光声成像技术在早期肝癌诊断和治疗中的应用

石 磊，田 昊，张希恬，龙子宁，黄 畅，曾 宁，方驰华南方医科大学第二临床医学院；广东省数字医学临床工程技术研究中心，广东 广州 508

肝癌是我国常见的一种恶性肿瘤，为了更好地实现对肝癌的诊断及治疗，要求对肝癌病灶的边界有极高精确度的了解。近年来，随着光声成像技术的快速发展，肝胆外科医生发现，光声成像高分辨率、高对比度的成像特点，以及血管功能成像的种种优势，使其在肝癌早期诊断中前景巨大。此外，光声成像又可以协助光热疗法靶向消灭肿瘤，在肝癌的药物治疗、手术导航及预后中也发挥重要作用[1]。本文主要介绍基于光声原理的各种光声成像模式和系统，以及光声成像技术在肝癌临床治疗中的应用和研究进展。

1 光声成像概述

1.1 光声成像基本原理

光声成像是以超声作为媒介的生物光子成像法，即当一束短的脉冲（～10 ns）激光经光学元件扩束之后，照射到相应的生物样品上，此时激光的能量，能够被组织内的吸收体快速吸收，继而组织会受热膨胀，产生相应的超声波，超声波将会穿过组织向外传播，可以被样品周围的超声传感器探测到[1]。光声成像技术结合了纯光学成像的高对比度特点和纯超声成像的高穿透深度的优点，近年来，它以其独特的优势成为医学成像领域的热点和前沿。

光声成像技术同时具有光学成像和超声成像的优点。首先，在人体生理组织中，超声信号的散射率最高可比光信号的散射率低1000倍，因此，在光声成像中利用超声信号来构建图像，可以达到高深度、高空间分辨率的目的。然而纯超声成像中，不同组织间光学对比度和分辨率则往往不能使人满意，而光声图像的光学激发则完美地解决了这一问题，以其光学特性弥补了纯超声成像的不足。此外，与传统的医学影像技术相比，光声成像可以选择性地激发光谱组织，具有极高的特异性，让光声成像的功能不局限于简单的组织结构成像，还可以实现功能成像。光声成像突破了激光共聚焦显微镜、双光子激发显微镜和光学弱相干断层层析成像等高分辨率光学成像深度“软”极限（约 1 mm），使光声成像拥有高达亚微米、微米量级的分辨率[2]。

1.2 光声成像模式

光声成像技术已经发展为多种成像应用模式，包括以下成像模式：光声显微成像、光声断层成像、光声粘弹成像、光声内窥成像、光声分子功能成像及光声多模态联合成像技术。

1.2.1 光声显微成像 在光声显微镜成像模式中，激光聚焦于被成像样品的表面并产生光声信号。为了达到最大的探测灵敏度，光学聚焦透镜始终使用与超声换能器相一致的焦距。光声信号的到达时间可以表示声源与换能器之间的距离，每次脉冲激光的照射提供了具有深度方向分辨率的一维光声图像，然后逐点对样品各平面进行脉冲激光扫描，就可获得被成像区域的3D影像。光声显微成像从原理上规避了光散射的影响，提升了成像的分辨率和对比度。

1.2.2 光声层析成像 与光声显微成像系统不同的是，光声层析成像采用非聚焦激光照射成像区域，利用非聚焦或柱聚焦超声传感器阵列检测成像目标区域的光声信号。在光声断层成像系统中，通常是采取单个超声换能器进行扫描，不采取多个或者换能器阵列，从而简化系统，降低成本。检测到光声信号之后，推导出检测区域相对光吸收系数的空间分布，并且据此重建成像区域的光声图像。这实际上是一个逆推问题的过程。光声断层成像必须依赖特定的反演算法来重构图像。国际上已经发展出多种切实可行的光声断层成像重构算法，推导出了三维空间上光声信号分布与被测声源的空间分布之间关系的解析表达式[3]。

1.3 光声成像系统

光声显微镜成像是光声成像的其中一种手段，根据获得的空间分辨率的不同，光声显微成像系统可分为光学分辨光声显微成像系统（OR-PAM）、声学分辨光声显微成像系统（AR-PAM）、光声层析成像系统（PAT）、光声血管内成像系统（IVPAI）和光声内窥成像系统（ESPAI）等。

1.3.1 OR-PAM OR-PAM是一种基于光声效应的成像方法，OR-PAM系统的突出特点是能够对组织内微血管的形态和功能进行高分辨率成像。因此，ORPAM正成为研究生理和病理相关组织微循环的有力工具。如图1所示，在OR-PAM系统中，激光束通过一个偏菱形的透明棱镜会聚到样品表面，样品所激发的超声信号在偏菱形棱镜的内部进行两次反射，被超声传感器探测，这样的设计大大地提高了声探测的灵敏度[4]。

图1 光学分辨率光声显微镜成像系统图

1.3.2 AR-PAM 当成像深度大于光学平均自由程时，由于生物组织中强烈的光学散射，激光不能在这个深度获得有效聚焦，该情况下，声学焦点小于光学焦点，光声显微镜的横向分辨率主要取决于声学聚焦，这样的光声显微镜称为AR-PAM[5]。AR-PAM的激光照射方式可分为亮场照明和暗场照明两种方式（图2），图2a为暗场共聚焦AR-PAM系统的模式图。激光器的每个光束路径由多个棱镜引导，球形锥形透镜产生环形光束使超声换能器可以位于光的中心而不阻挡光束传播。这种暗场同轴几何结构在成像生物组织时提供深度成像深度和高信噪比，不会引起旁瓣或图像伪影，降低样品表面对于光声信号的干扰。而亮场照明方式能使得目标区域接收到更多得到激光能量。AR-PAM系统可以有效对皮肤损伤、血管分布、皮肤黑色素瘤等实现活体无损成像[6-7]。OR-PAM成像的分辨率更高，成像区域显示得更加清晰，极微小的血管结构都清晰可见（图3）。而AR-PAM的优势在于成像深度更深，提供更加丰富全面的图像信息[8]。

图2 声学分辨光声显微成像系统

图3 OR-PAM与AR-PAM成像对比

1.3.3 PAT 光声层析成像是一种新型的无损无创生物医学影像技术。主要是通过将近红外激光脉冲照射到组织中，被患者红细胞中携氧血红蛋白分子吸收，导致超声波振动而成像。PAT可以构建主要显示被扫描组织中血管的图像，有助于发现早期肿瘤（图4）。相比其他成像系统，PAT扫描的执行速度极具优势。PAT突破了传统高分辨光学成像的深度壁垒，对临床上诊断早期肝癌有极其广泛的应用前景[9]。

图4 PAT对纳米金笼造影剂靶向富集监测

1.3.4 IVPAI 在靶血管内放置一个集成多模光纤、光学反射元件和微型超声换能器的成像导管，在血管内发射短脉冲激光，其中一些被血管壁吸收并转化为热能。由于血管壁组织的热弹性膨胀，产生的热量进一步转化为弹性机械能，并作为光声信号传输。血管壁上不同成分的光吸收系数不同，产生的光声信号强度也不同，可利用成像导管上的超声换能器接收组织产生的光声信号[10]。

2 光声成像在早期肝癌中的应用

2.1 肝癌的生物学特点

肝细胞癌是一种常见的恶性肿瘤，占2012年世界和中国癌症总发病率的5.6%和12.9%[11]。我国每年死于肝细胞癌的人数超过38万人，居癌症死亡第2位，对人民生活和健康危害极大。肝癌早期症状隐匿，传统影像手段难以早期侦测[12]。因此，早诊断、早治疗成为避免肿瘤转移、提高患者预后的重要手段。而光声成像技术具有空间分辨率高、灵敏度高、穿透力强等优点，能突破成像深度与成像分辨率的限制，有望为早期肝癌早期诊断、早期治疗提供一种新的方法。

2.2 光声技术在肝癌分子/细胞层面的研究

肝脏恶性肿瘤的快速生长需要更多的血液供应，因此血管生成和氧代谢异常是肿瘤的重要标志。血管内血红蛋白的增加使激光在病理组织中的吸收显著增强，肿瘤区与正常区的光吸收对比度很高。光声成像通过对肿瘤微循环血红蛋白氧饱和度的测量，进一步确定肿瘤微血管的功能变化情况，并已初步应用于药物疗效评价研究中。在氧代谢成像方面，光声成像第一个独立实现了氧代谢率的在体测量，有助于早期肝癌的排查和基础研究[13]。

另外，有研究提出非线性光声引导波前整形技术，明显提高成像分辨率和深度，对突破现有高分辨率光声成像深度具有重要意义[14]。有学者提出的可开关分子探针技术，通过不同波长切换的模式，有效降低了肝组织血液信号对光声信号的干扰[15]，完善了目前早期肝癌光声成像和边界界定的技术。不同学者的研究正在使光声成像在早期肝癌的诊断、边界界定中的应用愈加成熟。光声成像与传统超声技术相结合，联合纳米材料、基因组学技术等，建立多学科交叉的优势平台，将大力促进早期肝癌的诊断、边界确定、研究工作。

2.3 光声技术在动物模型上的研究

肝癌动物模型的相关研究可为临床肝癌诊治提供新的方向，光声成像的优点使其成为动物实验成像的优良选择。

2.3.1 术前诊断 众所周知，肝癌的早期诊断及肝脏肿瘤边界确定对于患者的治疗和预后尤为重要，而光声诊断技术的优异性或是解决这一难题的优良方案。

在特异性探针的帮助下，医生可以通过光声成像更加精准地了解肿瘤微血管以及细胞因子的变化情况，甚至可助力肝脏微小肿瘤的诊断。例如，有研究团队报道开发了一种可以在光声成像和光热联合放疗中应用的pH敏感放射性标记131I和125I的钯纳米片[16]。也有研究团队制备了131Ⅰ标记的白蛋白纳米颗粒[17]作为一种以肝脏为靶向的双模探针,在动物肿瘤模型的肝脏疾病检测中被证明是非常方便的。由于光声成像在肿瘤血管成像方面的独特优势，使之在肝脏肿瘤的检测中发挥重要作用。另外，有研究者根据肝细胞癌高度表达EGFR的特性，提出利用特异靶向的EGFR多肽，通过光声成像系统提高体内肝癌转移瘤的检出率[18]。

2.3.2 术中导航 虽然光声成像技术在原理上可以实现早期发现和诊断肝癌，但是在肝脏肿瘤中，目前可以应用的光声成像分子探针却很少。研究发现，金纳米颗粒具备光吸收面大、光热转化效率高等优势，而且细胞毒性低、生物相容性好，是好的光声造影剂。近年来，光声-荧光双模分子探针成为研究者关注的焦点[17]。

关天培等[19]针对临床上现有肝癌影像诊断技术的瓶颈，结合术中分子影像技术对于手术导航的重要性，提出构建光声-荧光双模分子探针。该分子探针可同时实现光声诊断和荧光手术导航。该研究分别制备了载吲哚菁绿（ICG）的脂质体和金纳米棒，然后将脂质体包被在经mPEG-SH修饰的金纳米棒表面，形成具有光声-荧光双模成像能力的分子探针（Au@liposome-ICG）。

Au@liposome-ICG够增强光声信号，在成像中呈现出优良的性能，是实现肝癌诊断和手术导航的关键。双层脂质分子能够降低ICG的荧光淬灭效应和聚合效应，使ICG能够持稳定地发射出840 nm波长的近红外荧光，从而使肝脏手术中有长时间的荧光成像导航[19]。

还有团队报道开发了一种Fe3O4-PFH/PLGA纳米胶囊[20]，其被证明可作为用于超声、磁共振和光声三模态成像的有效造影剂，适用于成像引导下的高强度聚焦超声协同癌症手术。

2.3.3 肝癌治疗 近年来，肿瘤光热治疗赢得广泛关注，有研究团队合成了一种SP94修饰的多吡咯-BSAICG纳米颗粒[21]，其在肿瘤组织的积累量很高，而在正常肝脏和脾脏的极少出现，且该纳米颗粒可以通过光热治疗有效地杀死肿瘤细胞，在光声成像中以及光热疗法中前景广阔。还有研究团队研制了一种新型的光声成像纳米颗粒（高密度糖聚合物包裹的苝酰亚胺纳米粒，PLAC-PDI NPs），可以实现更有效的肝细胞癌光热治疗[22]。此外，也有研究结果指出，在肿瘤光热治疗后，利用MRI和光声成像技术可有效监测血管通透性和温度状态，有助于指导肿瘤光热治疗在临床实践中的应用[23]。

2.3.4 药物疗效监测 索拉非尼是一种新型多靶向性肿瘤治疗药物，能够抑制肿瘤细胞增殖和血管生成，常用于治疗肝脏、肾脏肿瘤，在不能手术、远处转移的患者也常见应用。在一项研究中[24]，将HepG2-RFP肝癌荷瘤鼠随机分为索拉非尼治疗组（n=21）和对照组（n=20），用光声成像评估治疗前和治疗1周后的肿瘤体积和SO2（血氧饱和度）,用荧光成像和组织学检查评估辐射效率和治疗效果。采用肿瘤坏死、凋亡指数和微血管密度评价索拉非尼治疗肝细胞癌的疗效。治疗1周后的检测结果显示，肝细胞癌和残余正常肝脏组织的SO2下降，乏氧诱导因子-1α蛋白表达下降，并与凋亡指数相关。肝细胞癌中ΔSO2与肿瘤组织的坏死及凋亡指数呈正相关，与微血管密度呈负相关。光声成像测量参数SO2可作为无创性检测鼠原位肝癌治疗效果的有效标志。

3 展望

光声成像技术不仅具有声学方法在穿透深度上的优势，而且具有光学方法在高对比度上的优势。通过选择合适的成像方式，光声成像可以提供多级空间分辨率。并且，光声成像还能提供生物系统多维度的丰富信息，如解剖、代谢、分子等等，满足了多领域的成像需求，具有广阔的应用前景和发展潜力[25]。在肝癌手术方面，光声成像将与传统超声技术结合，形成多学科交叉，对高风险、高难度的肿瘤目标病灶进行肝脏三维可视化分析、肝脏3D 打印评估，有力推动肿瘤边界精准识别、肿瘤的精准切除。

可以预期在不久的将来，光声成像将凭借其优越的性能广泛的临床应用于人体早期肝癌等各类癌症的早期筛查和治疗，为早期肝癌的筛查、正确诊断、精确定位、精准治疗和疗效评估等过程提供有价值的生物医学影像信息。