光聲成像的最新進展:走向臨床

關鍵字：Nexus 128，小動物光聲成像系統，臨床應用，心血管、藥物代謝、疾病早期診斷、基因表達研究、干細胞及免疫、腫瘤生物學，腦神經生物學

光聲成像開始逐步應用到臨床患者的身上，這項技術將對臨床醫學成像，如從早期腫瘤檢測到神經學和無標記組織學研究都將產生革命性的影響。

在今年夏初召開的2012國際光學和光子學會(SPIE)歐洲光子學會議上，來自華盛頓大學(St. Louis)的光聲成像先驅科學家汪立宏在大會主題發言中傳遞出以上振奮人心的信息。在一個熱點論壇中，汪立宏給眾多的聽眾描述了光聲成像的最新進展，包括光聲成像在乳腺癌和黑色素瘤人體體內實驗的應用情況。

光聲成像技術被認為將來有可能替代傳統的掃描方法如磁共振(MRI)和基于X射線的斷層掃描方法。光聲斷層技術(PAT)的優點包括它是非離子化的技術，不需要生物標志物，以及具有極高的分辨率、實時掃描等，因此可以顯示一些常規掃描設備遺漏的細微結構。光聲成像一個主要的局限性在于它的成像深度，但是該局限性也正在被逐步克服，現在它的成像穿透深度可以達到7厘米。

光聲成像的一個較大優勢在于它的可延展性，從單個細胞、直到整個器官、再到小動物的整個身體都可以實施光聲成像。由于顯微成像和宏觀成像不太可能使用相同的造影劑，所以不可能做到觀察成像的延展性。但是因為光聲成像在各個層次都使用相同的造影劑，所以它可以在各個層面上使用。

光產生聲

實際上最早描述光聲原理的是電話發明人貝爾，根據光聲的簡單原理，他搭建了最早的一部“光電話”。現在的光聲成像系統一般使用納秒級的激光脈沖照射到檢測部位上，該部位受熱并發生膨脹。熱膨脹產生聲學信號，由此可以以超聲波的形式來進行接收，重建之后產生的圖像可以顯示出靶部位內部光學吸收的分布情況。

汪教授使用不同位置的三個人聽到雷聲的例子來做比喻，雷聲最初在一個點產生，通過三角測量可以將雷聲產生的點進行定位。在光聲成像中，通過在數百個位置點和多個方向檢測激光產生的超聲波信號，就可以產生出人體組織靶部位的結構圖像。

由于生物組織對聲波造成的散射遠遠低于光子在可見光區域的散射(通常低3個數量級)，這些重構的圖像可以顯示出較高的分辨率。

另外，激光的波長可以用來探測特定的分子，并且由于超聲波信號強度與光吸收水平直接相關，非吸收的分子由此不會產生信號，因而就去除了圖像的背景噪音信號，從而得到更高清晰度的圖像。

華盛頓大學光學影像實驗室一直走在光聲研發的前沿，現在他們擁有一個512通道的超聲波陣列系統，可以重建出完美質量的圖像。小鼠光聲全身掃描平面間分辨率達到100 μm。

臨床進展

光學技術如顯微鏡用來對細微結構成像，非光學技術如X射線和常規超聲用來對較大結構如整個器官成像，光聲成像由于它的可延展性從而“彌補了這兩者之間的鴻溝”。光聲成像已經成為一個快速發展的研究領域，現今光聲技術正由微觀實驗室階段逐步走向宏觀臨床實踐階段。

最初的臨床應用期望用于新生兒腦部成像和前列腺癌的血氧飽和度檢測。眾多的例子可以支持這些展望，其中包括與飛利浦研究部門合作開發的手持式光聲探頭，以及美國Endra公司開發的Nexus 128小動物光聲成像系統。

乳腺癌是另一項早期臨床檢測的應用領域。使用650nm激光器在10 mJ/cm²能量下(美國國家標準研究所American National Standards Institute (ANSI)標準規定能量的一半)，光聲成像顯示可以實施乳腺癌的體內成像，這將會對全球幾百萬病例的篩查產生根本性的影響。

現今的乳腺癌篩查最大的問題是會導致大量切除腫瘤的手術病例。不僅90%的手術是不必要的，而且手術本身將會導致5%的并發癥。使用光聲成像特異性的篩查將會大幅度降低手術和并發癥的比率。

其他的研發工作還包括共聚焦光聲顯微鏡，已經用來對人黑色素瘤皮膚癌進行成像，使用的是金納米顆粒和金納米籠來尋找特異性激素受體來顯示該疾病早期發病征兆。

光聲技術最令人印象深刻的特點就是汪教授預測的應用領域的廣泛性。光聲成像和其變型不僅可提供解剖信息，還可提供功能信息、代謝信息、分子和基因信息等各個方面。近期的例子包括測定血氧飽和度，無標記代謝速率(已知的一種腫瘤發展的早期指示物)和無標記體內組織學檢測等(Endra Nexus 128)。

在一項未發表的研究工作中，光聲顯微鏡可以直接顯示單個紅細胞釋放氧的情形，該項研發工作可使我們探究微循環內部的詳細情況，這也被認為是早期腫瘤形成中的一個關鍵性因素。

臨床成像的革新

在最近的一期美國科學周刊上，汪教授強調了此項新技術如何能夠沖破目前健康篩查方法的局限，他寫道：“將小動物代謝光聲技術擴大至人類將會對代謝性疾病的篩查、診斷、和治療產生革命性變化，特別是在腫瘤和腦脊髓疾病方面。”

將代謝光聲技術縮小至細胞水平將會帶來更多的機會，因為過度代謝是腫瘤最典型的特征，代謝光聲分析可以使得腫瘤早期體內篩查成為可能，而且不使用外源性造影劑。

光聲技術仍然面臨一些挑戰。由骨骼產生的問題，特別是由大塊致密的骨骼如人頭蓋骨產生的干擾，會導致聲學信號的扭曲。同樣需要解決的還有成像深度、由體內氣體產生的散射問題。

光子學的發展如何能夠將光聲成像技術進一步推向臨床應用。對于類似常規CT掃描的深度穿透光聲成像來說，需要視頻-速率脈沖重復(video-rate pulse repetition)的高能量激光器來解決。對于快速顯微鏡或內窺鏡應用來說，則需要具有快速波長調諧的高重復速率(high-repetition-rate)激光器。這些都是從長遠發展觀點來考慮的。但是隨著第一套臨床科光聲成像系統的商業化，當務之急是確保臨床系統能夠通過每種新系統都必需要通過的審批程序。

如果通過了這些審批程序，無論是在基礎生命科學研究成像，還是臨床病例護理成像方面，光聲成像技術和其各種衍生技術將會帶來成像技術的一個革新。

關于Endra Nexus 128小動物光聲成像系統

Endra公司是由輝瑞、默克、強生、雅培、Lilly、諾華諾德、阿斯特拉等七大制藥公司組成的Enlight Biosciences實體投資成立的。Endra發展光聲的歷史可以追溯到2001年，迄今已有11年的歷史，目前Endra已經在腫瘤生物學和探針研發方面開展了3年多的應用性研究。

Endra Nexus 128小動物光聲成像系統原理的發明人正是汪立宏教授，汪教授也是Endra科學顧問團隊成員之一。它是一種新型的無損傷活體成像模式，同時具備光學成像的高對比度特性和超聲成像的高穿透深度特性，可以提供高分辨率和高對比度的組織成像。Nexus 128成像系統既可以實現內源性結構成像，也可以在對比增強劑輔助下得到對比度更高的圖像。它可以應用于心血管、藥物代謝、疾病早期診斷、基因表達研究、干細胞及免疫、腫瘤生物學，腦神經生物學等各研究領域，為科學研究提供更可靠更全面的實驗數據。

關于 汪立宏教授

汪立宏，華中科技大學教授，國際生物醫學光學協會主席、美國圣路易斯華盛頓大學Gene K. Beare特聘教授、教育部長江學者講座教授、德克薩斯A&M大學生物醫學工程專業教授，國際光學工程學會 (SPIE)、美國光學學會 (OSA)、美國醫學和生物工程學會 (AIMBE)、美國電子和電氣工程學會(IEEE)等學會會士。