熱層析成像在乳腺腫瘤診斷中的臨床研究進展

霍慧萍，李俊來

解放軍總醫(yī)院 超聲診斷科，北京 100853

熱層析成像在乳腺腫瘤診斷中的臨床研究進展

霍慧萍，李俊來

解放軍總醫(yī)院 超聲診斷科，北京 100853

熱層析成像技術(shù)是影像醫(yī)學新技術(shù)，是光學成像領(lǐng)域又一重大突破。該技術(shù)可以檢測到細胞新陳代謝所產(chǎn)生的熱量，通過對熱分布信息的攝取，推斷熱與疾病間的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律。為了探明疾病和熱分布的關(guān)系建立了生物熱傳導模型，利用該模型對紅外熱像圖上可能病變區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)進行分析處理，得出熱源深度h和強度q值，這兩個參數(shù)可對腫瘤進行定性、定位。熱層析技術(shù)是一種既體現(xiàn)功能學又具有形態(tài)學的熱影像新技術(shù)，比其他臨床檢測方法更早地發(fā)現(xiàn)病變。本文就此技術(shù)在乳腺疾病早期診斷中的臨床研究進展予以綜述。

熱層析成像；乳腺腫瘤；紅外成像

任何活的生物體都存在溫度，因此可通過體表溫度差異進行疾病的診斷和鑒別。早年近紅外乳腺成像試圖區(qū)別乳腺是否有病變及鑒別其良惡性，但由于當時技術(shù)條件有限，診斷的準確率始終徘徊在低水平，漏診和誤診率較高。2000年后出現(xiàn)了熱斷層技術(shù)，能夠探測到人體不同深度的溫度信息，應用于乳腺檢查。2003年發(fā)展為熱層析成像技術(shù)(thermal texture maps，TTM)，它可以逐層反映溫度的范圍和深度，在腫瘤細胞早期倍增時探測到其功能性變化以及未受損組織的生理學和分子進程，是目前國內(nèi)外紅外熱成像研究領(lǐng)域的熱點[1]。當前乳腺癌發(fā)病率在我國多數(shù)城市已居女性惡性腫瘤的首位，發(fā)病率上升速度較歐美國家迅速[2-4]。有資料表明，乳腺癌10年生存率調(diào)查0期為95%，Ⅰ期為88%，Ⅱ期為66%，Ⅲ期為36%，Ⅳ期僅為7%[5]。因此，乳腺病灶的早期發(fā)現(xiàn)及準確的良惡性鑒別對于治療方案的調(diào)整、判斷預后及提高患者生存率有重要意義[6-8]?，F(xiàn)就TTM在早期診斷乳腺疾病中的發(fā)展歷史及研究進展做一綜述。

1 熱成像的研究背景及發(fā)展簡史

利用溫度推測疾病早在兩千多年前就有記載。直到1870年，水銀溫度計問世，能夠為人們提供體表溫度數(shù)值，至今仍被人們廣泛運用。但其是以單點接觸的形式得到病人的接觸點溫度從而推斷出全身體溫，不能夠反映體內(nèi)深層次的體核溫度。1800年英國的天文學家William Hirschel (威廉·謝爾)發(fā)現(xiàn)并報道了熱圖，稱之為紅外熱輻射，他認為只要存在著熱即會有紅外線。這一技術(shù)很快擴展到醫(yī)學領(lǐng)域并應用于腫瘤診斷。1934年，Hardvd以不接觸人體的方式將紅外輻射原理應用到實踐中，測得人體皮膚任一點的溫度和二維溫度場。在這一理論基礎的指導下，1956年，美國醫(yī)生Lawson應用紅外熱輻射發(fā)現(xiàn)乳腺癌周圍正常組織均較病灶部位溫度低。1961年，英國醫(yī)生Williams為紅外熱像診斷樹立了新的里程碑，他利用紅外掃描儀拍攝了世界上第一張乳腺癌熱圖。Gathetie等在惡性腫瘤局部的代謝狀況方面做了研究，奠定了熱像圖診斷腫瘤的理論基礎。1979年，國內(nèi)學者姜宗橋關(guān)于紅外熱像儀臨床應用的報道首次在國內(nèi)發(fā)表，表明我國紅外研究不落后于國外水平。由于當時紅外傳感設備的不完善以及計算機技術(shù)水平的限制，并且缺乏熱圖像解讀經(jīng)驗，在診斷的準確性方面不是特別理想，使得該技術(shù)在20世紀80年代后一度處于低谷。伴隨著軍事等高科技紅外熱傳感技術(shù)的發(fā)展，90年代后紅外在醫(yī)學領(lǐng)域也得以迅速發(fā)展。2000年國內(nèi)學者劉忠齊研制出世界首臺熱斷層成像系統(tǒng)，同年在美國申請專利并應用到醫(yī)學實踐中，專利號為6023637[9]。2003年劉忠齊等在香山會議中將其統(tǒng)一命名為熱層析成像系統(tǒng)并應用于臨床實踐中。

2 紅外熱成像技術(shù)在乳腺檢查中的工作原理

根據(jù)紅外輻射信號來源不同，國內(nèi)外標準統(tǒng)一分為被動式和主動式兩大類。近紅外乳腺成像系統(tǒng)即被動式紅外乳腺成像技術(shù)，需要外來光源的照射。遠紅外熱像儀即主動式紅外成像技術(shù)，無需外來光源的照射，通過自身發(fā)熱來產(chǎn)生紅外輻射信號。在遠紅外成像技術(shù)的基礎上進一步開發(fā)研制出了TTM系統(tǒng)。

2.1 近紅外光成像技術(shù) 近紅外光乳腺成像儀又稱紅外乳透(computer diaphano-graphy imaging system，CDI)，是被動式紅外熱成像技術(shù)。內(nèi)置光源發(fā)出近紅外射線對軟組織進行照射，經(jīng)軟組織選擇性吸收，穿透后的各頻段的光源經(jīng)高靈敏攝像機采集并轉(zhuǎn)化成電信號，傳輸?shù)接嬎銠C呈現(xiàn)出二維影像。國內(nèi)張明明和陳艾江[10]對81例乳腺疾病患者進行了近紅外檢查，診斷準確率僅71.6%。由于近紅外乳腺檢查儀是初級產(chǎn)品，很多硬件和軟件有待完善和提高，診斷準確率較低。

2.2 遠紅外成像技術(shù) 人體自身輻射出的熱輻射信號-遠紅外線被紅外熱像儀攝取后，經(jīng)信號處理系統(tǒng)處理后轉(zhuǎn)換為電信號，呈現(xiàn)在顯示屏上的熱圖像就是這一電信號轉(zhuǎn)換而來，這就是主動式紅外熱成像的基本原理。人體內(nèi)部的溫度場分布既與其解剖結(jié)構(gòu)、血管形態(tài)和腫塊形態(tài)等形態(tài)學信息密切相關(guān)，也與其組織代謝、生理和病理改變等功能學信息密切相關(guān)。它是與溫度有關(guān)的人體功能學和形態(tài)學信息的綜合表現(xiàn)和反映。機體組織能量代謝水平、局部的血液循環(huán)狀態(tài)和神經(jīng)內(nèi)分泌水平均通過組織細胞新陳代謝反映出來，惡性腫瘤細胞代謝較其周圍正常組織活躍，產(chǎn)熱增加，這一溫度的差異為判斷疾病的存在提供了客觀依據(jù)[11]。紅外掃描器接收熱信息后經(jīng)計算機編碼處理，其溫度的強度和范圍以不同的色彩來表示，深部病灶的熱信息反映在彩色圖譜中，以此推斷出病灶的深度和性質(zhì)。高東宸等[12]分析了196例乳腺腫物患者，將術(shù)后病理結(jié)果與紅外熱像圖進行對照，診斷正確率良性腫物為89.3%，惡性腫物為89.2%。該研究指出，紅外成像技術(shù)不能準確定位病灶的大小和深度，也不能提供組織內(nèi)部溫度的變化范圍及病灶深度的相關(guān)信息，在定性和鑒別診斷方面存在不足。

2.3 熱層析成像系統(tǒng) TTM系統(tǒng)基于遠紅外成像技術(shù)，在高科技的時代背景下也得到了迅猛發(fā)展。它突破了以往紅外熱像圖僅從表觀上定性分析人體異常溫度信息的局限，從物理學原理出發(fā)，在不接觸人體皮膚的情況下獲取生物體表面溫度，以三維重建的方式模擬出立體溫度場，逐層掃描，利用物理學公式計算出體內(nèi)熱源強度值及深度值[13]，從而將診斷定量化。

人體組織細胞新陳代謝所產(chǎn)生的熱在向體表傳遞的過程中形成熱分布曲線，隨著熱源深度逐層向外推進，熱源強度q值曲線產(chǎn)生相應變化，熱源強度逐漸降低。不同深度的體內(nèi)熱源，在體表形成的熱分布不同，在此過程中可有熱量損耗從而使熱量逐漸降低[11]。李凱揚等[14]通過求解Pennes生物傳熱方程，利用體表溫度值得出體內(nèi)熱源的深度和強度值，對多個點熱源進行溫度疊加、曲線擬合，將多點溫度相互干擾、融合而構(gòu)建了不同內(nèi)部熱源的三維溫度場。系統(tǒng)軟件將選取的熱像圖目標區(qū)域做逐層處理，構(gòu)建出包含熱源深度信息的q值特征曲線，測得熱輻射源的強度值和深度，將定性診斷提升到定量[15]。

3 TTM系統(tǒng)與其他影像技術(shù)的比較

目前應用于臨床的乳腺檢查主要有彩色多普勒超聲、乳房X線攝影術(shù)、CT、MRI等，它們各具優(yōu)勢，也存在各自的局限性。X線乳房攝影檢查在歐美國家通常作為女性健康篩查的首選，在乳腺病灶中微鈣化顯示極為敏感，異常征象沙粒樣鈣化灶對于提示乳腺癌極具特異性，但對于不伴鈣化灶的乳腺癌來說顯示不出其優(yōu)勢。在X線攝影操作時對乳房進行擠壓，使得腫塊定位相對不準確，適合寬大肥厚乳房檢查，而對于扁平乳房及致密乳腺漏診率較高。袁云娥等[16]對78例女性乳腺腫塊患者進行了TTM和X線攝影檢查，TTM的真陽性率為92.7%、真陰性率為94.6%，X線攝影檢查的真陽性率和真陰性率分別88.2%和86.1%(P＜0.001)。K??ü?等[5]將X線攝影和超聲結(jié)合篩查乳腺癌的準確率由單獨X線攝影的78%提高到91%，診斷的陽性率由7.6/1 000提高到11.8/1 000。

CT、MRI因價格昂貴常不作為乳腺癌的首選篩查手段，對于篩查后性質(zhì)不明確的腫物可進一步明確其性質(zhì)，成像質(zhì)量受呼吸影響較大，對安裝心臟起搏器或金屬支架者不能行MRI檢查等，因此不適合乳腺疾病的普查。多普勒超聲目前在我國乳腺癌篩查中充當著重要角色，憑借其較高的軟組織分辨率，對腫瘤的定位較為準確。但對于極早期乳腺癌的檢出和鑒別診斷方面還存在著不足，受儀器和醫(yī)師主觀影響較大。

惡性腫瘤細胞較正常細胞代謝活躍，產(chǎn)熱增多，這種改變早期即可被TTM系統(tǒng)檢測出來。李昶田等[17]對114例乳腺腫瘤患者行超聲和TTM檢查，超聲檢出乳腺癌的敏感度、準確率為74.42%、74.56%，TTM檢出乳腺癌的敏感度、準確率為81.40%、70.18%，二者聯(lián)合應用檢出乳腺癌的敏感度是95.35%，準確率是86.84%。其中＜1 cm的微小乳腺癌有6例；有10例病理結(jié)果證實為惡性的病例超聲診斷為良性而被TTM正確診斷。李凱揚等[14]對19 798例體檢者進行TTM掃查，選取其中231例有活檢病理結(jié)果的受檢者為研究對象，TTM的診斷準確度為95.7%、敏感度為85.7%、特異度為96.0%。Arora等[2,18]對92例行TTM檢查，經(jīng)與穿刺活檢比較乳腺癌的診斷敏感性達到97%。Yuan等[19]對25例惡性乳腺腫瘤和13例良性乳腺腫瘤術(shù)前均做了超聲、X線攝影和TTM檢查，TTM與病理結(jié)果的符合率分別為100%和96%，X線攝影符合率分別為88%和63.6%，超聲符合率分別為90.5%和63%。

TTM定位于細胞，可以通過熱量的變化實時觀察細胞的新陳代謝活動，從而感知到一個很小的細胞群功能的變化，并通過分析測量來判斷病變的性質(zhì)。這一技術(shù)較傳統(tǒng)影像方法提早8 ～ 10個月發(fā)現(xiàn)病變。臨床應用證明，它可以較早期發(fā)現(xiàn)無主訴或臨床其他檢查手段尚未發(fā)現(xiàn)的病灶，尤其對癌前期、早期及原發(fā)癌的鑒別診斷、指導臨床治療提供了極有價值的參考[20]。TTM技術(shù)是向細胞功能代謝的影像學檢查的突破性進展，從大體形態(tài)上的影像診斷到細胞代謝上的功能診斷，可以極早期檢測到細胞的異常代謝，其環(huán)保、無輻射、操作簡單、可反復動態(tài)檢查。在腫瘤的早期診斷方面和女性健康普查中可以大力推廣[1]。

4 TTM的局限性及技術(shù)展望

TTM近年來雖然取得了突破性的進展，但其檢查過程中仍然存在著諸多有待改善的問題。其圖像的空間分辨率、溫度分辨率還有待提高；臨床醫(yī)生對熱像圖的解讀水平有待提高，還需制訂專業(yè)的臨床規(guī)范指南，統(tǒng)一診斷結(jié)果等。

從目前TTM技術(shù)發(fā)展的趨勢來看，其將在醫(yī)學領(lǐng)域占有其他影像技術(shù)不能取代的地位。它突破了現(xiàn)有的醫(yī)學影像儀僅有單模態(tài)(功能影像學或形態(tài)影像學信息)的情況，創(chuàng)新性地將功能影像學和形態(tài)影像學信息集成，提供盡可能多的影像學信息用于醫(yī)學分析和研究。目前臨床應用相對容易識別＞1 cm的病灶，很難發(fā)現(xiàn)＜0.5cm的病灶。從細胞異型倍增到異型細胞團聚集達到0.5 cm時恰恰是治療的關(guān)鍵期，TTM系統(tǒng)須將這一領(lǐng)域作為研究重點并深入探索。

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Advances in thermal texture maps in breast lesions and its clinical practice

HUO Huiping, LI Junlai
Department of Ultrasound in South Building, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China

LI Junlai. Email: li_jl@yeah.net

Thermal texture maps technology is a new imaging technique which is also a major breakthrough in the field of optical imaging. This technology can detect the heat generated by cells and then analyze the intrinsic relationship and rules between body temperature distribution and diseases through collecting heat distribution information. To find out the relationship between disease and heat distribution, a suitable bio-heat transfer model is established and a new infrared thermograph analysis method is used to analyze the information about the heat sources on a human body in this paper. The model is used to process the temperature data in the possible pathological change region in a thermography, and two reference parameters: h for the depth of an inner heat source and q for the heat intensity of an inner heat source are chosen. These two parameters are very effective for the nature determination and location of tumors. Thermal texture maps technology is a radiation-free green method with rapid diagnostic procedure and accurate diagnosis result. The progresses of clinical research on the thermal texture maps technology are expounded and the advances in breast disease early diagnose are reviewed in this article.

thermal texture maps; breast neoplasms; infrared imaging

R 737.9

A

2095-5227(2015)06-0625-03

10.3969/j.issn.2095-5227.2015.06.028

時間：2015-3-13 15:47

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3275.R.20150313.1547.004.html

2014-12-31

科技部國家重大科學儀器設備開發(fā)專項(2012YQ1020304) Supported by the National Major Scientific Equipment Special(2012YQ10 20304)

霍慧萍，女，在讀博士，主治醫(yī)師。研究方向：腫瘤的早期診斷。Email: hhp126000@163.com

李俊來，碩士，主任醫(yī)師，主任，教授，博士生導師。Email: li_jl@yeah.net