光聲成像技術(shù)在早期肝癌診斷和治療中的應(yīng)用

石 磊，田 昊，張希恬，龍子寧，黃 暢，曾 寧，方馳華南方醫(yī)科大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院；廣東省數(shù)字醫(yī)學(xué)臨床工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 508

肝癌是我國常見的一種惡性腫瘤，為了更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)肝癌的診斷及治療，要求對(duì)肝癌病灶的邊界有極高精確度的了解。近年來，隨著光聲成像技術(shù)的快速發(fā)展，肝膽外科醫(yī)生發(fā)現(xiàn)，光聲成像高分辨率、高對(duì)比度的成像特點(diǎn)，以及血管功能成像的種種優(yōu)勢(shì)，使其在肝癌早期診斷中前景巨大。此外，光聲成像又可以協(xié)助光熱療法靶向消滅腫瘤，在肝癌的藥物治療、手術(shù)導(dǎo)航及預(yù)后中也發(fā)揮重要作用[1]。本文主要介紹基于光聲原理的各種光聲成像模式和系統(tǒng)，以及光聲成像技術(shù)在肝癌臨床治療中的應(yīng)用和研究進(jìn)展。

1 光聲成像概述

1.1 光聲成像基本原理

光聲成像是以超聲作為媒介的生物光子成像法，即當(dāng)一束短的脈沖（～10 ns）激光經(jīng)光學(xué)元件擴(kuò)束之后，照射到相應(yīng)的生物樣品上，此時(shí)激光的能量，能夠被組織內(nèi)的吸收體快速吸收，繼而組織會(huì)受熱膨脹，產(chǎn)生相應(yīng)的超聲波，超聲波將會(huì)穿過組織向外傳播，可以被樣品周圍的超聲傳感器探測(cè)到[1]。光聲成像技術(shù)結(jié)合了純光學(xué)成像的高對(duì)比度特點(diǎn)和純超聲成像的高穿透深度的優(yōu)點(diǎn)，近年來，它以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)成為醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域的熱點(diǎn)和前沿。

光聲成像技術(shù)同時(shí)具有光學(xué)成像和超聲成像的優(yōu)點(diǎn)。首先，在人體生理組織中，超聲信號(hào)的散射率最高可比光信號(hào)的散射率低1000倍，因此，在光聲成像中利用超聲信號(hào)來構(gòu)建圖像，可以達(dá)到高深度、高空間分辨率的目的。然而純超聲成像中，不同組織間光學(xué)對(duì)比度和分辨率則往往不能使人滿意，而光聲圖像的光學(xué)激發(fā)則完美地解決了這一問題，以其光學(xué)特性彌補(bǔ)了純超聲成像的不足。此外，與傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)相比，光聲成像可以選擇性地激發(fā)光譜組織，具有極高的特異性，讓光聲成像的功能不局限于簡(jiǎn)單的組織結(jié)構(gòu)成像，還可以實(shí)現(xiàn)功能成像。光聲成像突破了激光共聚焦顯微鏡、雙光子激發(fā)顯微鏡和光學(xué)弱相干斷層層析成像等高分辨率光學(xué)成像深度“軟”極限（約 1 mm），使光聲成像擁有高達(dá)亞微米、微米量級(jí)的分辨率[2]。

1.2 光聲成像模式

光聲成像技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為多種成像應(yīng)用模式，包括以下成像模式：光聲顯微成像、光聲斷層成像、光聲粘彈成像、光聲內(nèi)窺成像、光聲分子功能成像及光聲多模態(tài)聯(lián)合成像技術(shù)。

1.2.1 光聲顯微成像 在光聲顯微鏡成像模式中，激光聚焦于被成像樣品的表面并產(chǎn)生光聲信號(hào)。為了達(dá)到最大的探測(cè)靈敏度，光學(xué)聚焦透鏡始終使用與超聲換能器相一致的焦距。光聲信號(hào)的到達(dá)時(shí)間可以表示聲源與換能器之間的距離，每次脈沖激光的照射提供了具有深度方向分辨率的一維光聲圖像，然后逐點(diǎn)對(duì)樣品各平面進(jìn)行脈沖激光掃描，就可獲得被成像區(qū)域的3D影像。光聲顯微成像從原理上規(guī)避了光散射的影響，提升了成像的分辨率和對(duì)比度。

1.2.2 光聲層析成像 與光聲顯微成像系統(tǒng)不同的是，光聲層析成像采用非聚焦激光照射成像區(qū)域，利用非聚焦或柱聚焦超聲傳感器陣列檢測(cè)成像目標(biāo)區(qū)域的光聲信號(hào)。在光聲斷層成像系統(tǒng)中，通常是采取單個(gè)超聲換能器進(jìn)行掃描，不采取多個(gè)或者換能器陣列，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)，降低成本。檢測(cè)到光聲信號(hào)之后，推導(dǎo)出檢測(cè)區(qū)域相對(duì)光吸收系數(shù)的空間分布，并且據(jù)此重建成像區(qū)域的光聲圖像。這實(shí)際上是一個(gè)逆推問題的過程。光聲斷層成像必須依賴特定的反演算法來重構(gòu)圖像。國際上已經(jīng)發(fā)展出多種切實(shí)可行的光聲斷層成像重構(gòu)算法，推導(dǎo)出了三維空間上光聲信號(hào)分布與被測(cè)聲源的空間分布之間關(guān)系的解析表達(dá)式[3]。

1.3 光聲成像系統(tǒng)

光聲顯微鏡成像是光聲成像的其中一種手段，根據(jù)獲得的空間分辨率的不同，光聲顯微成像系統(tǒng)可分為光學(xué)分辨光聲顯微成像系統(tǒng)（OR-PAM）、聲學(xué)分辨光聲顯微成像系統(tǒng)（AR-PAM）、光聲層析成像系統(tǒng)（PAT）、光聲血管內(nèi)成像系統(tǒng)（IVPAI）和光聲內(nèi)窺成像系統(tǒng)（ESPAI）等。

1.3.1 OR-PAM OR-PAM是一種基于光聲效應(yīng)的成像方法，OR-PAM系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是能夠?qū)M織內(nèi)微血管的形態(tài)和功能進(jìn)行高分辨率成像。因此，ORPAM正成為研究生理和病理相關(guān)組織微循環(huán)的有力工具。如圖1所示，在OR-PAM系統(tǒng)中，激光束通過一個(gè)偏菱形的透明棱鏡會(huì)聚到樣品表面，樣品所激發(fā)的超聲信號(hào)在偏菱形棱鏡的內(nèi)部進(jìn)行兩次反射，被超聲傳感器探測(cè)，這樣的設(shè)計(jì)大大地提高了聲探測(cè)的靈敏度[4]。

圖1 光學(xué)分辨率光聲顯微鏡成像系統(tǒng)圖

1.3.2 AR-PAM 當(dāng)成像深度大于光學(xué)平均自由程時(shí)，由于生物組織中強(qiáng)烈的光學(xué)散射，激光不能在這個(gè)深度獲得有效聚焦，該情況下，聲學(xué)焦點(diǎn)小于光學(xué)焦點(diǎn)，光聲顯微鏡的橫向分辨率主要取決于聲學(xué)聚焦，這樣的光聲顯微鏡稱為AR-PAM[5]。AR-PAM的激光照射方式可分為亮場(chǎng)照明和暗場(chǎng)照明兩種方式（圖2），圖2a為暗場(chǎng)共聚焦AR-PAM系統(tǒng)的模式圖。激光器的每個(gè)光束路徑由多個(gè)棱鏡引導(dǎo)，球形錐形透鏡產(chǎn)生環(huán)形光束使超聲換能器可以位于光的中心而不阻擋光束傳播。這種暗場(chǎng)同軸幾何結(jié)構(gòu)在成像生物組織時(shí)提供深度成像深度和高信噪比，不會(huì)引起旁瓣或圖像偽影，降低樣品表面對(duì)于光聲信號(hào)的干擾。而亮場(chǎng)照明方式能使得目標(biāo)區(qū)域接收到更多得到激光能量。AR-PAM系統(tǒng)可以有效對(duì)皮膚損傷、血管分布、皮膚黑色素瘤等實(shí)現(xiàn)活體無損成像[6-7]。OR-PAM成像的分辨率更高，成像區(qū)域顯示得更加清晰，極微小的血管結(jié)構(gòu)都清晰可見（圖3）。而AR-PAM的優(yōu)勢(shì)在于成像深度更深，提供更加豐富全面的圖像信息[8]。

圖2 聲學(xué)分辨光聲顯微成像系統(tǒng)

圖3 OR-PAM與AR-PAM成像對(duì)比

1.3.3 PAT 光聲層析成像是一種新型的無損無創(chuàng)生物醫(yī)學(xué)影像技術(shù)。主要是通過將近紅外激光脈沖照射到組織中，被患者紅細(xì)胞中攜氧血紅蛋白分子吸收，導(dǎo)致超聲波振動(dòng)而成像。PAT可以構(gòu)建主要顯示被掃描組織中血管的圖像，有助于發(fā)現(xiàn)早期腫瘤（圖4）。相比其他成像系統(tǒng)，PAT掃描的執(zhí)行速度極具優(yōu)勢(shì)。PAT突破了傳統(tǒng)高分辨光學(xué)成像的深度壁壘，對(duì)臨床上診斷早期肝癌有極其廣泛的應(yīng)用前景[9]。

圖4 PAT對(duì)納米金籠造影劑靶向富集監(jiān)測(cè)

1.3.4 IVPAI 在靶血管內(nèi)放置一個(gè)集成多模光纖、光學(xué)反射元件和微型超聲換能器的成像導(dǎo)管，在血管內(nèi)發(fā)射短脈沖激光，其中一些被血管壁吸收并轉(zhuǎn)化為熱能。由于血管壁組織的熱彈性膨脹，產(chǎn)生的熱量進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為彈性機(jī)械能，并作為光聲信號(hào)傳輸。血管壁上不同成分的光吸收系數(shù)不同，產(chǎn)生的光聲信號(hào)強(qiáng)度也不同，可利用成像導(dǎo)管上的超聲換能器接收組織產(chǎn)生的光聲信號(hào)[10]。

2 光聲成像在早期肝癌中的應(yīng)用

2.1 肝癌的生物學(xué)特點(diǎn)

肝細(xì)胞癌是一種常見的惡性腫瘤，占2012年世界和中國癌癥總發(fā)病率的5.6%和12.9%[11]。我國每年死于肝細(xì)胞癌的人數(shù)超過38萬人，居癌癥死亡第2位，對(duì)人民生活和健康危害極大。肝癌早期癥狀隱匿，傳統(tǒng)影像手段難以早期偵測(cè)[12]。因此，早診斷、早治療成為避免腫瘤轉(zhuǎn)移、提高患者預(yù)后的重要手段。而光聲成像技術(shù)具有空間分辨率高、靈敏度高、穿透力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能突破成像深度與成像分辨率的限制，有望為早期肝癌早期診斷、早期治療提供一種新的方法。

2.2 光聲技術(shù)在肝癌分子/細(xì)胞層面的研究

肝臟惡性腫瘤的快速生長需要更多的血液供應(yīng)，因此血管生成和氧代謝異常是腫瘤的重要標(biāo)志。血管內(nèi)血紅蛋白的增加使激光在病理組織中的吸收顯著增強(qiáng)，腫瘤區(qū)與正常區(qū)的光吸收對(duì)比度很高。光聲成像通過對(duì)腫瘤微循環(huán)血紅蛋白氧飽和度的測(cè)量，進(jìn)一步確定腫瘤微血管的功能變化情況，并已初步應(yīng)用于藥物療效評(píng)價(jià)研究中。在氧代謝成像方面，光聲成像第一個(gè)獨(dú)立實(shí)現(xiàn)了氧代謝率的在體測(cè)量，有助于早期肝癌的排查和基礎(chǔ)研究[13]。

另外，有研究提出非線性光聲引導(dǎo)波前整形技術(shù)，明顯提高成像分辨率和深度，對(duì)突破現(xiàn)有高分辨率光聲成像深度具有重要意義[14]。有學(xué)者提出的可開關(guān)分子探針技術(shù)，通過不同波長切換的模式，有效降低了肝組織血液信號(hào)對(duì)光聲信號(hào)的干擾[15]，完善了目前早期肝癌光聲成像和邊界界定的技術(shù)。不同學(xué)者的研究正在使光聲成像在早期肝癌的診斷、邊界界定中的應(yīng)用愈加成熟。光聲成像與傳統(tǒng)超聲技術(shù)相結(jié)合，聯(lián)合納米材料、基因組學(xué)技術(shù)等，建立多學(xué)科交叉的優(yōu)勢(shì)平臺(tái)，將大力促進(jìn)早期肝癌的診斷、邊界確定、研究工作。

2.3 光聲技術(shù)在動(dòng)物模型上的研究

肝癌動(dòng)物模型的相關(guān)研究可為臨床肝癌診治提供新的方向，光聲成像的優(yōu)點(diǎn)使其成為動(dòng)物實(shí)驗(yàn)成像的優(yōu)良選擇。

2.3.1 術(shù)前診斷 眾所周知，肝癌的早期診斷及肝臟腫瘤邊界確定對(duì)于患者的治療和預(yù)后尤為重要，而光聲診斷技術(shù)的優(yōu)異性或是解決這一難題的優(yōu)良方案。

在特異性探針的幫助下，醫(yī)生可以通過光聲成像更加精準(zhǔn)地了解腫瘤微血管以及細(xì)胞因子的變化情況，甚至可助力肝臟微小腫瘤的診斷。例如，有研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道開發(fā)了一種可以在光聲成像和光熱聯(lián)合放療中應(yīng)用的pH敏感放射性標(biāo)記131I和125I的鈀納米片[16]。也有研究團(tuán)隊(duì)制備了131Ⅰ標(biāo)記的白蛋白納米顆粒[17]作為一種以肝臟為靶向的雙模探針,在動(dòng)物腫瘤模型的肝臟疾病檢測(cè)中被證明是非常方便的。由于光聲成像在腫瘤血管成像方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，使之在肝臟腫瘤的檢測(cè)中發(fā)揮重要作用。另外，有研究者根據(jù)肝細(xì)胞癌高度表達(dá)EGFR的特性，提出利用特異靶向的EGFR多肽，通過光聲成像系統(tǒng)提高體內(nèi)肝癌轉(zhuǎn)移瘤的檢出率[18]。

2.3.2 術(shù)中導(dǎo)航 雖然光聲成像技術(shù)在原理上可以實(shí)現(xiàn)早期發(fā)現(xiàn)和診斷肝癌，但是在肝臟腫瘤中，目前可以應(yīng)用的光聲成像分子探針卻很少。研究發(fā)現(xiàn)，金納米顆粒具備光吸收面大、光熱轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)勢(shì)，而且細(xì)胞毒性低、生物相容性好，是好的光聲造影劑。近年來，光聲-熒光雙模分子探針成為研究者關(guān)注的焦點(diǎn)[17]。

關(guān)天培等[19]針對(duì)臨床上現(xiàn)有肝癌影像診斷技術(shù)的瓶頸，結(jié)合術(shù)中分子影像技術(shù)對(duì)于手術(shù)導(dǎo)航的重要性，提出構(gòu)建光聲-熒光雙模分子探針。該分子探針可同時(shí)實(shí)現(xiàn)光聲診斷和熒光手術(shù)導(dǎo)航。該研究分別制備了載吲哚菁綠（ICG）的脂質(zhì)體和金納米棒，然后將脂質(zhì)體包被在經(jīng)mPEG-SH修飾的金納米棒表面，形成具有光聲-熒光雙模成像能力的分子探針（Au@liposome-ICG）。

Au@liposome-ICG夠增強(qiáng)光聲信號(hào)，在成像中呈現(xiàn)出優(yōu)良的性能，是實(shí)現(xiàn)肝癌診斷和手術(shù)導(dǎo)航的關(guān)鍵。雙層脂質(zhì)分子能夠降低ICG的熒光淬滅效應(yīng)和聚合效應(yīng)，使ICG能夠持穩(wěn)定地發(fā)射出840 nm波長的近紅外熒光，從而使肝臟手術(shù)中有長時(shí)間的熒光成像導(dǎo)航[19]。

還有團(tuán)隊(duì)報(bào)道開發(fā)了一種Fe3O4-PFH/PLGA納米膠囊[20]，其被證明可作為用于超聲、磁共振和光聲三模態(tài)成像的有效造影劑，適用于成像引導(dǎo)下的高強(qiáng)度聚焦超聲協(xié)同癌癥手術(shù)。

2.3.3 肝癌治療 近年來，腫瘤光熱治療贏得廣泛關(guān)注，有研究團(tuán)隊(duì)合成了一種SP94修飾的多吡咯-BSAICG納米顆粒[21]，其在腫瘤組織的積累量很高，而在正常肝臟和脾臟的極少出現(xiàn)，且該納米顆?？梢酝ㄟ^光熱治療有效地殺死腫瘤細(xì)胞，在光聲成像中以及光熱療法中前景廣闊。還有研究團(tuán)隊(duì)研制了一種新型的光聲成像納米顆粒（高密度糖聚合物包裹的苝酰亞胺納米粒，PLAC-PDI NPs），可以實(shí)現(xiàn)更有效的肝細(xì)胞癌光熱治療[22]。此外，也有研究結(jié)果指出，在腫瘤光熱治療后，利用MRI和光聲成像技術(shù)可有效監(jiān)測(cè)血管通透性和溫度狀態(tài)，有助于指導(dǎo)腫瘤光熱治療在臨床實(shí)踐中的應(yīng)用[23]。

2.3.4 藥物療效監(jiān)測(cè) 索拉非尼是一種新型多靶向性腫瘤治療藥物，能夠抑制腫瘤細(xì)胞增殖和血管生成，常用于治療肝臟、腎臟腫瘤，在不能手術(shù)、遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移的患者也常見應(yīng)用。在一項(xiàng)研究中[24]，將HepG2-RFP肝癌荷瘤鼠隨機(jī)分為索拉非尼治療組（n=21）和對(duì)照組（n=20），用光聲成像評(píng)估治療前和治療1周后的腫瘤體積和SO2（血氧飽和度）,用熒光成像和組織學(xué)檢查評(píng)估輻射效率和治療效果。采用腫瘤壞死、凋亡指數(shù)和微血管密度評(píng)價(jià)索拉非尼治療肝細(xì)胞癌的療效。治療1周后的檢測(cè)結(jié)果顯示，肝細(xì)胞癌和殘余正常肝臟組織的SO2下降，乏氧誘導(dǎo)因子-1α蛋白表達(dá)下降，并與凋亡指數(shù)相關(guān)。肝細(xì)胞癌中ΔSO2與腫瘤組織的壞死及凋亡指數(shù)呈正相關(guān)，與微血管密度呈負(fù)相關(guān)。光聲成像測(cè)量參數(shù)SO2可作為無創(chuàng)性檢測(cè)鼠原位肝癌治療效果的有效標(biāo)志。

3 展望

光聲成像技術(shù)不僅具有聲學(xué)方法在穿透深度上的優(yōu)勢(shì)，而且具有光學(xué)方法在高對(duì)比度上的優(yōu)勢(shì)。通過選擇合適的成像方式，光聲成像可以提供多級(jí)空間分辨率。并且，光聲成像還能提供生物系統(tǒng)多維度的豐富信息，如解剖、代謝、分子等等，滿足了多領(lǐng)域的成像需求，具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿25]。在肝癌手術(shù)方面，光聲成像將與傳統(tǒng)超聲技術(shù)結(jié)合，形成多學(xué)科交叉，對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)、高難度的腫瘤目標(biāo)病灶進(jìn)行肝臟三維可視化分析、肝臟3D 打印評(píng)估，有力推動(dòng)腫瘤邊界精準(zhǔn)識(shí)別、腫瘤的精準(zhǔn)切除。

可以預(yù)期在不久的將來，光聲成像將憑借其優(yōu)越的性能廣泛的臨床應(yīng)用于人體早期肝癌等各類癌癥的早期篩查和治療，為早期肝癌的篩查、正確診斷、精確定位、精準(zhǔn)治療和療效評(píng)估等過程提供有價(jià)值的生物醫(yī)學(xué)影像信息。