光聲成像技術(shù)及其在乳腺腫瘤診斷中的應(yīng)用

唐天虹，劉思銳，王 銘，張 睿，楊 萌，姜玉新

中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院超聲醫(yī)學(xué)科,北京 100730

我國乳腺癌發(fā)病率不斷升高,并呈年輕化趨勢[1]。目前，鉬靶和超聲是臨床中應(yīng)用最廣泛的乳腺疾病篩查及診斷方法[2]。二者均具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，但鉬靶存在電離輻射，且對致密腺體中病變檢測的靈敏度有限[3-4]；超聲對疾病檢出及診斷的準(zhǔn)確度與操作者經(jīng)驗(yàn)相關(guān)，診斷特異度仍有待提高[5-6]。乳腺M(fèi)RI的診斷能力較好，但成像時(shí)需要注射造影劑，成本較高、檢查耗時(shí)久，尚無法普及應(yīng)用[7]。近年來，光聲成像技術(shù)日漸發(fā)展并開始臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用，該技術(shù)在一定程度上能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)成像方式的不足，并提供新的診斷信息，具有較好的臨床應(yīng)用前景。目前國內(nèi)外關(guān)于乳腺腫瘤光聲成像的臨床應(yīng)用研究報(bào)道較

多，本文將對光聲成像技術(shù)特點(diǎn)及其在乳腺腫瘤領(lǐng)域的臨床應(yīng)用現(xiàn)狀和前景作一綜述。

1 光聲成像技術(shù)

光聲成像是一種無創(chuàng)、非電離輻射的新型生物醫(yī)學(xué)成像方法。其以光聲效應(yīng)為理論基礎(chǔ)[8]，即當(dāng)生物組織被脈沖激光照射后，組織會吸收入射光，引起局部輕微變熱進(jìn)而產(chǎn)生彈性熱膨脹，這種瞬態(tài)的組織彈性熱膨脹會產(chǎn)生壓力波(超聲波)，即光聲信號。不同組織成分因光吸收力差異而產(chǎn)生不同強(qiáng)度的光聲信號，通過超聲探頭接收并重建組織中的光吸收分布圖像，即光聲成像[9-12]。20世紀(jì)90年代，隨著激光光源和聲學(xué)探測設(shè)備的快速發(fā)展，光聲技術(shù)在醫(yī)學(xué)成像中的應(yīng)用獲得了深入探索與研究[13]。1993年，人體光聲成像系統(tǒng)(photoacoustic mammography，PAM)被首次報(bào)道[14]，近十幾年來，光聲成像技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究取得了長足進(jìn)步，顯示出了良好的應(yīng)用潛力[9,13,15-16]。

傳統(tǒng)生物光學(xué)成像可以獲得高對比度的圖像[17]，但由于組織對光的散射作用，其成像深度受到了限制，通常僅為毫米級，如光學(xué)顯微成像[18]、光學(xué)相干層析成像[19]、多光子顯微成像[20]等。與光學(xué)散射相比，超聲波在生物組織中的散射比其低2～3個(gè)數(shù)量級，因此超聲成像可以實(shí)現(xiàn)較高的穿透深度[10,15-16]，但由于超聲成像原理是基于各種組織聲特性阻抗和衰減特性的不同，而與組織的生化特性關(guān)聯(lián)并不顯著，因此超聲成像的對比度較低[17,21]。光聲成像結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)，兼?zhèn)涓邔Ρ榷?、高分辨率[9]和高穿透度[22]。另一方面，不同組織成分具有不同的光吸收特性，組織中特定成分(如黑色素、血紅蛋白、脂類等)可成為光聲成像的內(nèi)源性造影劑，進(jìn)一步應(yīng)用光聲光譜成像技術(shù)，便可定量地反映上述各種組織成分信息及血氧飽和度等參數(shù)，揭示組織內(nèi)部構(gòu)成及代謝信息，實(shí)現(xiàn)分子水平的結(jié)構(gòu)及功能成像[12,23-24]。

2 光聲成像技術(shù)在乳腺腫瘤診斷中的應(yīng)用

荷蘭特溫特大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的光聲乳腺鏡(twente photoacoustic mammoscope,TPAM)是最早進(jìn)行臨床應(yīng)用的PAM之一。2004年該團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道了乳腺鏡的實(shí)驗(yàn)室版及仿體成像試驗(yàn)結(jié)果[25]。2005年該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了可用于乳腺腫瘤患者檢查的PAM[26]，并證實(shí)了對乳腺腫瘤進(jìn)行成像的技術(shù)可行性[27]?；谏鲜鲈囼?yàn)，該團(tuán)隊(duì)于2010年正式啟動了一項(xiàng)應(yīng)用TPAM的臨床試驗(yàn)，并陸續(xù)報(bào)道系列具有臨床意義的研究結(jié)果[28-35]。目前，該團(tuán)隊(duì)最新的設(shè)備配置及成像方法如下：受檢者俯臥位于一張帶有孔洞的檢查床，成像過程中乳房位于孔洞之中，輕柔地壓縮在兩塊平板之間，激光由位于頭側(cè)的平板發(fā)出(波長1064 nm)，超聲信號由位于尾側(cè)的圓形超聲探測器陣列(588個(gè)元件，中心頻率1 MHz)進(jìn)行接收，該系統(tǒng)的分辨率約為3 mm，掃描深度為15～60 mm，掃描面積為90 mm × 85 mm，掃描時(shí)間約為10 min[35]。該研究團(tuán)隊(duì)最新研究共納入31例乳腺腫瘤患者，包含33個(gè)惡性結(jié)節(jié),其中32個(gè)結(jié)節(jié)具有高光聲成像對比度,與傳統(tǒng)成像方式顯示的病灶位置、大小吻合良好[35]。

Oraevsky等[36]和 Kruger等[37]首先提出了將光聲成像應(yīng)用于乳腺疾病診斷。2001年，Oraevsky團(tuán)隊(duì)報(bào)道了首例基于激光的光聲成像系統(tǒng)(laser-based optoacoustic imaging system,LOIS)的人體成像應(yīng)用[38]。LOIS被進(jìn)一步優(yōu)化為光聲層析成像系統(tǒng)LOIS-64[39]，初步臨床研究納入27例乳腺腫瘤患者，共26個(gè)惡性病灶及8個(gè)良性病灶，LOIS-64能夠正確識別出18個(gè)惡性病變和4個(gè)良性病變[39]。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步構(gòu)建了手持式超聲/光聲多模態(tài)成像系統(tǒng)，被稱為Imagio(美國Seno Medical Instruments公司，在歐洲已經(jīng)獲得CE認(rèn)證)。該系統(tǒng)采用雙波長激光(1064 nm和755 nm)和手持式商用線性陣列超聲探頭(128個(gè)元件，5 MHz)，分辨率約0.5 mm，最大成像深度約30 mm[40]，已被用于多個(gè)臨床試驗(yàn)。目前最大規(guī)模的研究共納入2105例乳腺腫瘤患者，與單獨(dú)應(yīng)用超聲相比，使用Imagio進(jìn)行成像可增加乳腺腫塊評估的特異度[41]。最新研究共納入209例患者215個(gè)乳腺病灶，結(jié)果顯示47.9%超聲診斷為乳腺影像報(bào)告和數(shù)據(jù)系統(tǒng)(breast imaging reporting and data system,BI-RADS)4a類和11.1%超聲診斷為 BI-RADS 4b類的良性腫塊被正確降級為光聲/超聲診斷的BI-RADS 3類或 2類，證明該設(shè)備的應(yīng)用在一定程度上避免了患者不必要的穿刺活檢及短期隨訪[42]。另一些研究還發(fā)現(xiàn)，結(jié)合乳腺癌內(nèi)部的光聲參數(shù)特征(如血紅蛋白、血氧飽和度等)、外周血管及灰階超聲特點(diǎn)可幫助鑒別乳腺癌的分子亞型，比如腫瘤周圍和邊緣血管較多，內(nèi)部光聲信號特征較少，傾向提示為luminal A或B型；三陰性乳腺癌有顯著的內(nèi)部低氧表現(xiàn)；HER-2過表達(dá)型的外周光聲信號特征較少，內(nèi)部低氧表現(xiàn)較多見。這些研究結(jié)果可能為無創(chuàng)性區(qū)分乳腺癌的分子亞型提供了依據(jù)[43-44]。

基于動物光聲層析成像系統(tǒng)[45-47]，Kruger等[48]構(gòu)建了適合人類乳腺檢查的PAM，初步研究證實(shí)該設(shè)備可顯示乳腺深度為40 mm的健康志愿者亞毫米級(0.1～1 mm)血管。該團(tuán)隊(duì)的設(shè)備配置與LOIS-64類似，包括帶有圓孔的檢查臺、半球形的超聲探測器(512個(gè)元件，中心頻率2 MHz)、756 nm的激光器，成像半徑范圍為24～96 mm，掃描時(shí)間為12 s～3.2 min，空間分辨率為0.42 mm[49]。對4名健康志愿者的研究結(jié)果顯示，該設(shè)備能夠?qū)φ麄€(gè)乳房血管進(jìn)行成像，空間分辨率達(dá)亞毫米級[49]。

京都大學(xué)/佳能聯(lián)合研究中心團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出了乳腺PAM[50]。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展至第三代。與第一代機(jī)器(PAM-01)相比，第二代(PAM-02)配備了線性傳感器陣列，可進(jìn)行超聲成像[51-52]。第三代(PAM-03)由京都大學(xué)團(tuán)隊(duì)與美國Optosonics公司共同合作研發(fā)而成，以PAM-02為基礎(chǔ)，對其操作系統(tǒng)進(jìn)行了簡化處理，擴(kuò)大了成像視野，提高了對血管三維結(jié)構(gòu)的顯示能力。PAM-03的探測器陣列(512個(gè)元件，中心頻率2 MHz)為半球形，激光器為Q-switched可調(diào)激光，波長為755 nm和795 nm，分辨率0.57 mm，最大穿透深度30 mm，數(shù)據(jù)采集時(shí)間約2～4 min。研究者應(yīng)用PAM-03對22例乳腺惡性腫瘤成像[53]，成功揭示了乳腺癌瘤周血管形態(tài)異常的光聲特征，包括向心性光聲信號和血管信號的破裂或變窄。Yamaga等[54]對22例單側(cè)乳腺癌患者的乳腺皮下淺層血管網(wǎng)進(jìn)行了成像，比較血管分支點(diǎn)在健側(cè)與患側(cè)的差異，結(jié)果顯示患側(cè)乳腺(皮下7 mm處)的平均血管分支點(diǎn)計(jì)數(shù)明顯高于對側(cè)健康乳腺，這可能與惡性腫瘤的持續(xù)性血管生成相關(guān)，提示乳腺皮下血管分支點(diǎn)數(shù)量的增加可能是原發(fā)性乳腺癌的一種生物學(xué)標(biāo)志物。

來自德國的iThera Medical研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種新型多光譜光聲層析成像系統(tǒng)(multispectral optoacoustic tomography,MSOT)，可實(shí)現(xiàn)多種波長快速掃描,包括MSOT inVision、MSOT Acuity、MSOT Acuity Echo 3種機(jī)型[55-59]。前者多應(yīng)用于動物及體外組織研究，后兩者多應(yīng)用于人體臨床試驗(yàn)，該成像系統(tǒng)已經(jīng)獲得歐洲的CE認(rèn)證。目前，最新的系統(tǒng)采用OPO可調(diào)脈沖激光器(波長范圍為680～980 nm)，光聲信號接受裝置為半圓弧形的探測器陣列(256個(gè)元件，中心頻率3 MHz)，分辨率為250 μm，最大成像深度約為30 mm。Diot等[57]應(yīng)用MSOT對10例乳腺癌患者和3名健康志愿者進(jìn)行檢查，分別計(jì)算了組織氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白、總血容量、脂質(zhì)和水分的含量，結(jié)果顯示前三者在癌組織和對照組織之間存在顯著差異，同時(shí)，與對照組織相比,癌組織中的水和脂質(zhì)層出現(xiàn)了破壞。Becker等[58]對6名健康志愿者、5例浸潤性乳腺癌及2例導(dǎo)管內(nèi)原位癌患者進(jìn)行成像，分別計(jì)算組織的血紅蛋白和血氧飽和度，結(jié)果顯示浸潤性癌中血紅蛋白的光聲信號增強(qiáng)，提示腫瘤和腫瘤微環(huán)境的血流灌注增加。Goh等[59]應(yīng)用MSOT 首次對保乳手術(shù)中的乳腺腫瘤邊緣進(jìn)行體外評估，通過顯示周圍增多的血管及受損的脂質(zhì)層以確定腫瘤邊緣，與組織病理學(xué)的結(jié)果吻合良好。

佛羅里達(dá)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了功能性光聲層析成像系統(tǒng)(functional photoacoustic tomography,FPAT)。該系統(tǒng)使用可調(diào)脈沖激光(733 nm、775 nm和 808 nm)，光聲信號由64個(gè)傳感器組成的環(huán)形陣列(每個(gè)傳感器的尺寸為2.3 mm × 30 mm，中心頻率2 MHz)收集，分辨率約0.5 mm，最大穿透深度約56 mm[60-62]。應(yīng)用該成像設(shè)備可獲得定量的乳腺血紅蛋白濃度和血氧飽和度圖像，進(jìn)一步基于二者在腫瘤組織與正常乳腺組織中含量的差異來顯示腫瘤病變。目前，最新研究納入了6例乳腺癌患者及4名健康志愿者，其中6例經(jīng)病理證實(shí)的腫瘤病灶均可明確顯示，位置與MRI結(jié)果一致，且可獲得病灶的血紅蛋白濃度及血氧飽和度的定量值[62]。

此外，美國國家工程院院士汪立宏團(tuán)隊(duì)研發(fā)了單次屏氣光聲計(jì)算層析成像系統(tǒng)(single-breath-hold photoacoustic computed tomography，SBH-PACT)[63]。SBH-PACT應(yīng)用單波長激光(波長1064 nm)，光聲信號由環(huán)形超聲換能器陣列(512個(gè)元件，中心頻率2.25 MHz)收集。SBH-PACT具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)成像平面分辨率為255 μm，最大深度40 mm；(2)單個(gè)激光脈沖即可獲得完整的二維乳腺圖像，或一次屏氣(15 s)內(nèi)進(jìn)行快速掃描，即可獲得整個(gè)乳腺三維圖像，同時(shí)可避免呼吸誘發(fā)的運(yùn)動偽影；(3)全環(huán)形512個(gè)元件超聲換能器陣列使SBH-PACT能夠提供高質(zhì)量的圖像；(4)利用優(yōu)化的激光照射方法和信號放大技術(shù)，SBH-PACT在不使用外源性造影劑的情況下，能夠顯示乳腺腫瘤詳細(xì)的血管結(jié)構(gòu)。SBH-PACT的臨床研究納入了1名志愿者和7例乳腺癌患者，結(jié)果表明SBH-PACT不僅可通過顯示腫瘤血管特征清晰地識別腫瘤，其高速成像能力亦使動態(tài)光聲成像研究成為可能，比如彈性成像，基于腫瘤區(qū)域較周圍正常乳腺組織硬度大、順應(yīng)性差，以此來識別腫瘤病灶[63]。

筆者所在的北京協(xié)和醫(yī)院光聲成像技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)、邁瑞公司合作研發(fā)了國內(nèi)首個(gè)基于高端商用超聲成像設(shè)備的臨床用光聲/超聲雙模態(tài)成像系統(tǒng)(圖1)，超聲探頭(192個(gè)元件，中心頻率為5.8 MHz)兩側(cè)分別固定兩條光纖束，激光類型為OPO 可調(diào)激光，波長分別為750 nm和830 nm(圖2)，該設(shè)備的分辨率達(dá)亞毫米級，最大穿透深度約30 mm，可進(jìn)行超聲、光聲及超聲/光聲雙模態(tài)二維或三維成像，并可獲得生物組織形態(tài)結(jié)構(gòu)及血氧飽和度等功能信息。目前已完成了近百例不同年齡段正常乳腺及多囊卵巢綜合征患者乳腺光聲數(shù)據(jù)的收集，逾百例乳腺腫瘤及數(shù)十例炎性關(guān)節(jié)病變、子宮內(nèi)膜異位灶、瘢痕組織等多種淺表病變的光聲成像評估。圖3為不同年齡段正常女性乳腺血管的三維重建圖。圖4為1例應(yīng)用常規(guī)灰階超聲及彩色多普勒超聲診斷分級較為困難的乳腺惡性腫瘤患者，與常規(guī)彩色多普勒超聲相比，光聲/超聲雙模態(tài)成像顯示了更豐富的血管結(jié)構(gòu)，并可提供腫瘤內(nèi)部低血氧飽和度的功能信息,從而為該類病例的術(shù)前分級提供了更多補(bǔ)充信息，有助于提高診斷準(zhǔn)確度。

圖1 光聲/超聲雙模態(tài)成像設(shè)備

圖2 光聲/超聲雙模態(tài)成像探頭

圖3 不同年齡段女性正常乳腺光聲/超聲雙模態(tài)三維血管重建圖A.55歲；B.44歲；C.28歲

圖4 一例乳腺癌患者彩色多普勒超聲及光聲/超聲雙模態(tài)成像A.彩色多普勒超聲；B.光聲/超聲雙模態(tài)：血氧飽和度；C.光聲/超聲雙模態(tài)：波長750 nm；D.光聲/超聲雙模態(tài)：波長830 nm

3 局限性

近年來，雖然乳腺腫瘤光聲成像技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)取得令人矚目的成績(表1)，但該技術(shù)仍存在如下局限性：(1)現(xiàn)有PAM的各種臨床應(yīng)用仍處于研發(fā)階段，成像參數(shù)配置不盡相同，尚未規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)化，難以比較不同系統(tǒng)之間的成像結(jié)果；(2)光聲成像技術(shù)的分辨率及成像深度較過去雖顯著提高，但目前臨床應(yīng)用仍局限在淺表器官，對于位置較深、體積較大的病灶，成像依然受限，如何在兼顧安全性的前提下，進(jìn)一步提高成像的分辨率及成像深度，以實(shí)現(xiàn)更廣泛的臨床應(yīng)用，是目前光聲成像技術(shù)面臨的巨大挑戰(zhàn)[64]。

表1 乳腺腫瘤光聲成像設(shè)備及其參數(shù)簡介

4 展望

綜上所述，乳腺光聲成像技術(shù)兼有光學(xué)高對比度和聲學(xué)高穿透度雙重優(yōu)點(diǎn),又可根據(jù)不同組織成分的光吸收特性差異進(jìn)行多波長光譜分析，實(shí)現(xiàn)功能成像，為傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)成像方法提供了新的診斷信息。隨著科學(xué)的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步，光聲成像技術(shù)有望克服現(xiàn)有局限性，為乳腺腫瘤的診斷、治療和療效評估提供更有價(jià)值的信息。

利益沖突：無