同济大学物理学院程茜团队发明“多模态光声分子成像和肿瘤诊断系统”,早期肿瘤诊断无创精准

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发布:2021-10-17 11:22

涂上凉凉的糊糊,圆圆的、滑滑的“扫把”就开始在你的肚子上、脖子上游走。那一边,屏幕上就出现了阴天里、黄昏中原野的景象:灰白、雾霭,成团如黑漆的,迷茫如远山的森林。专业医生根据这幅画面就会告诉你,哪里可能有病变。然后,需要做进一步检查的你,就要去做组织活检进行病理检查来确认是否真的有了病变。“有了多模态光声分子成像和肿瘤诊断系统,一切都变了。”同济大学物理科学与工程学院程茜教授说。这一成果即将亮相于9月15日开幕的第二十二届中国国际工业博览会高校展区同济大学展台。

有了多模态光声分子成像技术,一切都变了

稍有医学常识的人都知道,B超技术发展到今天,可以通过密度和弹性变化很好地确定病灶整体位置和构成形状,但依然不能精准判断病灶的类型等,因此它并不能作为单一确诊某种疾病的证据。近年来发展起来的CT、MRI(磁共振成像)、PET(正电子发射型计算机断层显像)等,都有各自的显著优势,但也存在诸如缺少分子信息、分辨率较低、耗时长等问题。“像B超影像显示肌体某个部位有病变,就要做进一步的穿刺,以取得肌体组织进而展开病理活检。”程茜介绍,病理活检可以反映取样部位内部细胞的形态结构和化学成分分布,提供样本的细胞形态和部分大分子(指相对分子质量在5000以上,甚至超过百万的生物学物质,如蛋白质、核酸、多糖等)分布的信息,但它大多都是有创伤地获取样品,且存在重复取样困难等问题,是不大可能实现动态监测可疑病灶的,因此很难对病情变化展开实时跟踪、动态评估。

程茜教授指导项目组成员进行实验

有了多模态光声分子成像技术,一切都变了。

何谓多模态光声分子成像和肿瘤诊断?所谓多模态在这个项目里是指采用超声、光声和光声谱三种生物识别技术,对肿瘤展开探寻、识别和判断。程茜说,目前常规肿瘤诊断都是利用超声波等对身体组织展开“巡察”来发现目标。而多模态光声分子成像技术则根据监测回声的延迟时间、强弱规律等,获得各个脏器的大小、距离和现状等信息,进而发现身体里的血红蛋白、胶原蛋白、脂质等大分子的可疑变化。然后有经验的医生就可依据病理学和临床医学判断是否病变、功能性障碍的程度等。

多模态光声分子成像和肿瘤诊断系统如何工作?

“如果说B超作出的判断是‘这里可能有栋房子’,即可能有个肿瘤;我们的智能诊断仪就能分辨出,这栋房子有几个房间、哪个房间里有人、有几个人等更为细致的信息,即确定肿瘤是否为恶性、当前状况、哪一区域的情况最差等更细致、更丰富的信息。”程茜介绍,因为“多模态光声分子成像和肿瘤诊断系统”采用了激光照射以激发身体里大分子动起来,用超声成像+光声成像+光声谱成像的方法把信息传递出去,多管齐下从而获得丰富的数据。

稍有光学知识的人都知道,光有很多波段,人体不同组织(如脏器、皮肤、血管等等)对不同波段的光反应程度也不一样,比方说血管喜欢红色光,当红色的光照射它时,它的表现就很活跃,它的回声就会比较大;比如脂肪小颗粒,可能对近红外光敏感,那当近红外波段的光照射时,它的表现就很活跃。

项目组成员使用多模态光声分子成像和肿瘤诊断系统进行实验

“我们用光作为‘向导’,照射腹部、颈部等身体软组织,相应的人体组织吸收光后就会发热,引起膨胀;当光停止照射时,原来的膨胀就会缩回去。一胀一缩,就会产生一个‘声’信号,回传到我们的仪器里。”参与此项工作的博士高雅介绍,人体组织千差万别,回声的大小高低先后等也各不相同。需要指出的是正常的组织与病变组织对光的反应和回声的大小都不相同,当身体发生病变时,组织的血红蛋白、脂肪、胶原蛋白等生物大分子也发生了改变。比如,我们的仪器可以发现胶原蛋白变少了、癌变部位的血管变多变密集了;比如肌体组织的各种分子分布本来是均匀的,现在发生聚集、分散、消失等等,都可以通过这台仪器的检查而获得信息。

项目组成员使用多模态光声分子成像和肿瘤诊断系统进行实验

“举个例子,正常骨头的松质骨呈海绵状,它的截面图像中,可以看到相互交织的骨小梁,骨小梁类似脚手架结构,有助于维持骨骼形态,抵抗压力;当发生骨质疏松时,骨小梁变细或者数目变少,这样它的支撑能力就会下降,也就更易骨折。”从事骨科物理方向的博士生解维娅解释说,我们采用光声结合的方法,构成光-热-力-声的路径,对获得的图像等数据展开骨矿物质、血红蛋白、胶原蛋白和脂肪的比较分析,剖析其大小、含量等的变化数据,一步到位判定病变的性质和程度等情况。

“这样就省去了传统的B超只能告诉你‘这里有栋房子’的尴尬,智能仪器还能进一步告诉你,这栋房子里有多少房间、每个房间里有多少人。”高雅说,如B超能看到房子,但再想往细里看,就要穿刺取样(比如前列腺或者乳腺肿瘤要穿刺采样多达12-24针),病人十分痛苦。我们的设备获取数据后,就可以免除这一环节,从图像数据中直接读取这栋楼里的房间、哪些人在房间里,正在做啥事。如果定期检查,还能发现变化、变化规律,然后做出判断:(写字楼)是白天还是晚上、工作日还是假日。

三级成像技术武装,用户交口称赞

2012年开始,程茜团队在科技部“863计划”的资助下进行光声-超声分子探针成像系统的研发工作,实现了靶向分子探针的在体高分辨率影像追踪。2017年开始,在科技部国家重点研发计划的支持下,她牵头联合同济大学附属同济医院和附属皮肤病医院、南京大学、中科院上海技术物理研究所、深圳华声医疗技术股份有限公司,组织理、工、医交叉团队开展联合攻关,经过近四年的潜心研究,研发出这套“多模态光声分子成像和肿瘤诊断系统”。该系统已在附属同济医院、附属皮肤病医院等多家医院面向人体深部及体表两大类常见肿瘤,开展了动物实验、离体组织实验和预临床实验,即将开展注册检验和正式临床试验。

程茜介绍,这套多模态光声分子成像和肿瘤诊断系统融合了三级成像模态。基础成像模态,是大家熟知的B超,它可以对生物体生理结构进行成像,提供脏器空间信息。中级成像模态,是光声成像,它是利用不同波长的激光去激励不同的大分子振动,因此检测这些振动信号并定位振动源,就可以对各种大分子的形态和分布进行高特异性、高分辨率的成像,提供微血管、脂质、胶原蛋白、骨矿物质等大分子的空间信息。高级成像模态,是该系统的核心技术,即光声谱参数成像,通过对大分子的光声物理化学谱进行分析,提取不同的谱参数进行成像,进一步提供不同大分子微团簇的尺寸和含量信息、不同大分子的尺寸分布信息等。

其中,光声成像和光声谱参数成像是全新的临床影像技术,对血红蛋白、胶原蛋白、脂质、骨矿物质等有很高的敏感性和识别能力,可以认出并辨识其团簇结构、形态和功能等,这样便可轻松实现肿瘤演进追踪,填补了目前肿瘤演进图谱的空白。业内专家介绍,这项技术具有优秀的辨识能力、分辨能力及高空间分辨率和大检测深度等显著优势,相比于其它临床影像技术,这套系统能在无创、无辐射的前提下进行一定深度的生物组织物理化学性质检测,进而展开生理功能检测,是目前唯一的无创在体病理检测技术,填补了临床无创影像诊断技术的空白。

采访获悉,目前程茜团队已经与附属同济医院、附属东方医院、附属皮肤病医院、新华医院、瑞金医院等合作展开脊柱、颅脑、神经、肿瘤、皮肤、血液、眼等研究。附属皮肤病医院王秀丽教授表示,这项技术为皮肤病的临床检测提供了功能性分子量化信息,光声成像的检测深度也可以满足大部分皮肤病诊断的需求,期盼这套新工具早日投入临床应用。

各大医院的医生对这套设备自带的各种“神器”赞不绝口:“光声成像是一种全新的检测手段,这台设备好用!”“光声谱检测功能,不但直接得到图谱,还有更细的量化数据,有了这些量化参数,医生很容易进行疾病分级分类,确定肿瘤是良还是恶。”“激光听上去是一个很危险的东西,这台设备安全性极佳。”“无创性、可重复性对临床检测来说十分重要,这台设备轻松做到,我们觉得它的临床转化潜力很大。”(程国政)

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