近紅外光學成像輔助手術(shù)導航的研究進展
近紅外光學成像輔助手術(shù)導航的研究進展
楊曉峰
近年來，由于分子影像學技術(shù)的不斷發(fā)展，繼放射性核素成像、正電子發(fā)射斷層掃描、單光子發(fā)射計算機斷層和磁共振成像之后，出現(xiàn)了高分辨率的體內(nèi)光學成像，其中近紅外熒光成像倍受關(guān)注，目前前哨淋巴結(jié)成像、評價冠狀動脈搭橋術(shù)后通暢度、術(shù)中識別腫瘤、醫(yī)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(shù)，逐步形成了近紅外熒光成像輔助外科手術(shù)導航的新的醫(yī)療技術(shù)、新的醫(yī)療設(shè)備和新的臨床學科，現(xiàn)就有關(guān)研究進展綜述如下：
1．外科診療與圖像技術(shù)
外科手術(shù)過程中外科醫(yī)生主要依據(jù)組織的色澤、質(zhì)地、形態(tài)進行腫瘤的切除，所以判斷切除的范圍與醫(yī)生的臨床經(jīng)驗和切緣的病理陽性率有關(guān)。進一步研究認為醫(yī)生在術(shù)中能夠得到實時的腫瘤解剖結(jié)構(gòu)圖像，將提高手術(shù)成功率、降低手術(shù)創(chuàng)傷、減少醫(yī)療費用、避免手術(shù)意外發(fā)生、促進病人康復。而放射性核素成像、正電子發(fā)射斷層掃描、單光子發(fā)射計算機斷層和磁共振成像等成像設(shè)備不可能搬到外科手術(shù)室，而且這些成像設(shè)備在操作過程中對醫(yī)生和病人有一定的損害，所以需要進一步探索，手術(shù)過程實時成像、操作方便、非侵入、無損害的技術(shù)。
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(jié)構(gòu)及其物理化學特性均有關(guān)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(yōu)點，有可能成為未來臨床醫(yī)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(nèi)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(fā)這些熒光材料發(fā)射熒光，體外光學影像設(shè)備攝取這些發(fā)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(nèi)某種基因的表達或大分子的生物學特性，并動態(tài)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(tǒng)，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(shù)野時，手術(shù)野發(fā)射出另外一種波長的近紅外光，攝取這種發(fā)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(shù)野中的近紅外光就可以顯示組織的結(jié)構(gòu)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(jīng)在乳腺癌、胃癌和結(jié)腸癌的臨床治療中應用。
4.近紅外光學成像系統(tǒng)[2]
2002年美國波士頓Beth Israel Deaconess醫(yī)學中心首先介紹了第一代外科成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)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(shù)野的解剖結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)被稱為熒光輔助切割和探測外科成像系統(tǒng)（簡稱FLARETM），多年來該系統(tǒng)主要在大動物上進行外科手術(shù)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(gòu)從事相關(guān)研發(fā)。
4.1近紅外光學成像系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)[2]
近紅外光學成像系統(tǒng)主要包括近紅外激發(fā)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(tǒng)的分型
Ⅰ型：FLARE™ 攝像系統(tǒng)
FLARE™攝像系統(tǒng)首先是由美國波士頓Beth Israel Deaconess醫(yī)學中心和喬治亞州立大學在2002年研制成功，F(xiàn)LARE是 fluorescence - assisted resection and exploration的縮寫，即熒光輔助切除和探測。
FLARE™設(shè)計的基本方案是在外科手術(shù)時，顯示器上既能顯示外科手術(shù)的解剖結(jié)構(gòu)，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(tǒng)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(fā)光源之一，技術(shù)參數(shù)是光強度4 mW/cm2， 波長 700 nm (656～678 nm), 其三近紅外激發(fā)光源之二，技術(shù)參數(shù)是光強度14 mW/cm2，波長800 nm (745～779 nm)，近紅外光源采用環(huán)行LED排列，線性驅(qū)動集成；⑵攝像系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)[3]
Fluobeam®是法國Grenoble的 Fluoptics公司研制，F(xiàn)luobeam®是手持式成像系統(tǒng)，攝取2D體外熒光，F(xiàn)luobeam®有一個花冠狀LED發(fā)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(tǒng)(www.O2view.com).
Artemis™手持式成像系統(tǒng)是彩色和熒光雙重CCD手持式攝像系統(tǒng)，實現(xiàn)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(shù)。成像系統(tǒng)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(fā)射光源是LED 。
Ⅴ型：Novadaq探測成像系統(tǒng)[4]
Novadaq探測成像系統(tǒng)（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(shù)后評估通暢度的設(shè)備[5]，是整形和重建外科手術(shù)，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(lǐng)域。Novadaq探測成像系統(tǒng)重要的功能之一是能夠在手術(shù)室中靈活使用，定量評定手術(shù)中的關(guān)鍵步驟。
如圖4：整個系統(tǒng)被放置在一臺移動車上，由 ⑴激發(fā)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(tǒng)；(⑷激光發(fā)生器，激光發(fā)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(fā)手術(shù)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(nèi)，大多數(shù)組織很少產(chǎn)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(fā)波長為835nm。ICG 注入體內(nèi)后既不從消化道吸收，也不進入肝循環(huán)，而是由肝實質(zhì)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(huán)定量、腦部腫瘤邊緣的確定和腫瘤前哨淋巴結(jié)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(jié)。Later, Kitai 等[10]證實皮內(nèi)注射 25 mg，能夠引導乳腺癌病人哨位淋巴結(jié)活檢術(shù)。此外，微量吲哚青綠與分子靶向標記物結(jié)合也能有效顯示淋巴結(jié)，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(zhì)水解酶活性上調(diào)有關(guān)，所以蛋白質(zhì)水解酶在惡性腫瘤組織中表達增加，與腫瘤的浸潤和轉(zhuǎn)移有關(guān)，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(fā)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(zhì)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(jié)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(jié)合到并停留在靶點部位，而非結(jié)合的熒光團則在循環(huán)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(zhì)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�，F(xiàn)可結(jié)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(jié)定位（Sentinel Lymph Node Mapping）
浸潤性膀胱癌有20～25%的病人有淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移，在進行膀胱全切術(shù)是要進行淋巴結(jié)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(jié)示蹤劑，其中HSA800的激發(fā)光峰值是784 nm， 發(fā)射光峰值是802 nm；近紅外熒光量子點的激發(fā)光峰值是775 nm, 發(fā)射光峰值是820nm。使用第一代近紅外熒光成像系統(tǒng)，在家犬和豬上進行試驗研究，發(fā)現(xiàn)注射近紅外熒光淋巴結(jié)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(jié)顯影，在注射后至少2小時注射部位和前哨淋巴結(jié)仍然熒光顯影。其中25%的淋巴結(jié)全部明亮熒光顯影；45%的淋巴結(jié)部分顯影；30%的淋巴結(jié)邊緣斑點顯影。同時研究發(fā)現(xiàn)，膀胱內(nèi)壓力影響淋巴結(jié)示蹤劑的移動，大于 50 cm H20和小于 10 cm H2O都沒有淋巴結(jié)示蹤劑的移動，膀胱內(nèi)壓力是影響膀胱光學效果的重要因素[14]。此外乳腺癌手術(shù)，宮頸癌等多種腫瘤手術(shù)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(shù)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(tǒng)。研究發(fā)現(xiàn)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(nèi)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(shù)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?qū)崟r顯示肝外膽管, 而不影響外科手術(shù)。
6.4輔助肝葉切除
Aoki等[17]使用Photo Dynamic Eye-2成像系統(tǒng)，在門靜脈注射ICG后1分鐘就可以明確區(qū)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(qū)分明顯，該方法有效可靠安全。
6.5評估冠狀動脈搭橋術(shù)效果
常規(guī)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(shù)中很少使用，目前常用的方法有術(shù)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(tǒng)進行冠狀動脈搭橋手術(shù)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(shù)顯微鏡，對32例病人在手術(shù)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(nèi)外旁路，研究認為腦血管手術(shù)過程中，常規(guī)進行ICG近紅外熒光血管成像是必要的。
6.7 術(shù)中識別腫瘤（dentifying tumors intraoperatively）
術(shù)中識別腫瘤包括開放手術(shù)和內(nèi)窺鏡手術(shù)下的腫瘤識別、腫瘤切除邊緣的確定和轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)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(fā)高靈敏的近紅外攝像系統(tǒng)[20,21]。
總之，近紅外光學成像理論和技術(shù)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(yī)學的各個領(lǐng)域，成為新的醫(yī)療技術(shù)、醫(yī)療設(shè)備和新的臨床學科。
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