近红外光学成像辅助手术导航的研究进展（一）
近年来，由于分子影像学技术的不断发展，继放射性核素成像、正电子发射断层扫描、单光子发射计算机断层和磁共振成像之后，出现了高分辨率的体内光学成像，其中近红外荧光成像倍受关注，目前前哨淋巴结成像、评价冠状动脉搭桥术后通畅度、术中识别肿瘤、医源性胆道损伤的诊断、以及淋巴管和血管的成像等都应用了近红外荧光成像技术，逐步形成了近红外荧光成像辅助外科手术导航的新的医疗技术、新的医疗设备和新的临床学科，现就有关研究进展综述如下： 1．外科诊疗与图像技术 外科手术过程中外科医生主要依据组织的色泽、质地、形态进行肿瘤的切除，所以判断切除的范围与医生的临床经验和切缘的病理阳性率有关。进一步研究认为医生在术中能够得到实时的肿瘤解剖结构图像，将提高手术成功率、降低手术创伤、减少医疗费用、避免手术意外发生、促进病人康复。而放射性核素成像、正电子发射断层扫描、单光子发射计算机断层和磁共振成像等成像设备不可能搬到外科手术室，而且这些成像设备在操作过程中对医生和病人有一定的损害，所以需要进一步探索，手术过程实时成像、操作方便、非侵入、无损害的技术。 2.近红外光的生物学特性[1] 光穿透组织的能力与组织吸收光的强弱、光波的特性、生物组织结构及其物理化学特性均有关系。650～900nm的近红外光（Near-Infrared，NIR）被称为“组织光窗(Tissue Optical Window)”，与可见光相比具有：⑴生物组织对此波段近红外光的吸收和散射效应最小，与可见光相比近红外光可穿透更深层的组织；⑵由于生物组织对此波段近红外光的自体荧光较小，信背比（Signal-to- background ratio，SBR)相对高等优点，有可能成为未来临床医学在体实时成像的重要理论。 3.近红外光学成像的基本原理[2] 生物体内的细胞或某种大分子标记荧光染料或报告基因基因时，应用体外特定波长的光波照射，穿过组织的光线，激发这些荧光材料发射荧光，体外光学影像设备摄取这些发射出的荧光，形成光学分子影像，这种光学分子影像将真实反映体内某种基因的表达或大分子的生物学特性，并动态记录和显示分子事件及其动力学过程。然而，近红外光人眼看不到，需要特殊的光学成像系统，以近红外荧光团为造影剂，当一种波长的近红外光照射外科手术野时，手术野发射出另外一种波长的近红外光，摄取这种发射的近红外光可以精确确定近红外荧光团的位置。当近红外荧光团标记到活体细胞、组织和器官时，通过手术野中的近红外光就可以显示组织的结构和病变部位。目前吲哚青绿作为近红外荧光显影剂，采用近红外光成像已经在乳腺癌、胃癌和结肠癌的临床治疗中应用。 4.近红外光学成像系统[2] 2002年美国波士顿Beth Israel Deaconess医学中心首先介绍了第一代外科成像系统，该系统可以实时摄取彩色和近红外荧光，最大的特点是既能摄取近红外荧光，又能看到手术野的解剖结构，系统被称为荧光辅助切割和探测外科成像系统（简称FLARETM），多年来该系统主要在大动物上进行外科手术的研究，有望应用到人类外科。目前美国波士顿Frangioni实验室、日本滨松光电、法国Fluoptics公司、加拿大和荷兰等研究机构从事相关研发。 4.1近红外光学成像系统的基本结构[2] 近红外光学成像系统主要包括近红外激发光源、近红外荧光造影剂、高灵敏近红外荧光摄像机、计算机及其图像处理软件等。 4.2近红外光学成像系统的分型 Ⅰ型：FLARE™ 摄像系统 FLARE™摄像系统首先是由美国波士顿Beth Israel Deaconess医学中心和乔治亚州立大学在2002年研制成功，FLARE是 fluorescence - assisted resection and exploration的缩写，即荧光辅助切除和探测。 FLARE™设计的基本方案是在外科手术时，显示器上既能显示外科手术的解剖结构，还能显示肉眼看不到的近红外荧光，并且能够重叠在彩色图像上。FLARE™系统的基本组成：⑴400W 冷光源，其中白光40,000 lux，波长400～650nm, 其二近红外激发光源之一，技术参数是光强度4 mW/cm2， 波长 700 nm (656～678 nm), 其三近红外激发光源之二，技术参数是光强度14 mW/cm2，波长800 nm (745～779 nm)，近红外光源采用环行LED排列，线性驱动集成；⑵摄像系统包括彩色摄像CCD， 400～650 nm峰值量子率效高,；700 nm近红外摄像CCD，689～725 nm峰值量子率效高, 和800 nm近红外摄像CCD ，800～848 nm峰值量子率效高,共三种CCD同时获取、像素640×480、系统分辩力125×125 μm (x,y)到 625× 625 μm (x,y)、显示刷新15 Hz、NIR 暴光时间为100 μsec 到 8 sec，免持光学自动变焦和聚焦。 Ⅱ型：Fluobeam®手持式成像系统[3] Fluobeam®是法国Grenoble的 Fluoptics公司研制，Fluobeam®是手持式成像系统，摄取2D体外荧光，Fluobeam®有一个花冠状LED发射近红外光，能够在白光下直接检测。Fluobeam®分为Fluobeam® 700和Fluobeam® 800 2种型号。 Ⅲ型：Artemis™手持式成像系统(www.O2view.com). Artemis™手持式成像系统是彩色和荧光双重CCD手持式摄像系统，实现全彩实时荧光成像，具有800nm吲哚青绿和 700nm荧光探针成像2种功能，适用于腹腔镜和开放手术。成像系统分辨率是659×494像素、大约330,000 pixels、图像输出5.6 x 5.6 μm、帧频5～60 fps、读取噪音30 electrons、井位能25,000 electrons，还配置390 mm和190 mm 2种型号的腹腔镜。 Ⅳ型：The Photodynamic Eye The Photodynamic Eye是有日本滨松光电研制，主要进行非损伤床旁定量评估组织灌注量，图像感受器是CCD，发射光源是LED 。 Ⅴ型：Novadaq探测成像系统[4] Novadaq探测成像系统（Novadaq''s SPY Imaging System）是由加拿大 Novadaq Technologies Inc.研制，是第一个，也是目前唯一一个被FDA许可进行心脏冠状动脉搭桥术后评估通畅度的设备[5]，是整形和重建外科手术，评估游离皮瓣血运的重要工具[6,7]。还可应用于器官移植，小儿外科和泌尿外科等领域。Novadaq探测成像系统重要的功能之一是能够在手术室中灵活使用，定量评定手术中的关键步骤。 如图4：整个系统被放置在一台移动车上，由 ⑴激发光/摄像机, 摄像机是30帧频/秒的CCD；⑵显示器，远端控制中心；⑶中央处理系统；(⑷激光发生器，激光发生器的输出功率是2.0 W，摄像机和激光输出伴行，激光在心脏的照射面积是56 cm2 (7.5 cm×7.5 cm) 开发手术时镜头距心脏30 厘米。
