光學成像技術在乳腺病變診斷中的應用及進展

王銘 朱慶莉 姜玉新

中國醫(yī)學科學院，北京協(xié)和醫(yī)學院，北京協(xié)和醫(yī)院超聲診斷科，北京 100730

光學成像是利用光學技術探測組織對光的散射、吸收及熒光等性質的過程。光學功能成像的基礎是光在組織或細胞中經歷一系列吸收、散射后，出射光中攜帶著與吸收和散射相關的組織生化信息，通過對組織內基本光學性質的定量測量可反映其內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。近幾年來光學成像在醫(yī)學診斷中得到了廣泛應用，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用價值更為突出[7-8]。本文就光學成像技術在乳腺病變診斷中的應用及進展進行綜述。

1 乳腺組織的光學成像發(fā)展史

1929年，Cutler等[9]首先利用乳腺透照術（transillumination），即使用強光照射乳腺，并觀察穿透乳腺后的光強度。該技術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，故未被臨床廣泛應用。

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

20世紀90年代，乳腺透照術再次改進，產生了激光通過皮秒到毫微秒的光子脈沖應用于乳腺成像[14]。這項技術采用的是在選擇的時間窗內到達探測器的光子而非隨機進入介質的脈沖光子，故光子散射最少，能最快到達探測器，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，需對激光強度進行調制以校正投射圖像的光衰減變化。這種改良乳腺透照技術的診斷率未見明確報道。該技術的優(yōu)點是：使用多個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為病變組織幾何及光學參數的測量提供較好的評估[15]。

乳腺透照術雖在成像設備和光源上有了突破性的進展，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光強度的灰度投影圖像，無法區(qū)分吸收效應與散射效應，以及量化分析組織的吸收與散射；同時投影分辨率及對比度均無法達到臨床要求，在應用中依然受限。

2 光散射斷層成像

光散射斷層成像（diffuse optical tomography，DOT）是近20年來光學成像技術的巨大突破。該技術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，定量計算組織內部光學信息（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。光散射成像技術將光入射組織后的結局分為兩部分，即光的散射和組織對光的吸收。散射是由于光通過組織時光子的前進方向發(fā)生不同程度的改變，吸收是組織內載色基團將光能轉換為熱能。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，兩者反映了組織內部血供和氧合的狀態(tài)。乳腺癌的生長、浸潤和轉移均依賴于新生血管生成，腫瘤內含有大量新生血管，血流速度慢，瘤細胞代謝旺盛，耗氧量大，形成了乳腺癌內部呈現“血含量高、氧含量低”的特殊現象。由于DOT對血液中相對氧濃度敏感，依據腫瘤組織與正常組織內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。文獻報道以乳腺腫塊內高血紅蛋白濃度、低血氧飽和度作為判斷乳腺惡性腫瘤的指標是可靠的。

與乳腺透照術相比，DOT引入了一個嚴格的數學模型（如數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信息進而可更準確地定量計算，并獨立測定吸收系數、散射系數和熒光壽命。盡管DOT可使用持續(xù)強烈的光源，尤其是只需顯示吸收量或熒光改變時，但脈沖光和調制-相位光仍有其特有的優(yōu)勢。脈沖光通過傅立葉轉換后的結果與多頻調制光測量的結果相近。

對特定波長吸收系數的測定可定量計算乳腺腫瘤的水、氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白濃度和血氧飽和度，所以光學方法是唯一可評估和定量計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態(tài)乳腺光學成像檢查。結果顯示，動態(tài)光學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）。動態(tài)光學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系數的差異，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。這些缺陷導致DOT技術不能單獨用于乳腺病變的常規(guī)診斷，故近年來一些學者提出將乳腺DOT與現有成熟的醫(yī)學影像技術相結合的方法來彌補以上不足。

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，利用圖像配準技術將兩者結合，在一幅圖像上同時反映組織的解剖信息和代謝情況，從而產生醫(yī)學圖像融合技術，即多模態(tài)成像。發(fā)展光學功能影像與其他模態(tài)融合的技術和設備將乳腺光學成像的應用推向一個新的高度。

超聲光散射斷層成像，即Optimus雙模式成像系統(tǒng)，就是將DOT與超聲聯合應用，既可通過超聲定位獲得腫塊的形態(tài)學特點，又可通過DOT獲得腫塊的功能狀態(tài)信息，將聲學與光學良好地融為一體。超聲定位有利于克服光學成像空間分辨力低的缺點，使之能應用于臨床診斷。孝夢甦等[18]應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的相關性，結果顯示，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)計學意義（P＜0.001）；惡性病變的THC值與病灶大小呈線性相關，良性病灶THC測值受病灶大小影響較小。而多項研究證實，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用價值。Jakubowski等[23]及Zhu等[24]將超聲與DOT結合應用，超聲用于定位乳腺病變，近紅外光用來測定乳腺腫塊內血紅蛋白濃度和血氧飽和度，證實這些功能參數對輔助診斷乳腺癌和觀察化療療效有非常重要的價值。

Dehghani等[25]指出，與MRI進行結合，在乳腺癌試驗中同時重建μa和u s'，將獲得更高的對比度和分辨率；單獨重建μa，對比度會提高，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，并對病灶進行光學指數分析（綜合評估病灶血紅蛋白、血氧飽和度及散射等光學參數），發(fā)現惡性病灶光學指數明顯高于正常組織，而良性病灶光學指數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值。

4 光學對比劑的應用現況

與大多數醫(yī)學影像設備一樣，對比劑的應用可提高光學成像效果，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)境下會經血管裂隙滲出血管（如腫瘤的新生血管），分布于細胞外組織中，進行近紅外熒光成像時這種病理學改變以可視的光學圖像展現出來，從而提高DOT的特異度和對比度，有利于早期診斷。此種探針的缺點是缺乏特異性，且成像時背景熒光干擾大。

近幾年來，納米結構的出現使許多新型光學成像造影劑的產生成為可能。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)良的光學穩(wěn)定性。目前，作為光學造影劑的納米結構材料還在研發(fā)中，包括膠體金、金屬納米殼層和量子點等[28-30]。

造影劑的最新研究進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）特異性結合或被腫瘤相關的酶所激活（智能探針）[30]，可在活體狀態(tài)下探測腫瘤分子的活動。與靶向探針相比，智能探針在原始注射狀態(tài)幾乎無熒光，一旦被腫瘤相關酶激活即可在作用位點產生強烈的熒光，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、腫瘤生長及轉移等生物學過程，目前多用于活體動物實驗，臨床應用報道尚少。如白細胞介素11受體（interleukin11 receptor，IL-11R）與乳腺癌的發(fā)生、發(fā)展有關，并在乳腺癌骨轉移中起重要作用，劉濤等[31]將IL-11R的模擬物環(huán)九肽與近紅外染料偶聯，得到近紅外或近紅外/核素標記的靶向IL-11Rα的特異性對比劑。先進行體外對比劑與乳腺癌細胞MDA-MB-231結合實驗，然后對已建立的裸鼠乳腺癌細胞MDAMB-231異體種植瘤模型進行體內光學成像及核素成像實驗，分析靶向對比劑在體內實驗中的特異性，并與病理學檢查結果對比。結果顯示，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細胞特異性結合，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。

5 存在問題與應用前景

功能成像和分子活動成像目前位于癌癥的無創(chuàng)性檢測和研究的前沿。光學成像是目前已建立的放射影像技術的補充，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，光學成像可提供高度敏感和特異的基因表達信息。與其他成像法相似，光學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)學影像方法相比，其是一種功能成像，且無離子輻射、價格低廉。

目前光學成像技術應用于活體成像時還存在一些問題：①生物組織具有高度的異質性，在活體實驗中組織的吸收系數、散射系數等光學參數往往難以準確獲得。通常是將其預設為一個固定值，這在很大程度上影響成像結果的準確性。②三維成像結果大多是熒光染料濃度的相對值圖像，難以實現定量成像。③動態(tài)成像通常需長時間采集數據，整個過程往往受呼吸、運動等干擾，從而使圖像產生偽影，影響成像質量。④對于三維動態(tài)成像，因為數據量巨大，對計算機的運算速度與存儲空間要求很高，因此需研究快速有效的成像算法。

有理由相信，隨著光學儀器及光學造影劑的不斷完善與改進，光學成像定將在認識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中發(fā)揮越來越大的作用。

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