近紅外光學成像輔助手術導航的研究進展
近紅外光學成像輔助手術導航的研究進展
楊曉峰
近年來，由于分子影像學技術的不斷發展，繼放射性核素成像、正電子發射斷層掃描、單光子發射計算機斷層和磁共振成像之后，出現了高分辨率的體內光學成像，其中近紅外熒光成像倍受關注，目前前哨淋巴結成像、評價冠狀動脈搭橋術后通暢度、術中識別腫瘤、醫源性膽道損傷的診斷、以及淋巴管和血管的成像等都應用了近紅外熒光成像技術，逐步形成了近紅外熒光成像輔助外科手術導航的新的醫療技術、新的醫療設備和新的臨床學科，現就有關研究進展綜述如下：
1．外科診療與圖像技術
外科手術過程中外科醫生主要依據組織的色澤、質地、形態進行腫瘤的切除，所以判斷切除的范圍與醫生的臨床經驗和切緣的病理陽性率有關。進一步研究認為醫生在術中能夠得到實時的腫瘤解剖結構圖像，將提高手術成功率、降低手術創傷、減少醫療費用、避免手術意外發生、促進病人康復。而放射性核素成像、正電子發射斷層掃描、單光子發射計算機斷層和磁共振成像等成像設備不可能搬到外科手術室，而且這些成像設備在操作過程中對醫生和病人有一定的損害，所以需要進一步探索，手術過程實時成像、操作方便、非侵入、無損害的技術。
2.近紅外光的生物學特性[1]
光穿透組織的能力與組織吸收光的強弱、光波的特性、生物組織結構及其物理化學特性均有關系。650～900nm的近紅外光（Near-Infrared，NIR）被稱為“組織光窗(Tissue Optical Window)”，與可見光相比具有：⑴生物組織對此波段近紅外光的吸收和散射效應最小，與可見光相比近紅外光可穿透更深層的組織；⑵由于生物組織對此波段近紅外光的自體熒光較小，信背比（Signal-to- background ratio，SBR)相對高等優點，有可能成為未來臨床醫學在體實時成像的重要理論。
3.近紅外光學成像的基本原理[2]
生物體內的細胞或某種大分子標記熒光染料或報告基因基因時，應用體外特定波長的光波照射，穿過組織的光線，激發這些熒光材料發射熒光，體外光學影像設備攝取這些發射出的熒光，形成光學分子影像，這種光學分子影像將真實反映體內某種基因的表達或大分子的生物學特性，并動態記錄和顯示分子事件及其動力學過程。然而，近紅外光人眼看不到，需要特殊的光學成像系統，以近紅外熒光團為造影劑，當一種波長的近紅外光照射外科手術野時，手術野發射出另外一種波長的近紅外光，攝取這種發射的近紅外光可以精確確定近紅外熒光團的位置。當近紅外熒光團標記到活體細胞、組織和器官時，通過手術野中的近紅外光就可以顯示組織的結構和病變部位。目前吲哚青綠作為近紅外熒光顯影劑，采用近紅外光成像已經在乳腺癌、胃癌和結腸癌的臨床治療中應用。
4.近紅外光學成像系統[2]
2002年美國波士頓Beth Israel Deaconess醫學中心首先介紹了第一代外科成像系統，該系統可以實時攝取彩色和近紅外熒光，最大的特點是既能攝取近紅外熒光，又能看到手術野的解剖結構，系統被稱為熒光輔助切割和探測外科成像系統（簡稱FLARETM），多年來該系統主要在大動物上進行外科手術的研究，有望應用到人類外科。目前美國波士頓Frangioni實驗室、日本濱松光電、法國Fluoptics公司、加拿大和荷蘭等研究機構從事相關研發。
4.1近紅外光學成像系統的基本結構[2]
近紅外光學成像系統主要包括近紅外激發光源、近紅外熒光造影劑、高靈敏近紅外熒光攝像機、計算機及其圖像處理軟件等。
4.2近紅外光學成像系統的分型
Ⅰ型：FLARE™ 攝像系統
FLARE™攝像系統首先是由美國波士頓Beth Israel Deaconess醫學中心和喬治亞州立大學在2002年研制成功，FLARE是 fluorescence - assisted resection and exploration的縮寫，即熒光輔助切除和探測。
FLARE™設計的基本方案是在外科手術時，顯示器上既能顯示外科手術的解剖結構，還能顯示肉眼看不到的近紅外熒光，并且能夠重疊在彩色圖像上。FLARE™系統的基本組成：⑴400W 冷光源，其中白光40,000 lux，波長400～650nm, 其二近紅外激發光源之一，技術參數是光強度4 mW/cm2， 波長 700 nm (656～678 nm), 其三近紅外激發光源之二，技術參數是光強度14 mW/cm2，波長800 nm (745～779 nm)，近紅外光源采用環行LED排列，線性驅動集成；⑵攝像系統包括彩色攝像CCD， 400～650 nm峰值量子率效高,；700 nm近紅外攝像CCD，689～725 nm峰值量子率效高, 和800 nm近紅外攝像CCD ，800～848 nm峰值量子率效高,共三種CCD同時獲取、像素640×480、系統分辯力125×125 μm (x,y)到 625× 625 μm (x,y)、顯示刷新15 Hz、NIR 暴光時間為100 μsec 到 8 sec，免持光學自動變焦和聚焦。
Ⅱ型：Fluobeam®手持式成像系統[3]
Fluobeam®是法國Grenoble的 Fluoptics公司研制，Fluobeam®是手持式成像系統，攝取2D體外熒光，Fluobeam®有一個花冠狀LED發射近紅外光，能夠在白光下直接檢測。Fluobeam®分為Fluobeam® 700和Fluobeam® 800 2種型號。
Ⅲ型：Artemis™手持式成像系統(www.O2view.com).
Artemis™手持式成像系統是彩色和熒光雙重CCD手持式攝像系統，實現全彩實時熒光成像，具有800nm吲哚青綠和 700nm熒光探針成像2種功能，適用于腹腔鏡和開放手術。成像系統分辨率是659×494像素、大約330,000 pixels、圖像輸出5.6 x 5.6 μm、幀頻5～60 fps、讀取噪音30 electrons、井位能25,000 electrons，還配置390 mm和190 mm 2種型號的腹腔鏡。
Ⅳ型：The Photodynamic Eye
The Photodynamic Eye是有日本濱松光電研制，主要進行非損傷床旁定量評估組織灌注量，圖像感受器是CCD，發射光源是LED 。
Ⅴ型：Novadaq探測成像系統[4]
Novadaq探測成像系統（Novadaq''s SPY Imaging System）是由加拿大 Novadaq Technologies Inc.研制，是第一個，也是目前唯一一個被FDA許可進行心臟冠狀動脈搭橋術后評估通暢度的設備[5]，是整形和重建外科手術，評估游離皮瓣血運的重要工具[6,7]。還可應用于器官移植，小兒外科和泌尿外科等領域。Novadaq探測成像系統重要的功能之一是能夠在手術室中靈活使用，定量評定手術中的關鍵步驟。
如圖4：整個系統被放置在一臺移動車上，由 ⑴激發光/攝像機, 攝像機是30幀頻/秒的CCD；⑵顯示器，遠端控制中心；⑶中央處理系統；(⑷激光發生器，激光發生器的輸出功率是2.0 W，攝像機和激光輸出伴行，激光在心臟的照射面積是56 cm2 (7.5 cm×7.5 cm) 開發手術時鏡頭距心臟30 厘米。
5.近紅外光學成像造影劑
在近紅外光波范圍內，大多數組織很少產生近紅外熒光，需要使用近紅外光學成像造影劑，最常用的有機NIR熒光團是聚甲炔類化合物，另一類是半導體納米晶體或量子點。
5.1 非靶向外源性造影劑
5.1.1吲哚青綠
吲哚青綠(ICG)又稱靛青綠或福氏綠，是一種水溶性三碳吲哚染料，分子量775道爾頓，分子式是C43H47N2NaO6S2，最大吸收光譜805nm，最大激發波長為835nm。ICG 注入體內后既不從消化道吸收，也不進入肝循環，而是由肝實質細胞從血漿中攝取后以整分子形式排泄至膽管，隨糞排出體外。近年來，ICG造影除用于研究眼部血管尤其是脈絡膜血管外，還被用于燒傷深度的檢測、胃腸道血管缺損、腦動脈急性梗塞患者灌注的減少檢測、惡性腫瘤的診斷、微循環定量、腦部腫瘤邊緣的確定和腫瘤前哨淋巴結檢測等[8]。
Motomura 等[9]證實在乳腺癌周圍的軟組織中注射25 mg/5 mL吲哚青綠就可以識別標記的淋巴結。Later, Kitai 等[10]證實皮內注射 25 mg，能夠引導乳腺癌病人哨位淋巴結活檢術。此外，微量吲哚青綠與分子靶向標記物結合也能有效顯示淋巴結，降低吲哚青綠的使用量。
5.2 非靶向可激活有機熒光造影劑
研究認為腫瘤的無序生長與蛋白質水解酶活性上調有關，所以蛋白質水解酶在惡性腫瘤組織中表達增加，與腫瘤的浸潤和轉移有關，這種熒光探針它們往往含有兩個以上的等同或不同的色素團，兩個色素團通過酶特異性多肽接頭彼此緊密相連。多肽接頭切除時，使它們的熒光團釋放出來，熒光發射于是得以恢復。酶靶點主要限于蛋白酶，包括組織蛋白酶、半胱氨酸天冬氨酸特異蛋白酶、基質金屬蛋白酶、凝血酶、HIV 和 HSV蛋白酶以及尿激酶類血纖維蛋白溶酶原激活劑。
5.3靶向有機熒光造影劑
靶向有機熒光造影劑是將熒光團與能結合某一特異分子靶點（活性探針）的配體相耦合。該造影劑能結合到并停留在靶點部位，而非結合的熒光團則在循環中被清除。這種方法對于腫瘤的成像最為有用，因為癌癥使得某些表面受體超表達。
配體可以是小分子、多肽、蛋白質和抗體。比如表皮生長因子受體(EGFr)/ Her2、血管上皮生長因子受體（VEGFr）以及αvβ3整合素等。現可結合的熒光團包括Cy 5.5、Alexa Fluor 750、IRdye800CW等[11-13]。
6. 近紅外光學成像引導下外科診療的應用
6.1前哨淋巴結定位（Sentinel Lymph Node Mapping）
浸潤性膀胱癌有20～25%的病人有淋巴結轉移，在進行膀胱全切術是要進行淋巴結清掃。Knapp等采用IRDye™ 800CW、HSA800、近紅外熒光量子點三種近紅外熒光淋巴結示蹤劑，其中HSA800的激發光峰值是784 nm， 發射光峰值是802 nm；近紅外熒光量子點的激發光峰值是775 nm, 發射光峰值是820nm。使用第一代近紅外熒光成像系統，在家犬和豬上進行試驗研究，發現注射近紅外熒光淋巴結示蹤劑后膀胱壁立刻明亮的熒光，10秒種為淋巴管熒光顯示，30秒到3分鐘前哨淋巴結顯影，在注射后至少2小時注射部位和前哨淋巴結仍然熒光顯影。其中25%的淋巴結全部明亮熒光顯影；45%的淋巴結部分顯影；30%的淋巴結邊緣斑點顯影。同時研究發現，膀胱內壓力影響淋巴結示蹤劑的移動，大于 50 cm H20和小于 10 cm H2O都沒有淋巴結示蹤劑的移動，膀胱內壓力是影響膀胱光學效果的重要因素[14]。此外乳腺癌手術，宮頸癌等多種腫瘤手術中都可以使用。
6.2 輸尿管示蹤（Intraoperative Ureteral Guidance）
在輸尿管損傷或某些外科手術時，輸尿管尋找十分困難，Tanaka等使用0.5 mW/cm2 400～700 nm的白光，和5mW/cm2 725～775 nm的近紅外光，光斑直徑是15厘米的近紅外成像系統。研究發現在豬模型中注射7.5 μg/kg CW800-CA能夠在不可見光下看到輸尿管，看到輸尿管內直徑小于2.5 mm的異物，逆行注射10 μM ICG能夠精確定位輸尿管的損傷漏尿點[15]。
6.3 術中近紅外熒光膽道造影（Intraoperative Near-infrared Fluorescent Cholangiography）
Tanaka等[16]使用NIR光和靜脈注射 CW800-CA能夠實時顯示肝外膽管, 而不影響外科手術。
6.4輔助肝葉切除
Aoki等[17]使用Photo Dynamic Eye-2成像系統，在門靜脈注射ICG后1分鐘就可以明確區分肝臟的分段和亞分段，并可以保持10分鐘。35例肝臟惡性腫瘤的病人在行肝臟部分切除時使用的該檢查手段，其中33例病人肝葉區分明顯，該方法有效可靠安全。
6.5評估冠狀動脈搭橋術效果
常規冠狀動脈造影是診斷冠狀動脈有無狹窄的金標準，但在冠狀動脈搭橋術中很少使用，目前常用的方法有術中熒光成像（intraoperative fluorescence imaging，IFI）和時差血流（transit-time flowmetry，TTFM）。Balacumaraswami 等認為Novadaq探測成像系統進行冠狀動脈搭橋手術效果的評估，IFI要比TTFM更加靈敏，假陽性率低[18]。
6.6 腦血管外科的應用
Woitzik等[19]使用近紅外熒光手術顯微鏡，對32例病人在手術中進行近紅外熒光血管成像，靜脈注射ICG 25mg/10ml。明確診斷13例腦動脈瘤、4例腦動靜脈畸形 、8例為顱內外旁路，研究認為腦血管手術過程中，常規進行ICG近紅外熒光血管成像是必要的。
6.7 術中識別腫瘤（dentifying tumors intraoperatively）
術中識別腫瘤包括開放手術和內窺鏡手術下的腫瘤識別、腫瘤切除邊緣的確定和轉移淋巴結的鑒別，但還處于臨床前期研究。需要進一步完善腫瘤特異性近紅外熒光探針，研究腫瘤靶向抗體和無毒副作用的近紅外熒光染料，開發高靈敏的近紅外攝像系統[20,21]。
總之，近紅外光學成像理論和技術是近十年的科學成就，隨著研究的不斷深入完善，將會廣泛應用于臨床醫學的各個領域，成為新的醫療技術、醫療設備和新的臨床學科。
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