中，其中有28例患者的微小腫瘤僅由分子影像方法檢出，并實現(xiàn)了2毫米腫瘤的術中精確定位。

同時，腫瘤邊界的精確識別一直是外科手術過程中的難題。在傳統(tǒng)的手術過程中，醫(yī)生只能通過觸診和視覺來判斷腫瘤的大致位置，然后通過術中病理結果判斷檢測精度。而光學分子影像手術導航系統(tǒng)可以在術中實時判斷腫瘤的邊界，并給出腫瘤的范圍和位置，引導醫(yī)生實施精準的切除。

1.2 功能型光學分子影像手術導航系統(tǒng)

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功能型手術導航系統(tǒng)能夠實現(xiàn)術中多光譜圖像的實時采集，并對熒光圖像進行快速的矯正。結合前期“973”項目科研成果，針對臨床需求自主研發(fā)了具有核心知識產(chǎn)權的術中功能型光學影像手術導航系統(tǒng)。系統(tǒng)（圖2）類似于無影手術燈，通過探頭中兩臺CCD相機的實時采集，實現(xiàn)了熒光圖像與可見光圖像的快速配準融合。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)應用于乳腺癌及胃癌的前哨淋巴結活檢等方面。該系統(tǒng)在圖像的快速融合與操作便捷性方面具有優(yōu)勢 ，先后獲得了“日內(nèi)瓦國際發(fā)明展覽會金獎”、“第八屆國際發(fā)明展覽會金獎”、“第二十一屆全國發(fā)明展覽會金獎”等獎項。

在精確識別乳腺癌的前哨淋巴結方

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1.3 內(nèi)窺式光學分子影像手術導航系統(tǒng)

目前，手術作為癌癥的主要治療手段之一，正朝著微創(chuàng)、精準的方向發(fā)展。總的來說，手術可分為開放式手術和微創(chuàng)手術。開放式手術給醫(yī)生提供了更大的操作空間，而微創(chuàng)手術則具有出血少、愈合快、疼痛小等優(yōu)點。近年來，微創(chuàng)手術在肺癌、胃癌、結直腸癌、宮頸癌等疾病中得到了廣泛的應用。微創(chuàng)手術的蓬勃發(fā)展離不開內(nèi)窺鏡的支持與貢獻。從內(nèi)窺鏡出現(xiàn)到現(xiàn)在的50年間，內(nèi)窺鏡在圖像采集設備、圖像處理技術等多個方面取得了巨大的發(fā)展和進步，其成像質(zhì)量已經(jīng)能夠滿足醫(yī)生的大部分手術需求。從光纖類型上來說，內(nèi)窺鏡可分為硬鏡和軟鏡。硬鏡成像質(zhì)量好，而軟鏡在進入人體時對通道造成的損傷小。從用途上來說，內(nèi)窺鏡又可分為胸腔鏡、腹腔鏡、關節(jié)鏡、耳鼻喉內(nèi)窺鏡、膀胱鏡、喉鏡等。不斷出現(xiàn)的新的內(nèi)窺鏡促進了微創(chuàng)手術的進一步發(fā)展。然而，如何發(fā)現(xiàn)早期的、微小的、較深處的腫瘤依然是有待解決的挑戰(zhàn)性難題。在微創(chuàng)手術中，醫(yī)生僅能依賴內(nèi)窺鏡所提供的視覺信息來判斷腫瘤，這常常導致顏色和形態(tài)與正常組織相似的微小腫瘤病灶被遺漏。

圖2 自主研發(fā)的光學分子影像手術導航系統(tǒng)

近年來，隨著光學分子影像技術的不斷發(fā)展，內(nèi)窺式光學分子影像手術導航系統(tǒng)為微創(chuàng)腫瘤治療提供一種較好的解決辦法。目前，這些系統(tǒng)已經(jīng)在腫瘤的術中引導切除與腫瘤的微創(chuàng)治療等方面發(fā)揮了重要的作用 。由于體內(nèi)天然的暗室環(huán)境，使得內(nèi)窺式光學分子影像手術導航系統(tǒng)采集的圖像具有較高的信背比。中國科學院分子影像重點實驗室與北京大學人民醫(yī)院合作，自主研發(fā)的光學分子影像胸腔鏡手術導航系統(tǒng)，能夠高靈敏地檢測肺癌結節(jié)病灶及乳糜管位、肺段造影等疾病，為臨床手術治療提供了有效幫助。

2 小 結

精準醫(yī)療是應用現(xiàn)代遺傳技術、分子影像技術、生物信息技術，結合患者的生活環(huán)境和臨床數(shù)據(jù)，實現(xiàn)精準的疾病分類及診斷，制定其個性化的疾病預防和治療方案的新方法和新技術。精準醫(yī)療的發(fā)展和進步將會提高醫(yī)生治療疾病的能力，對癌癥的治療也將產(chǎn)生巨大的推動作用。其中，新興的分子影像技術是醫(yī)學影像技術與現(xiàn)代分子生物學相結合而產(chǎn)生的一門綜合性交叉學科，它可以在細胞分子水平上實現(xiàn)生物體生理、病理變化的實時、無創(chuàng)、動態(tài)、在體成像，代表了醫(yī)學影像技術發(fā)展的新方向。該技術突破了傳統(tǒng)影像技術僅能顯示由細胞分子改變所引起的解剖結構變化的局限，改變了傳統(tǒng)離體方法不能在體連續(xù)觀測藥物作用機理及治療效果的局限，在分子生物學與臨床醫(yī)學之間架起了相互連接的橋梁。有助于從細胞分子水平認識疾病的發(fā)生、發(fā)展機理，實現(xiàn)特異性的在體無創(chuàng)檢測，實現(xiàn)疾病的早期精確診斷，推動生命科學領域的發(fā)展。同時，也將進一步提高人口健康水平與人民生活質(zhì)量。

目前適合術中成像的影像設備難覓蹤影，而光學分子影像手術導航技術作為一種新興的醫(yī)學影像方法，可以輔助醫(yī)生在實施腫瘤切除的過程中，精確定位腫瘤的邊界。臨床實驗中，光學分子影像導航系統(tǒng)為醫(yī)生實施精準手術提供了強大的幫助；總之，隨著研究的不斷深入、完善，將會被廣泛應用于臨床醫(yī)學的各個領域，成為新的醫(yī)療技術、醫(yī)療設備和新的臨床學科～。

［感謝：國家重點基礎研究發(fā)展計劃（“9 7 3”計劃）（2011CB707700）；國家自然科學基金（81227901, 61231004 和61501462的支持）］

10.3969/j.issn.1674-0319.2015.06.009

腫瘤是嚴重危害人類生命和健康的常見病和多發(fā)病，如何在早期發(fā)現(xiàn)腫瘤組織及如何在手術過程中實現(xiàn)腫瘤的精確定位成為了近年來國際上的研究熱點。隨著醫(yī)學影像技術的不斷發(fā)展，光學分子影像手術導航技術作為一種新興的醫(yī)學影像方法，有望實現(xiàn)手術過程中對腫瘤及其他病灶組織的邊界信息的快速、準確、客觀的定位，有效地提高手術的成功率，并提高患者的術后生存率。文章主要綜述了光學分子影像手術導航技術方面的研究進展，以期為腫瘤的精準手術提供一種有效的方法。