近年來(lái)，由于分子影像學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，繼放射性核素成像、正電子發(fā)射斷層掃描、單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層和磁共振成像之后，出現(xiàn)了高分辨率的體內(nèi)光學(xué)成像，其中近紅外光成像倍受關(guān)注，目前前哨淋巴結(jié)成像、評(píng)價(jià)冠狀動(dòng)脈搭橋術(shù)后通暢度、術(shù)中識(shí)別腫瘤、醫(yī)源性膽道損傷的診斷、以及淋巴管和血管的成像等都應(yīng)用了近紅外光學(xué)成像技術(shù)，逐步形成了近紅外光學(xué)成像輔助外科手術(shù)導(dǎo)航的新的醫(yī)療技術(shù)、新的醫(yī)療設(shè)備和新的臨床學(xué)科，現(xiàn)就有關(guān)研究進(jìn)展綜述如下：
1．外科診療與圖像技術(shù)
外科手術(shù)過(guò)程中外科醫(yī)生主要依據(jù)組織的色澤、質(zhì)地、形態(tài)進(jìn)行腫瘤的切除，所以判斷切除的范圍與醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)和切緣的病理陽(yáng)性率有關(guān)。進(jìn)一步研究認(rèn)為醫(yī)生在術(shù)中能夠得到實(shí)時(shí)的腫瘤解剖結(jié)構(gòu)圖像，將提高手術(shù)成功率、降低手術(shù)創(chuàng)傷、減少醫(yī)療費(fèi)用、避免手術(shù)意外發(fā)生、促進(jìn)病人康復(fù)。而放射性核素成像、正電子發(fā)射斷層掃描、單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層和磁共振成像等成像設(shè)備不可能搬到外科手術(shù)室，而且這些成像設(shè)備在操作過(guò)程中對(duì)醫(yī)生和病人有一定的損害，所以需要進(jìn)一步探索，手術(shù)過(guò)程實(shí)時(shí)成像、操作方便、非侵入、無(wú)損害的技術(shù)。
2.近紅外光的生物學(xué)特性[1]
光穿透組織的能力與組織吸收光的強(qiáng)弱、光波的特性、生物組織結(jié)構(gòu)及其物理化學(xué)特性均有關(guān)系。650～900nm的近紅外光（Near-Infrared，NIR）被稱為“組織光窗(Tissue Optical Window)”，與可見光相比具有：⑴生物組織對(duì)此波段近紅外光的吸收和散射效應(yīng)最。肟杉庀啾冉焱夤飪紗┩父畈愕淖櫓虎樸捎諫鎰櫓源瞬ǘ謂焱夤獾淖蘊(yùn)逵飩閑。瘧潮齲⊿ignal-to- background ratio，SBR)相對(duì)高等優(yōu)點(diǎn)，有可能成為未來(lái)臨床醫(yī)學(xué)在體實(shí)時(shí)成像的重要理論。
3.近紅外光學(xué)成像的基本原理[2]
生物體內(nèi)的細(xì)胞或某種大分子標(biāo)記熒光染料或報(bào)告基因基因時(shí)，應(yīng)用體外特定波長(zhǎng)的光波照射，穿過(guò)組織的光線，激發(fā)這些熒光材料發(fā)射熒光，體外光學(xué)影像設(shè)備攝取這些發(fā)射出的熒光，形成光學(xué)分子影像，這種光學(xué)分子影像將真實(shí)反映體內(nèi)某種基因的表達(dá)或大分子的生物學(xué)特性，并動(dòng)態(tài)記錄和顯示分子事件及其動(dòng)力學(xué)過(guò)程。然而，近紅外光人眼看不到，需要特殊的光學(xué)成像系統(tǒng)，以近紅外熒光團(tuán)為造影劑，當(dāng)一種波長(zhǎng)的近紅外光照射外科手術(shù)野時(shí)，手術(shù)野發(fā)射出另外一種波長(zhǎng)的近紅外光，攝取這種發(fā)射的近紅外光可以精確確定近紅外熒光團(tuán)的位置。當(dāng)近紅外熒光團(tuán)標(biāo)記到活體細(xì)胞、組織和器官時(shí)，通過(guò)手術(shù)野中的近紅外光就可以顯示組織的結(jié)構(gòu)和病變部位。目前吲哚青綠作為近紅外熒光顯影劑，采用近紅外光成像已經(jīng)在乳腺癌、胃癌和結(jié)腸癌的臨床治療中應(yīng)用。
4.近紅外光學(xué)成像系統(tǒng)[2]
2002年美國(guó)波士頓Beth Israel Deaconess醫(yī)學(xué)中心首先介紹了第一代外科成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)攝取彩色和近紅外熒光，最大的特點(diǎn)是既能攝取近紅外熒光，又能看到手術(shù)野的解剖結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)被稱為熒光輔助切割和探測(cè)外科成像系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱FLARETM），多年來(lái)該系統(tǒng)主要在大動(dòng)物上進(jìn)行外科手術(shù)的研究，有望應(yīng)用到人類外科。目前美國(guó)波士頓Frangioni實(shí)驗(yàn)室、日本濱松光電、法國(guó)Fluoptics公司、加拿大和荷蘭等研究機(jī)構(gòu)從事相關(guān)研發(fā)。
4.1近紅外光學(xué)成像系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)[2]
近紅外光學(xué)成像系統(tǒng)主要包括近紅外激發(fā)光源、近紅外熒光造影劑、高靈敏近紅外熒光攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)及其圖像處理軟件等。
4.2近紅外光學(xué)成像系統(tǒng)的分型
Ⅰ型：FLARE? 攝像系統(tǒng)
FLARE?攝像系統(tǒng)首先是由美國(guó)波士頓Beth Israel Deaconess醫(yī)學(xué)中心和喬治亞州立大學(xué)在2002年研制成功，F(xiàn)LARE是 fluorescence - assisted resection and exploration的縮寫，即熒光輔助切除和探測(cè)。
圖1：FLARE?攝像系統(tǒng)
如圖1，F(xiàn)LARE?設(shè)計(jì)的基本方案是在外科手術(shù)時(shí)，顯示器上既能顯示外科手術(shù)的解剖結(jié)構(gòu)，還能顯示肉眼看不到的近紅外熒光，并且能夠重疊在彩色圖像上。 FLARE?系統(tǒng)的基本組成：⑴400W 冷光源，其中白光40,000 lux，波長(zhǎng)400～650nm, 其二近紅外激發(fā)光源之一，技術(shù)參數(shù)是光強(qiáng)度4 mW/cm2， 波長(zhǎng) 700 nm (656～678 nm), 其三近紅外激發(fā)光源之二，技術(shù)參數(shù)是光強(qiáng)度14 mW/cm2，波長(zhǎng)800 nm (745～779 nm)，近紅外光源采用環(huán)行LED排列，線性驅(qū)動(dòng)集成；⑵攝像系統(tǒng)包括彩色攝像CCD， 400～650 nm峰值量子率效高,；700 nm近紅外攝像CCD，689～725 nm峰值量子率效高, 和800 nm近紅外攝像CCD ，800～848 nm峰值量子率效高,共三種CCD同時(shí)獲取、像素640×480、系統(tǒng)分辯力125×125 μm (x,y)到 625× 625 μm (x,y)、顯示刷新15 Hz、NIR 暴光時(shí)間為100 μsec 到 8 sec，免持光學(xué)自動(dòng)變焦和聚焦。
Ⅱ型：Fluobeam?手持式成像系統(tǒng)[3]
Fluobeam?是法國(guó)Grenoble的 Fluoptics公司研制，F(xiàn)luobeam?是手持式成像系統(tǒng)，攝取2D體外熒光，F(xiàn)luobeam?有一個(gè)花冠狀LED發(fā)射近紅外光，能夠在白光下直接檢測(cè)。Fluobeam?分為Fluobeam? 700和Fluobeam? 800 2種型號(hào)。
圖2：Fluobeam?手持式成像系統(tǒng)
Ⅲ型：Artemis?手持式成像系統(tǒng)(www.O2view.com).
Artemis?手持式成像系統(tǒng)是彩色和熒光雙重CCD手持式攝像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全彩實(shí)時(shí)熒光成像，具有800nm吲哚青綠和 700nm熒光探針成像2種功能，適用于腹腔鏡和開放手術(shù)。成像系統(tǒng)分辨率是659×494像素、大約330,000 pixels、圖像輸出5.6 x 5.6 μm、幀頻5～60 fps、讀取噪音30 electrons、井位能25,000 electrons，還配置390 mm和190 mm 2種型號(hào)的腹腔鏡。
Ⅳ型：The Photodynamic Eye
The Photodynamic Eye是有日本濱松光電研制，主要進(jìn)行非損傷床旁定量評(píng)估組織灌注量，圖像感受器是CCD，發(fā)射光源是LED 。
圖3：The Photodynamic Eye
Ⅴ型：Novadaq探測(cè)成像系統(tǒng)[4]
Novadaq探測(cè)成像系統(tǒng)（Novadaq's SPY Imaging System）是由加拿大 Novadaq Technologies Inc.研制，是第一個(gè)，也是目前唯一一個(gè)被FDA許可進(jìn)行心臟冠狀動(dòng)脈搭橋術(shù)后評(píng)估通暢度的設(shè)備[5]，是整形和重建外科手術(shù)，評(píng)估游離皮瓣血運(yùn)的重要工具[6,7]。還可應(yīng)用于器官移植，小兒外科和泌尿外科等領(lǐng)域。Novadaq探測(cè)成像系統(tǒng)重要的功能之一是能夠在手術(shù)室中靈活使用，定量評(píng)定手術(shù)中的關(guān)鍵步驟。
如圖4：整個(gè)系統(tǒng)被放置在一臺(tái)移動(dòng)車上，由 ⑴激發(fā)光/攝像機(jī), 攝像機(jī)是30幀頻/秒的CCD；⑵顯示器，遠(yuǎn)端控制中心；⑶中央處理系統(tǒng)；(⑷激光發(fā)生器，激光發(fā)生器的輸出功率是2.0 W，攝像機(jī)和激光輸出伴行，激光在心臟的照射面積是56 cm2 (7.5 cm×7.5 cm) 開發(fā)手術(shù)時(shí)鏡頭距心臟30 厘米。
5.近紅外光學(xué)成像造影劑
在近紅外光波范圍內(nèi)，大多數(shù)組織很少產(chǎn)生近紅外熒光，需要使用近紅外光學(xué)成像造影劑，最常用的有機(jī)NIR熒光團(tuán)是聚甲炔類化合物，另一類是半導(dǎo)體納米晶體或量子點(diǎn)。
5.1 非靶向外源性造影劑
5.1.1吲哚青綠
吲哚青綠(ICG)又稱靛青綠或福氏綠，是一種水溶性三碳吲哚染料，分子量775道爾頓，分子式是C43H47N2NaO6S2，最大吸收光譜805nm，最大激發(fā)波長(zhǎng)為835nm。ICG 注入體內(nèi)后既不從消化道吸收，也不進(jìn)入肝循環(huán)，而是由肝實(shí)質(zhì)細(xì)胞從血漿中攝取后以整分子形式排泄至膽管，隨糞排出體外。近年來(lái)，ICG造影除用于研究眼部血管尤其是脈絡(luò)膜血管外，還被用于燒傷深度的檢測(cè)、胃腸道血管缺損、腦動(dòng)脈急性梗塞患者灌注的減少檢測(cè)、惡性腫瘤的診斷、微循環(huán)定量、腦部腫瘤邊緣的確定和腫瘤前哨淋巴結(jié)檢測(cè)等[8]。
Motomura 等[9]證實(shí)在乳腺癌周圍的軟組織中注射25 mg/5 mL吲哚青綠就可以識(shí)別標(biāo)記的淋巴結(jié)。Later, Kitai 等[10]證實(shí)皮內(nèi)注射 25 mg，能夠引導(dǎo)乳腺癌病人哨位淋巴結(jié)活檢術(shù)。此外，微量吲哚青綠與分子靶向標(biāo)記物結(jié)合也能有效顯示淋巴結(jié)，降低吲哚青綠的使用量。
5.2 非靶向可激活有機(jī)熒光造影劑
研究認(rèn)為腫瘤的無(wú)序生長(zhǎng)與蛋白質(zhì)水解酶活性上調(diào)有關(guān)，所以蛋白質(zhì)水解酶在惡性腫瘤組織中表達(dá)增加，與腫瘤的浸潤(rùn)和轉(zhuǎn)移有關(guān)，這種熒光探針?biāo)鼈兺袃蓚€(gè)以上的等同或不同的色素團(tuán)，兩個(gè)色素團(tuán)通過(guò)酶特異性多肽接頭彼此緊密相連。多肽接頭切除時(shí)，使它們的熒光團(tuán)釋放出來(lái)，熒光發(fā)射于是得以恢復(fù)。酶靶點(diǎn)主要限于蛋白酶，包括組織蛋白酶、半胱氨酸天冬氨酸特異蛋白酶、基質(zhì)金屬蛋白酶、凝血酶、HIV 和 HSV蛋白酶以及尿激酶類血纖維蛋白溶酶原激活劑。
5.3靶向有機(jī)熒光造影劑
靶向有機(jī)熒光造影劑是將熒光團(tuán)與能結(jié)合某一特異分子靶點(diǎn)（活性探針）的配體相耦合。該造影劑能結(jié)合到并停留在靶點(diǎn)部位，而非結(jié)合的熒光團(tuán)則在循環(huán)中被清除。這種方法對(duì)于腫瘤的成像最為有用，因?yàn)榘┌Y使得某些表面受體超表達(dá)。
配體可以是小分子、多肽、蛋白質(zhì)和抗體。比如表皮生長(zhǎng)因子受體(EGFr)/ Her2、血管上皮生長(zhǎng)因子受體（VEGFr）以及αvβ3整合素等。現(xiàn)可結(jié)合的熒光團(tuán)包括Cy 5.5、Alexa Fluor 750、IRdye800CW等[11-13]。
6. 近紅外光學(xué)成像輔助手術(shù)導(dǎo)航引導(dǎo)外科診療中的應(yīng)用
6.1前哨淋巴結(jié)定位（Sentinel Lymph Node Mapping）
浸潤(rùn)性膀胱癌有20～25%的病人有淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移，在進(jìn)行膀胱全切術(shù)是要進(jìn)行淋巴結(jié)清掃。Knapp等采用IRDye? 800CW、HSA800、近紅外熒光量子點(diǎn)三種近紅外熒光淋巴結(jié)示蹤劑，其中HSA800的激發(fā)光峰值是784 nm， 發(fā)射光峰值是802 nm；近紅外熒光量子點(diǎn)的激發(fā)光峰值是775 nm, 發(fā)射光峰值是820nm。使用第一代近紅外熒光成像系統(tǒng)，在家犬和豬上進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)注射近紅外熒光淋巴結(jié)示蹤劑后膀胱壁立刻明亮的熒光，10秒種為淋巴管熒光顯示，30秒到3分鐘前哨淋巴結(jié)顯影，在注射后至少2小時(shí)注射部位和前哨淋巴結(jié)仍然熒光顯影。其中25%的淋巴結(jié)全部明亮熒光顯影；45%的淋巴結(jié)部分顯影；30%的淋巴結(jié)邊緣斑點(diǎn)顯影。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，膀胱內(nèi)壓力影響淋巴結(jié)示蹤劑的移動(dòng)，大于 50 cm H20和小于 10 cm H2O都沒有淋巴結(jié)示蹤劑的移動(dòng)，膀胱內(nèi)壓力是影響膀胱光學(xué)效果的重要因素[14]。此外乳腺癌手術(shù)，宮頸癌等多種腫瘤手術(shù)中都可以使用。
6.2 輸尿管示蹤（Intraoperative Ureteral Guidance）
在輸尿管損傷或某些外科手術(shù)時(shí)，輸尿管尋找十分困難，Tanaka等使用0.5 mW/cm2 400～700 nm的白光，和5mW/cm2 725～775 nm的近紅外光，光斑直徑是15厘米的近紅外成像系統(tǒng)。研究發(fā)現(xiàn)在豬模型中注射7.5 μg/kg CW800-CA能夠在不可見光下看到輸尿管，看到輸尿管內(nèi)直徑小于2.5 mm的異物，逆行注射10 μM ICG能夠精確定位輸尿管的損傷漏尿點(diǎn)[15]。
6.3 術(shù)中近紅外熒光膽道造影（Intraoperative Near-infrared Fluorescent Cholangiography）
Tanaka等[16]使用NIR光和靜脈注射 CW800-CA能夠?qū)崟r(shí)顯示肝外膽管, 而不影響外科手術(shù)。
6.4輔助肝葉切除
Aoki等[17]使用Photo Dynamic Eye-2成像系統(tǒng)，在門靜脈注射ICG后1分鐘就可以明確區(qū)分肝臟的分段和亞分段，并可以保持10分鐘。35例肝臟惡性腫瘤的病人在行肝臟部分切除時(shí)使用的該檢查手段，其中33例病人肝葉區(qū)分明顯，該方法有效可靠安全。
6.5評(píng)估冠狀動(dòng)脈搭橋術(shù)效果
常規(guī)冠狀動(dòng)脈造影是診斷冠狀動(dòng)脈有無(wú)狹窄的金標(biāo)準(zhǔn)，但在冠狀動(dòng)脈搭橋術(shù)中很少使用，目前常用的方法有術(shù)中熒光成像（intraoperative fluorescence imaging，IFI）和時(shí)差血流（transit-time flowmetry，TTFM）。Balacumaraswami 等認(rèn)為Novadaq探測(cè)成像系統(tǒng)進(jìn)行冠狀動(dòng)脈搭橋手術(shù)效果的評(píng)估，IFI要比TTFM更加靈敏，假陽(yáng)性率低[18]。
6.6 腦血管外科的應(yīng)用
Woitzik等[19]使用近紅外熒光手術(shù)顯微鏡，對(duì)32例病人在手術(shù)中進(jìn)行近紅外熒光血管成像，靜脈注射ICG 25mg/10ml。明確診斷13例腦動(dòng)脈瘤、4例腦動(dòng)靜脈畸形 、8例為顱內(nèi)外旁路，研究認(rèn)為腦血管手術(shù)過(guò)程中，常規(guī)進(jìn)行ICG近紅外熒光血管成像是必要的。
6.7 術(shù)中識(shí)別腫瘤（dentifying tumors intraoperatively）
術(shù)中識(shí)別腫瘤包括開放手術(shù)和內(nèi)窺鏡手術(shù)下的腫瘤識(shí)別、腫瘤切除邊緣的確定和轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)的鑒別，但還處于臨床前期研究。需要進(jìn)一步完善腫瘤特異性近紅外熒光探針，研究腫瘤靶向抗體和無(wú)毒副作用的近紅外熒光染料，開發(fā)高靈敏的近紅外攝像系統(tǒng)[20,21]。
總之，近紅外光學(xué)成像理論和技術(shù)是近十年來(lái)的科學(xué)成就，但還有待于不斷的完善和改進(jìn)。同時(shí)，我們?cè)谘芯窟^(guò)程中申報(bào)了三項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利，成功研制了“腫瘤外科術(shù)中熒光導(dǎo)航系統(tǒng)”，取得了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的系列產(chǎn)品，為我國(guó)躋身于該領(lǐng)域的國(guó)際先進(jìn)行列做了一定的貢獻(xiàn)。我們相信隨著研究的不斷深入完善，近紅外光學(xué)成像將會(huì)更加廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，成為新的醫(yī)療技術(shù)、醫(yī)療設(shè)備和新的臨床學(xué)科。
