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“其貌不扬”导航系统MI 为肿瘤手术“导航”

  2013年,美国哈佛医学院教授JohnVFrangioni提出,近红外荧光成像技术可以为临床医生提供有效帮助,未来十年将在肿瘤术中极具应用前景。在中国,MI从实验室走进手术室,已然让这一设想成为现实。
  近一百年来,人类获取癌症信息的方法不断创新:从上个世纪初的X射线到70年代的CT,再到本世纪初的核磁共振(MRI),借助这些设备,人们对癌细胞不仅看得到还看得清,更能看得准。
  创新无止境。中科院自动化研究所(以下简称自动化所)研发的光学分子影像手术导航系统(MI),让我们不仅对癌细胞“看得早”,而且与以上三种手段不同的是,MI能在手术中从分子层面精准定位癌细胞,为医生“导航”。
  “其貌不扬”的MI
  “这是第一代光学分子影像手术导航系统,那是现在最新的产品化样机。”在中国科学院自动化研究所,助理研究员王坤向《中国科学报》记者介绍了新老几代MI设备。MI看上去“其貌不扬”:普通的液晶显示屏、支架、镜头、可以移动的箱体,外观“温和谦逊”,不如核磁共振等医疗设备看着威风。
  其实,MI极具内涵和实力。“最新的MI设备已在中国人民解放军总医院(301医院)等国内多家医院开展临床应用。”王坤说。无论是术中肝癌微小肿瘤灶的检测,还是乳腺癌、胃癌、前哨淋巴结精确定位手术,MI都大显身手。
  目前手术仍是治疗癌症的最有效方法之一。对于肿瘤边界的精确定位却一直困扰着临床医生及科研人员。通常,医生凭借经验对肿瘤组织进行切除,如果少切可能会造成复发,而多切又会对患者造成伤害。“所以,一种术中提供客观肿瘤边界的方法具有重要的临床应用价值。”王坤说。
  MI是国内成功研制的首台肿瘤术中早期精准定位的临床检测设备。问世不到3年时间,它已成功诊治百余例肿瘤患者,并实现了光学分子影像技术在临床应用的重大突破。
  手术室来了“新伙伴”
  2008年诺贝尔化学奖获得者钱永健教授在2009年世界分子影像大会上的报告中提到:术中客观的肿瘤边界信息获取为手术治疗提供了重要的价值。这也是对分子影像导航技术广泛应用的进一步肯定。
  分子影像导航技术是如何在人体内实现的?自动化所助理研究员迟崇巍解释说,当人体病灶发生病变之后,肿瘤细胞外部会产生某些蛋白靶或酶分子的靶标。人们通过注射一种带有荧光或者核素标记的分子探针,通过配体、受体的特异性结合实现探针在体内的自动寻靶,这样便可通过影像学设备实现在体成像,从而反映出体内肿瘤变化情况。
  2012年,迟崇巍跟随该所研究员田捷开始研究分子影像。那时,他们带着第一台光学分子影像手术导航系统走出中科院分子影像重点实验室,来到汕头大学肿瘤医院。第一台不怎么“漂亮”的MI设备成了手术室里的新家伙。
  根据《新英格兰》杂志的报道,对于乳腺癌I期和II期的病人来说,如果早期发现并实施治疗,其5年期生存率可以达到80%以上。临床操作规范指南明确指出,乳腺癌早期(I期或者II期)腋窝淋巴结阴性的病人必须实施前哨淋巴结活检手术。“我们研发的MI设备,能够在术中客观显示肿瘤及其他病灶的边界信息,这为临床医生手术治疗提供了有效帮助。”迟崇巍说,他们对22例乳腺癌早期患者前哨淋巴结进行精确手术导航切除实验。这组实验数据与组织病理金标准进行验证,检出率为100%,同时病人也未出现任何不良反应。
  随着技术进一步发展,通过光学分子影像手术导航方法一方面可以在术中对乳腺癌肿瘤及微小转移灶进行应用,同时可以实现对乳腺癌不同亚型进行术中分子分型,达到术中实时病理的目的;另一方面该方法不仅可以应用在乳腺癌上,同时还可以在肝癌、肺癌、胃癌等多种癌症上进行应用,实现不同肿瘤的分子影像技术应用突破。
  走出实验室练就“铁骨”
  创新不是拍脑袋想出来的,需要一个团队长时间积累与探索,MI正是如此。它不仅集光学、物理学、计算机等学科知识于一体,走出实验室后,还要有一副经得起临床测试的“铮铮铁骨”。
  最初到汕大医院手术室,MI开始有点“水土不服”。“能否将无影灯关闭一会?能否给手术室配上遮光窗帘?”迟崇巍的要求让手术室里的医护人员感到有些为难。
  这是因为MI需要采集荧光,而荧光的光强只有自然光的千分之一。在伸手不见五指的铅房实验室里,科研人员可以非常方便地采集荧光,但在手术室中受各种光源影响,采集起来却不容易。
  之后,田捷团队与医生、护士不断沟通,终于得到了他们的理解与支持。更重要的是,科研人员精进技术手段,克服了这一难题。
  另一个研发难题是算法。通过对光学分子影像手术导航系统理论及方法的基础研究,自动化所科研人员研发出基于生物组织特异性的高阶近似数学模型和快速动态成像算法,并建立较为完整的、系统的光学分子影像手术导航数据融合方法。前期研发的系统样机已获得国家药监局中国食品药品检定研究院的合格检测报告,验证了系统的安全性及有效性。
  此外,MI还选用了更先进的荧光染料。他们结合新的分子荧光染料——吲哚菁绿(ICG)的特性,在手术过程中提供实时的荧光图像和彩色图像。在实际临床试验过程中,注射ICG3分钟左右,医生便可以看到前哨淋巴结的位置。这样,医生根据MI的引导进行精确定位,准确切除前哨淋巴结组织。切除后,医生还可以根据荧光反馈判断是否有荧光残余、是否达到准确切除的目的。
  不断精进的MI现在是多家医院手术室里的利器:301医院的大夫可以利用MI进行分子影像术中肝门部胆管癌的精确检测;在东方肝胆外科医院,医生可以利用该设备进行肝癌门静脉癌栓方面的检测;珠江医院的医生借助MI开展术中肝硬化微小肿瘤灶检测;西京医院的医生使用这种设备进行胃癌术中前哨淋巴结活检精确定位手术。