光学成像技术在乳腺病变诊断中的应用及进展

王铭 朱庆莉 姜玉新

中国医学科学院，北京协和医学院，北京协和医院超声诊断科，北京 100730

光学成像是利用光学技术探测组织对光的散射、吸收及荧光等性质的过程。光学功能成像的基础是光在组织或细胞中经历一系列吸收、散射后，出射光中携带着与吸收和散射相关的组织生化信息，通过对组织内基本光学性质的定量测量可反映其内部生物活性及生理信息等[1]，如血液中氧合血红蛋白浓度、脱氧血红蛋白浓度、血氧饱和度，这些可反映组织的代谢情况。近几年来光学成像在医学诊断中得到了广泛应用，如在脑功能[2-3]、皮肤癌[4]、婴儿大脑连续监控[5-6]等方面都取得成功，尤其在乳腺癌的早期诊断中的应用价值更为突出[7-8]。本文就光学成像技术在乳腺病变诊断中的应用及进展进行综述。

1 乳腺组织的光学成像发展史

1929年，Cutler等[9]首先利用乳腺透照术（transillumination），即使用强光照射乳腺，并观察穿透乳腺后的光强度。该技术可检测出乳腺癌血红蛋白浓度增高，但一些良性病变同样有血红蛋白浓度增高。由于该技术不能定量测量光吸收量，且空间分辨率差，故未被临床广泛应用。

20世纪70～80年代，应用视频照相机对透照法进行改进，仍遇到与透照法同样的问题：无法明确区分乳腺良恶性结节。不同研究报道的灵敏度差异很大，有的报道灵敏度可达96%，而有的报道约为60%[10-11]，低于乳腺X线[12-13]。

20世纪90年代，乳腺透照术再次改进，产生了激光通过皮秒到毫微秒的光子脉冲应用于乳腺成像[14]。这项技术采用的是在选择的时间窗内到达探测器的光子而非随机进入介质的脉冲光子，故光子散射最少，能最快到达探测器，并形成较高分辨率的图像，但信噪比低[8]。另外，受乳腺组织厚度的影响，需对激光强度进行调制以校正投射图像的光衰减变化。这种改良乳腺透照技术的诊断率未见明确报道。该技术的优点是：使用多个波长以提高诊断的灵敏度和特异度；使用一系列的理论模型和假设为病变组织几何及光学参数的测量提供较好的评估[15]。

乳腺透照术虽在成像设备和光源上有了突破性的进展，但其“投影成像”的印象依然无法消除，其成像方式从某种意义上说仍是一个光强度的灰度投影图像，无法区分吸收效应与散射效应，以及量化分析组织的吸收与散射；同时投影分辨率及对比度均无法达到临床要求，在应用中依然受限。

2 光散射断层成像

光散射断层成像（diffuse optical tomography，DOT）是近20年来光学成像技术的巨大突破。该技术采用近红外波段的散射光，利用组织对多波长光谱的散射作用，定量计算组织内部光学信息（包括吸收、散射、新生血管和氧合状态），并得到三维断层图像。光散射成像技术将光入射组织后的结局分为两部分，即光的散射和组织对光的吸收。散射是由于光通过组织时光子的前进方向发生不同程度的改变，吸收是组织内载色基团将光能转换为热能。在近红外波段下组织中的主要吸收体是血红蛋白和脱氧血红蛋白，两者反映了组织内部血供和氧合的状态。乳腺癌的生长、浸润和转移均依赖于新生血管生成，肿瘤内含有大量新生血管，血流速度慢，瘤细胞代谢旺盛，耗氧量大，形成了乳腺癌内部呈现“血含量高、氧含量低”的特殊现象。由于DOT对血液中相对氧浓度敏感，依据肿瘤组织与正常组织内部氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度不同，可用于乳腺癌的早期诊断。文献报道以乳腺肿块内高血红蛋白浓度、低血氧饱和度作为判断乳腺恶性肿瘤的指标是可靠的。

与乳腺透照术相比，DOT引入了一个严格的数学模型（如数字或分析性的散射方程）去描述光子在人体组织中的传播过程，通过更全面、更确切的途径得到光学信息进而可更准确地定量计算，并独立测定吸收系数、散射系数和荧光寿命。尽管DOT可使用持续强烈的光源，尤其是只需显示吸收量或荧光改变时，但脉冲光和调制-相位光仍有其特有的优势。脉冲光通过傅立叶转换后的结果与多频调制光测量的结果相近。

对特定波长吸收系数的测定可定量计算乳腺肿瘤的水、氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白浓度和血氧饱和度，所以光学方法是唯一可评估和定量计算这些功能性组织和恶性肿瘤特征的方法。

Cheng等[16]对62例接受乳腺X线及穿刺活检的患者行动态乳腺光学成像检查。结果显示，动态光学成像对乳腺癌诊断的特异度高于乳腺X线检查（0.61±0.09 vs.0.45±0.09）；灵敏度略低于乳腺X线（0.84±0.07 vs.0.94±0.04）。动态光学成像可提供病灶血管生成方面的功能信息，因而提高诊断的特异度。DOT的分辨率依赖于肿瘤组织与正常组织光学系数的差异，而一般情况下两者差异并不大[17]，因此近红外光DOT重建图像也遇到了分辨率低、对比度不高的瓶颈，对部分乳腺病灶无法识别。此外，由于光的传播特性，DOT也不能对病灶的具体位置和大小作出判定。这些缺陷导致DOT技术不能单独用于乳腺病变的常规诊断，故近年来一些学者提出将乳腺DOT与现有成熟的医学影像技术相结合的方法来弥补以上不足。

3 多模态成像

解剖成像如超声、CT、MRI等能反映生物体的解剖信息，而功能成像可反映器官的代谢信息，利用图像配准技术将两者结合，在一幅图像上同时反映组织的解剖信息和代谢情况，从而产生医学图像融合技术，即多模态成像。发展光学功能影像与其他模态融合的技术和设备将乳腺光学成像的应用推向一个新的高度。

超声光散射断层成像，即Optimus双模式成像系统，就是将DOT与超声联合应用，既可通过超声定位获得肿块的形态学特点，又可通过DOT获得肿块的功能状态信息，将声学与光学良好地融为一体。超声定位有利于克服光学成像空间分辨力低的缺点，使之能应用于临床诊断。孝梦甦等[18]应用超声光散射断层成像分析不同大小的乳腺病灶的总血红蛋白浓度（total heamoglobin concentration，THC）特征及病灶大小与THC的相关性，结果显示，良性病灶THC均值（137.36±90.43)μmol/L，与恶性病灶THC均值（227.36±88.53)μmol/L差异有统计学意义（P＜0.001）；恶性病变的THC值与病灶大小呈线性相关，良性病灶THC测值受病灶大小影响较小。而多项研究证实，超声定位DOT可用于鉴别乳腺病变的良恶性[19-20]。乳腺癌是典型的血管依赖性病变。彩色多普勒血流成像（color Doppler flow imaging，CDFI）可显示乳腺癌新生血管内的血流信号，为诊断乳腺癌提供重要信息。但其灵敏度有限，仅可显示内径＞200μm的血管，对较小乳腺癌的血流显示欠佳[21]。朱庆莉等[22]研究对比观察DOT与CDFI检测乳腺癌新生血管中的灵敏度，发现与传统CDFI相比，超声定位DOT可更敏感地探测乳腺癌血管，特别是对诊断直径≤1 cm的早期乳腺癌具有潜在临床应用价值。Jakubowski等[23]及Zhu等[24]将超声与DOT结合应用，超声用于定位乳腺病变，近红外光用来测定乳腺肿块内血红蛋白浓度和血氧饱和度，证实这些功能参数对辅助诊断乳腺癌和观察化疗疗效有非常重要的价值。

Dehghani等[25]指出，与MRI进行结合，在乳腺癌试验中同时重建μa和u s'，将获得更高的对比度和分辨率；单独重建μa，对比度会提高，而分辨率的提高更显著。Choe等[26]在MRI精确定位下对51例乳腺病灶行DOT，并对病灶进行光学指数分析（综合评估病灶血红蛋白、血氧饱和度及散射等光学参数），发现恶性病灶光学指数明显高于正常组织，而良性病灶光学指数并未显示出这种显著差异，受试者工作特征（receiver operating characteristic，ROC）曲线下面积为0.90～0.99，显示DOT对乳腺癌的诊断具有较高的价值。

4 光学对比剂的应用现况

与大多数医学影像设备一样，对比剂的应用可提高光学成像效果，提供更多的诊断信息。在近红外波段，靛青绿（indocyanine green，ICG）是应用最广泛的对比剂，主要用于显示肿瘤血管生成情况和血管渗透能力[27]。ICG在高渗环境下会经血管裂隙渗出血管（如肿瘤的新生血管），分布于细胞外组织中，进行近红外荧光成像时这种病理学改变以可视的光学图像展现出来，从而提高DOT的特异度和对比度，有利于早期诊断。此种探针的缺点是缺乏特异性，且成像时背景荧光干扰大。

近几年来，纳米结构的出现使许多新型光学成像造影剂的产生成为可能。纳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，不仅适用于生命体，还具有优良的光学稳定性。目前，作为光学造影剂的纳米结构材料还在研发中，包括胶体金、金属纳米壳层和量子点等[28-30]。

造影剂的最新研究进展是分子成像中金属蛋白酶或组织蛋白酶等酶激活的造影剂的开发。将荧光染料与肿瘤表面受体（靶向探针）特异性结合或被肿瘤相关的酶所激活（智能探针）[30]，可在活体状态下探测肿瘤分子的活动。与靶向探针相比，智能探针在原始注射状态几乎无荧光，一旦被肿瘤相关酶激活即可在作用位点产生强烈的荧光，信噪比高，其所探测的是高度特异的荧光信号。

光学分子成像在乳腺病变的诊断中可无创性观测活体组织乳腺癌特定基因表达、肿瘤生长及转移等生物学过程，目前多用于活体动物实验，临床应用报道尚少。如白细胞介素11受体（interleukin11 receptor，IL-11R）与乳腺癌的发生、发展有关，并在乳腺癌骨转移中起重要作用，刘涛等[31]将IL-11R的模拟物环九肽与近红外染料偶联，得到近红外或近红外/核素标记的靶向IL-11Rα的特异性对比剂。先进行体外对比剂与乳腺癌细胞MDA-MB-231结合实验，然后对已建立的裸鼠乳腺癌细胞MDAMB-231异体种植瘤模型进行体内光学成像及核素成像实验，分析靶向对比剂在体内实验中的特异性，并与病理学检查结果对比。结果显示，在裸鼠乳腺癌种植模型中，靶向IL-11Rα的特异性对比剂可与IL-11Rα阳性的乳腺癌MDA-MB-231细胞特异性结合，这有望为临床肿瘤的早期分子诊断和靶向性治疗提供新的理论基础。

5 存在问题与应用前景

功能成像和分子活动成像目前位于癌症的无创性检测和研究的前沿。光学成像是目前已建立的放射影像技术的补充，它提供了丰富的组织血氧饱和度、血红蛋白浓度信息，再加上酶激活荧光探针使背景信号受抑制，光学成像可提供高度敏感和特异的基因表达信息。与其他成像法相似，光学成像也可显示乳腺肿瘤血管生成、血管渗透性及对比剂摄取情况，因此与X线、B超、CT、MRI、PET等传统形态学影像方法相比，其是一种功能成像，且无离子辐射、价格低廉。

目前光学成像技术应用于活体成像时还存在一些问题：①生物组织具有高度的异质性，在活体实验中组织的吸收系数、散射系数等光学参数往往难以准确获得。通常是将其预设为一个固定值，这在很大程度上影响成像结果的准确性。②三维成像结果大多是荧光染料浓度的相对值图像，难以实现定量成像。③动态成像通常需长时间采集数据，整个过程往往受呼吸、运动等干扰，从而使图像产生伪影，影响成像质量。④对于三维动态成像，因为数据量巨大，对计算机的运算速度与存储空间要求很高，因此需研究快速有效的成像算法。

有理由相信，随着光学仪器及光学造影剂的不断完善与改进，光学成像定将在认识和了解乳腺肿瘤血管生成、早期诊断恶性肿瘤、提供有效治疗方案及疗效评价中发挥越来越大的作用。

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