光聲成像技術在早期肝癌診斷和治療中的應用

石 磊，田 昊，張希恬，龍子寧，黃 暢，曾 寧，方馳華南方醫科大學第二臨床醫學院；廣東省數字醫學臨床工程技術研究中心，廣東 廣州 508

肝癌是我國常見的一種惡性腫瘤，為了更好地實現對肝癌的診斷及治療，要求對肝癌病灶的邊界有極高精確度的了解。近年來，隨著光聲成像技術的快速發展，肝膽外科醫生發現，光聲成像高分辨率、高對比度的成像特點，以及血管功能成像的種種優勢，使其在肝癌早期診斷中前景巨大。此外，光聲成像又可以協助光熱療法靶向消滅腫瘤，在肝癌的藥物治療、手術導航及預后中也發揮重要作用[1]。本文主要介紹基于光聲原理的各種光聲成像模式和系統，以及光聲成像技術在肝癌臨床治療中的應用和研究進展。

1 光聲成像概述

1.1 光聲成像基本原理

光聲成像是以超聲作為媒介的生物光子成像法，即當一束短的脈沖（～10 ns）激光經光學元件擴束之后，照射到相應的生物樣品上，此時激光的能量，能夠被組織內的吸收體快速吸收，繼而組織會受熱膨脹，產生相應的超聲波，超聲波將會穿過組織向外傳播，可以被樣品周圍的超聲傳感器探測到[1]。光聲成像技術結合了純光學成像的高對比度特點和純超聲成像的高穿透深度的優點，近年來，它以其獨特的優勢成為醫學成像領域的熱點和前沿。

光聲成像技術同時具有光學成像和超聲成像的優點。首先，在人體生理組織中，超聲信號的散射率最高可比光信號的散射率低1000倍，因此，在光聲成像中利用超聲信號來構建圖像，可以達到高深度、高空間分辨率的目的。然而純超聲成像中，不同組織間光學對比度和分辨率則往往不能使人滿意，而光聲圖像的光學激發則完美地解決了這一問題，以其光學特性彌補了純超聲成像的不足。此外，與傳統的醫學影像技術相比，光聲成像可以選擇性地激發光譜組織，具有極高的特異性，讓光聲成像的功能不局限于簡單的組織結構成像，還可以實現功能成像。光聲成像突破了激光共聚焦顯微鏡、雙光子激發顯微鏡和光學弱相干斷層層析成像等高分辨率光學成像深度“軟”極限（約 1 mm），使光聲成像擁有高達亞微米、微米量級的分辨率[2]。

1.2 光聲成像模式

光聲成像技術已經發展為多種成像應用模式，包括以下成像模式：光聲顯微成像、光聲斷層成像、光聲粘彈成像、光聲內窺成像、光聲分子功能成像及光聲多模態聯合成像技術。

1.2.1 光聲顯微成像 在光聲顯微鏡成像模式中，激光聚焦于被成像樣品的表面并產生光聲信號。為了達到最大的探測靈敏度，光學聚焦透鏡始終使用與超聲換能器相一致的焦距。光聲信號的到達時間可以表示聲源與換能器之間的距離，每次脈沖激光的照射提供了具有深度方向分辨率的一維光聲圖像，然后逐點對樣品各平面進行脈沖激光掃描，就可獲得被成像區域的3D影像。光聲顯微成像從原理上規避了光散射的影響，提升了成像的分辨率和對比度。

1.2.2 光聲層析成像 與光聲顯微成像系統不同的是，光聲層析成像采用非聚焦激光照射成像區域，利用非聚焦或柱聚焦超聲傳感器陣列檢測成像目標區域的光聲信號。在光聲斷層成像系統中，通常是采取單個超聲換能器進行掃描，不采取多個或者換能器陣列，從而簡化系統，降低成本。檢測到光聲信號之后，推導出檢測區域相對光吸收系數的空間分布，并且據此重建成像區域的光聲圖像。這實際上是一個逆推問題的過程。光聲斷層成像必須依賴特定的反演算法來重構圖像。國際上已經發展出多種切實可行的光聲斷層成像重構算法，推導出了三維空間上光聲信號分布與被測聲源的空間分布之間關系的解析表達式[3]。

1.3 光聲成像系統

光聲顯微鏡成像是光聲成像的其中一種手段，根據獲得的空間分辨率的不同，光聲顯微成像系統可分為光學分辨光聲顯微成像系統（OR-PAM）、聲學分辨光聲顯微成像系統（AR-PAM）、光聲層析成像系統（PAT）、光聲血管內成像系統（IVPAI）和光聲內窺成像系統（ESPAI）等。

1.3.1 OR-PAM OR-PAM是一種基于光聲效應的成像方法，OR-PAM系統的突出特點是能夠對組織內微血管的形態和功能進行高分辨率成像。因此，ORPAM正成為研究生理和病理相關組織微循環的有力工具。如圖1所示，在OR-PAM系統中，激光束通過一個偏菱形的透明棱鏡會聚到樣品表面，樣品所激發的超聲信號在偏菱形棱鏡的內部進行兩次反射，被超聲傳感器探測，這樣的設計大大地提高了聲探測的靈敏度[4]。

圖1 光學分辨率光聲顯微鏡成像系統圖

1.3.2 AR-PAM 當成像深度大于光學平均自由程時，由于生物組織中強烈的光學散射，激光不能在這個深度獲得有效聚焦，該情況下，聲學焦點小于光學焦點，光聲顯微鏡的橫向分辨率主要取決于聲學聚焦，這樣的光聲顯微鏡稱為AR-PAM[5]。AR-PAM的激光照射方式可分為亮場照明和暗場照明兩種方式（圖2），圖2a為暗場共聚焦AR-PAM系統的模式圖。激光器的每個光束路徑由多個棱鏡引導，球形錐形透鏡產生環形光束使超聲換能器可以位于光的中心而不阻擋光束傳播。這種暗場同軸幾何結構在成像生物組織時提供深度成像深度和高信噪比，不會引起旁瓣或圖像偽影，降低樣品表面對于光聲信號的干擾。而亮場照明方式能使得目標區域接收到更多得到激光能量。AR-PAM系統可以有效對皮膚損傷、血管分布、皮膚黑色素瘤等實現活體無損成像[6-7]。OR-PAM成像的分辨率更高，成像區域顯示得更加清晰，極微小的血管結構都清晰可見（圖3）。而AR-PAM的優勢在于成像深度更深，提供更加豐富全面的圖像信息[8]。

圖2 聲學分辨光聲顯微成像系統

圖3 OR-PAM與AR-PAM成像對比

1.3.3 PAT 光聲層析成像是一種新型的無損無創生物醫學影像技術。主要是通過將近紅外激光脈沖照射到組織中，被患者紅細胞中攜氧血紅蛋白分子吸收，導致超聲波振動而成像。PAT可以構建主要顯示被掃描組織中血管的圖像，有助于發現早期腫瘤（圖4）。相比其他成像系統，PAT掃描的執行速度極具優勢。PAT突破了傳統高分辨光學成像的深度壁壘，對臨床上診斷早期肝癌有極其廣泛的應用前景[9]。

圖4 PAT對納米金籠造影劑靶向富集監測

1.3.4 IVPAI 在靶血管內放置一個集成多模光纖、光學反射元件和微型超聲換能器的成像導管，在血管內發射短脈沖激光，其中一些被血管壁吸收并轉化為熱能。由于血管壁組織的熱彈性膨脹，產生的熱量進一步轉化為彈性機械能，并作為光聲信號傳輸。血管壁上不同成分的光吸收系數不同，產生的光聲信號強度也不同，可利用成像導管上的超聲換能器接收組織產生的光聲信號[10]。

2 光聲成像在早期肝癌中的應用

2.1 肝癌的生物學特點

肝細胞癌是一種常見的惡性腫瘤，占2012年世界和中國癌癥總發病率的5.6%和12.9%[11]。我國每年死于肝細胞癌的人數超過38萬人，居癌癥死亡第2位，對人民生活和健康危害極大。肝癌早期癥狀隱匿，傳統影像手段難以早期偵測[12]。因此，早診斷、早治療成為避免腫瘤轉移、提高患者預后的重要手段。而光聲成像技術具有空間分辨率高、靈敏度高、穿透力強等優點，能突破成像深度與成像分辨率的限制，有望為早期肝癌早期診斷、早期治療提供一種新的方法。

2.2 光聲技術在肝癌分子/細胞層面的研究

肝臟惡性腫瘤的快速生長需要更多的血液供應，因此血管生成和氧代謝異常是腫瘤的重要標志。血管內血紅蛋白的增加使激光在病理組織中的吸收顯著增強，腫瘤區與正常區的光吸收對比度很高。光聲成像通過對腫瘤微循環血紅蛋白氧飽和度的測量，進一步確定腫瘤微血管的功能變化情況，并已初步應用于藥物療效評價研究中。在氧代謝成像方面，光聲成像第一個獨立實現了氧代謝率的在體測量，有助于早期肝癌的排查和基礎研究[13]。

另外，有研究提出非線性光聲引導波前整形技術，明顯提高成像分辨率和深度，對突破現有高分辨率光聲成像深度具有重要意義[14]。有學者提出的可開關分子探針技術，通過不同波長切換的模式，有效降低了肝組織血液信號對光聲信號的干擾[15]，完善了目前早期肝癌光聲成像和邊界界定的技術。不同學者的研究正在使光聲成像在早期肝癌的診斷、邊界界定中的應用愈加成熟。光聲成像與傳統超聲技術相結合，聯合納米材料、基因組學技術等，建立多學科交叉的優勢平臺，將大力促進早期肝癌的診斷、邊界確定、研究工作。

2.3 光聲技術在動物模型上的研究

肝癌動物模型的相關研究可為臨床肝癌診治提供新的方向，光聲成像的優點使其成為動物實驗成像的優良選擇。

2.3.1 術前診斷 眾所周知，肝癌的早期診斷及肝臟腫瘤邊界確定對于患者的治療和預后尤為重要，而光聲診斷技術的優異性或是解決這一難題的優良方案。

在特異性探針的幫助下，醫生可以通過光聲成像更加精準地了解腫瘤微血管以及細胞因子的變化情況，甚至可助力肝臟微小腫瘤的診斷。例如，有研究團隊報道開發了一種可以在光聲成像和光熱聯合放療中應用的pH敏感放射性標記131I和125I的鈀納米片[16]。也有研究團隊制備了131Ⅰ標記的白蛋白納米顆粒[17]作為一種以肝臟為靶向的雙模探針,在動物腫瘤模型的肝臟疾病檢測中被證明是非常方便的。由于光聲成像在腫瘤血管成像方面的獨特優勢，使之在肝臟腫瘤的檢測中發揮重要作用。另外，有研究者根據肝細胞癌高度表達EGFR的特性，提出利用特異靶向的EGFR多肽，通過光聲成像系統提高體內肝癌轉移瘤的檢出率[18]。

2.3.2 術中導航 雖然光聲成像技術在原理上可以實現早期發現和診斷肝癌，但是在肝臟腫瘤中，目前可以應用的光聲成像分子探針卻很少。研究發現，金納米顆粒具備光吸收面大、光熱轉化效率高等優勢，而且細胞毒性低、生物相容性好，是好的光聲造影劑。近年來，光聲-熒光雙模分子探針成為研究者關注的焦點[17]。

關天培等[19]針對臨床上現有肝癌影像診斷技術的瓶頸，結合術中分子影像技術對于手術導航的重要性，提出構建光聲-熒光雙模分子探針。該分子探針可同時實現光聲診斷和熒光手術導航。該研究分別制備了載吲哚菁綠（ICG）的脂質體和金納米棒，然后將脂質體包被在經mPEG-SH修飾的金納米棒表面，形成具有光聲-熒光雙模成像能力的分子探針（Au@liposome-ICG）。

Au@liposome-ICG夠增強光聲信號，在成像中呈現出優良的性能，是實現肝癌診斷和手術導航的關鍵。雙層脂質分子能夠降低ICG的熒光淬滅效應和聚合效應，使ICG能夠持穩定地發射出840 nm波長的近紅外熒光，從而使肝臟手術中有長時間的熒光成像導航[19]。

還有團隊報道開發了一種Fe3O4-PFH/PLGA納米膠囊[20]，其被證明可作為用于超聲、磁共振和光聲三模態成像的有效造影劑，適用于成像引導下的高強度聚焦超聲協同癌癥手術。

2.3.3 肝癌治療 近年來，腫瘤光熱治療贏得廣泛關注，有研究團隊合成了一種SP94修飾的多吡咯-BSAICG納米顆粒[21]，其在腫瘤組織的積累量很高，而在正常肝臟和脾臟的極少出現，且該納米顆?？梢酝ㄟ^光熱治療有效地殺死腫瘤細胞，在光聲成像中以及光熱療法中前景廣闊。還有研究團隊研制了一種新型的光聲成像納米顆粒（高密度糖聚合物包裹的苝酰亞胺納米粒，PLAC-PDI NPs），可以實現更有效的肝細胞癌光熱治療[22]。此外，也有研究結果指出，在腫瘤光熱治療后，利用MRI和光聲成像技術可有效監測血管通透性和溫度狀態，有助于指導腫瘤光熱治療在臨床實踐中的應用[23]。

2.3.4 藥物療效監測 索拉非尼是一種新型多靶向性腫瘤治療藥物，能夠抑制腫瘤細胞增殖和血管生成，常用于治療肝臟、腎臟腫瘤，在不能手術、遠處轉移的患者也常見應用。在一項研究中[24]，將HepG2-RFP肝癌荷瘤鼠隨機分為索拉非尼治療組（n=21）和對照組（n=20），用光聲成像評估治療前和治療1周后的腫瘤體積和SO2（血氧飽和度）,用熒光成像和組織學檢查評估輻射效率和治療效果。采用腫瘤壞死、凋亡指數和微血管密度評價索拉非尼治療肝細胞癌的療效。治療1周后的檢測結果顯示，肝細胞癌和殘余正常肝臟組織的SO2下降，乏氧誘導因子-1α蛋白表達下降，并與凋亡指數相關。肝細胞癌中ΔSO2與腫瘤組織的壞死及凋亡指數呈正相關，與微血管密度呈負相關。光聲成像測量參數SO2可作為無創性檢測鼠原位肝癌治療效果的有效標志。

3 展望

光聲成像技術不僅具有聲學方法在穿透深度上的優勢，而且具有光學方法在高對比度上的優勢。通過選擇合適的成像方式，光聲成像可以提供多級空間分辨率。并且，光聲成像還能提供生物系統多維度的豐富信息，如解剖、代謝、分子等等，滿足了多領域的成像需求，具有廣闊的應用前景和發展潛力[25]。在肝癌手術方面，光聲成像將與傳統超聲技術結合，形成多學科交叉，對高風險、高難度的腫瘤目標病灶進行肝臟三維可視化分析、肝臟3D 打印評估，有力推動腫瘤邊界精準識別、腫瘤的精準切除。

可以預期在不久的將來，光聲成像將憑借其優越的性能廣泛的臨床應用于人體早期肝癌等各類癌癥的早期篩查和治療，為早期肝癌的篩查、正確診斷、精確定位、精準治療和療效評估等過程提供有價值的生物醫學影像信息。