光声成像开始走向临床

光声成像开始走向临床MikeHatcherEditorinChiefofoptics.org光声成像开始逐步应用到临床患者的身上，这项技术将对临床医学成像，如从早期肿瘤检测到神经学和无标记组织学研究都将产生革命性的影响。在今年夏初召开的2012国际光学和光子学会(SPIE)欧洲光子学会议上，来自华盛顿大学(St.Louis)的光声成像先驱科学家汪立宏在大会主题发言中传递出以上振奋人心的信息。在一个热点论坛中，汪立宏给众多的听众描述了光声成像的最新进展，包括光声成像在乳腺癌和黑色素瘤人体体内实验的应用情况。该项技术被认为将来有可能替代传统的扫描方法如磁共振(MRI)和基于X射线的断层扫描方法。光声断层技术(PAT)的优点包括它是非离子化的技术，不需要生物标志物，以及具有极高的分辨率、实时扫描等，因此可以显示一些常规扫描设备遗漏的细微结构。光声成像一个主要的局限性在于它的成像深度，但是该局限性也正在被逐步克服，现在它的成像穿透深度可以达到7厘米。按照汪教授的说法，光声成像的一个较大优势在于它的可延展性，从单个细胞、直到整个器官、再到小动物的整个身体都可以实施光声成像。由于显微成像和宏观成像不太可能使用相同的造影剂，所以不可能做到观察成像的延展性。但是因为光声成像在各个层次都使用相同的造影剂，所以它可以在各个层面上使用。光产生声实际上最早描述光声原理的是电话发明人贝尔，根据光声的简单原理，他搭建了最早的一部“光电话”。现在的光声成像系统一般使用纳秒级的激光脉冲照射到检测部位上，该部位受热并发生膨胀。热膨胀产生声学信号，由此可以以超声波的形式来进行接收，重建之后产生的图像可以显示出靶部位内部光学吸收的分布情况。汪教授使用不同位置的三个人听到雷声的例子来做比喻，雷声最初在一个点产生，通过三角测量可以将雷声产生的点进行定位。在光声成像中，通过在数百个位置点和多个方向检测激光产生的超声波信号，就可以产生出人体组织靶部位的结构图像。由于生物组织对声波造成的散射远远低于光子在可见光区域的散射(通常低3个数量级)，这些重构的图像可以显示出较高的分辨率。另外，激光的波长可以用来探测特定的分子，并且由于超声波信号强度与光吸收水平直接相关，非吸收的分子由此不会产生信号，因而就去除了图像的背景噪音信号，从而得到更高清晰度的图像。汪教授在华盛顿大学光学影像实验室的团队一直走在光声研发的前沿，现在他们拥有一个512通道的超声波阵列系统，可以重建出完美质量的图像。在布鲁塞尔，汪教授展示了一段有关小鼠光声全身扫描的视频，显示出100µm的平面间分辨率。临床进展汪教授指出，光学技术如显微镜用来对细微结构成像，非光学技术如X射线和常规超声用来对较大结构如整个器官成像，光声成像由于它的可延展性从而“弥补了这两者之间的鸿沟”。光声成像已经成为一个快速发展的研究领域，现今光声技术正由微观实验室阶段逐步走向宏观临床实践阶段。最初的临床应用期望用于新生儿脑部成像和前列腺癌的血氧饱和度检测。众多的例子可以支持这些展望，其中包括与飞利浦研究部门合作开发的手持式光声探头，以及美国Endra公司开发的Nexus128小动物光声成像系统，汪教授是Endra公司科学顾问团队成员。乳腺癌是另一项早期临床检测的应用领域。使用650nm激光器在10mJ/cm2能量下(美国国家标准研究所AmericanNationalStandardsInstitute(ANSI)标准规定能量的一半)，光声成像显示可以实施乳腺癌的体内成像，这将会对全球几百万病例的筛查产生根本性的影响。现今的乳腺癌筛查最大的问题是会导致大量切除肿瘤的手术病例。不仅90%的手术是不必要的，而且手术本身将会导致5%的并发症。使用光声成像特异性的筛查将会大幅度降低手术和并发症的比率。其他的研发工作还包括共聚焦光声显微镜，已经用来对人黑色素瘤皮肤癌进行成像，使用的是金纳米颗粒和金纳米笼来寻找特异性激素受体来显示该疾病早期发病征兆。光声技术最令人印象深刻的特点就是汪教授预测的应用领域的广泛性。汪教授指出光声成像和其变型不仅可提供解剖信息，还可提供功能信息、代谢信息、分子和基因信息等各个方面。近期的例子包括测定血氧饱和度，无标记代谢速率(已知的一种肿瘤发展的早期指示物)和无标记体内组织学检测等(EndraNexus128)。在一项未发表的研究工作中，光声显微镜可以直接显示单个红细胞释放氧的情形，该项研发工作可使我们探究微循环内部的详细情况，这也被认为是早期肿瘤形成中的一个关键性因素。临床成像的革新在最近的一期美国科学周刊上，汪教授强调了此项新技术如何能够冲破目前健康筛查方法的局限，他写道：“将小动物代谢光声技术扩大至人类将会对代谢性疾病的筛查、诊断、和治疗产生革命性变化，特别是在肿瘤和脑脊髓疾病方面。”将代谢光声技术缩小至细胞水平将会带来更多的机会，因为过度代谢是肿瘤最典型的特征，代谢光声分析可以使得肿瘤早期体内筛查成为可能，而且不使用外源性造影剂。光声技术仍然面临一些挑战。在布鲁塞尔，汪教授也指出了由骨骼产生的问题，特别是由大块致密的骨骼如人头盖骨产生的干扰，会导致声学信号的扭曲。同样需要解决的还有成像深度、由体内气体产生的散射问题。汪教授因此也指出了光子学的发展如何能够将光声成像技术进一步推向临床应用。对于类似常规CT扫描的深度穿透光声成像来说，需要视频-速率脉冲重复(video-ratepulserepetition)的高能量激光器来解决。对于快速显微镜或内窥镜应用来说，则需要具有快速波长调谐的高重复速率(high-repetition-rate)激光器。这些都是从长远发展观点来考虑的。但是随着第一套临床科光声成像系统的商业化，当务之急是确保临床系统能够通过每种新系统都必需要通过的审批程序。如果通过了这些审批程序，无论是在基础生命科学研究成像，还是临床病例护理成像方面，光声成像技术和其各种衍生技术将会带来成像技术的一个革新。EndraNexus128小动物光声成像系统Endra公司是由辉瑞、默克、强生、雅培、Lilly、诺华诺德、阿斯特拉等七大制药公司组成的EnlightBiosciences实体投资成立的。Endra发展光声的历史可以追溯到2001年，迄今已有11年的历史，目前Endra已经在肿瘤生物学和探针研发方面开展了3年多的应用性研究。EndraNexus128小动物光声成像系统原理的发明人正是汪立宏教授，汪教授也是Endra科学顾问团队成员之一。它是一种新型的无损伤活体成像模式，同时具备光学成像的高对比度特性和超声成像的高穿透深度特性，可以提供高分辨率和高对比度的组织成像。Nexus128成像系统既可以实现内源性结构成像，也可以在对比增强剂辅助下得到对比度更高的图像。它可以应用于心血管、药物代谢、疾病早期诊断、基因表达研究、干细胞及免疫、肿瘤生物学，脑神经生物学等各研究领域，为科学研究提供更可靠更全面的实验数据。