我国首创的光学分子影像手术导航系统，成果已取得美国发明专利授权1项，国家发明专利22项。这个有自主知识产权的医学影像设备将首先打破我国长期以来高端医疗设备依赖进口的局面。（下图是光学分子影像手术导航系统外观图）

 

 

我们需不需要“谈癌色变”？专家告诉我们，事实上，癌症并没有人们想象的那么可怕。就拿乳腺癌来说，如果能够早期发现并实施治疗，患者5年期生存率可以达到80%。然而，虽然已经有X射线、CT、核磁共振等检测手段，但早期肿瘤的定位是摆在全世界医生面前的一个难题。尤其在手术过程中，能否精确定位肿瘤更成为决定手术成败的重要因素。

 

过去，医生往往凭借经验判断肿瘤边界，这往往导致多切或者少切，对治疗带来不利影响。针对这一难题，中国科学院自动化所的科研人员向《经济日报》记者介绍了一种由我国首创的神奇“导航”系统。它能在乳腺癌、胃癌、肝癌的早期检测和肿瘤切除过程中为医生提供误差在1毫米之内的精确定位，缩短手术时间，大幅减少人为失误。

 

实现“一下子”定位

 

中科院自动化所副研究员王坤告诉记者，这种“导航”全名叫光学分子影像手术导航系统，实体主要由移动主机、支架、超高灵敏光学相机、滤光镜头、液晶显示屏构成。“这个系统的研发是由科技部2011年立项的973计划项目资助，目的是将医学影像技术和分子生物学有机结合，发现早期病变，并将其在分子表达失常状态就及时扼杀。”王坤介绍说。

 

中科院自动化所助理研究员迟崇巍告诉记者：“虽然已有的医学影像设备在术前诊断和术后评估方面发挥了重要的作用，然而随着医学影像学技术的发展，精准医学的临床需求对疾病的治疗提出了更高的标准。如何早期发现病变，如何快速定位肿瘤边界，如何术中评估肿瘤分子分型成为了临床医学领域亟需解决的挑战性问题。而基于解剖结构及组织形态的影像学方式难以应对这种新挑战。”

 

迟崇巍进一步介绍说，在临床手术中，现有医学影像手段无法检测到毫米级及以下微小肿瘤病灶，而不清除又会引起肿瘤的复发及转移，危及患者生命。因此，他们团队提出融合成像新技术方法，并自主研制出光学分子影像手术导航系统，辅助临床医生术中进行精确细胞分子水平手术切除，突破传统手术治疗精度极限。

 

那么，这个“导航”又是如何工作的呢？王坤向记者简要介绍了这一过程：先在患者体内注射分子荧光染料——吲哚菁绿(ICG)，然后用700纳米的近红外镜头照射检测区域，ICG在近红外光的激发下发射出约800纳米的近红外光，“导航”系统将根据这种近红外光和白外光的叠加，计算获得实时影像，从而让医生通过显示屏“一下子”就能精确定位肿瘤，整个过程仅用短短的5分钟。

 

“这种近红外光其实就是人们常见的电视机遥控器上发出的光，所以对人体没有危害。而采用的荧光染料ICG也不会产生传统染料可能带来的副作用。”王坤说。

 

探索10多年的算法

 

如此灵敏高效的定位依靠的是一套探索多年的精密算法。王坤说，这个项目虽然立项时间并不长，可实际上研发人员早在10多年前就在项目首席科学家田捷研究员的率领下开始了相关算法的研究。

 

王坤告诉记者：“一根筷子放在杯子的水中会出现弯曲，这就是光的折射。同理，示踪染料发出的近红外光在人体内也会发生折射。而由于近红外光不走直线，它会在人体复杂的软组织中不停折射，这就给逆向推导近红外光路径、定位病灶边界带来了极大挑战。”

 

在50余人科研团队攻关下，一套精密的数学成像模型顺利出炉。效果到底如何呢？王坤给了一个实例：刚过去的几个月时间里，“导航”样机应用在中国人民解放军总医院(301医院)的28位癌症患者身上，有1/5的病人通过CT等传统成像方式只发现了一个病灶，而用“导航”系统时则能发现额外的微小转移病灶，这也有力证明了这套算法的灵敏和精确。

 

迟崇巍总结了这一项目的创新性：“在技术创新方面，项目在成像理论上提出了创新技术，如荧光图像强度校正技术、自体荧光去除技术，解决了二维荧光光照不均及自体荧光干扰这两个关键性技术难点。整合了医学影像处理技术、分析技术与创新技术，搭建了灵活可用的整体计算框架。在系统创新方面，研制了光学分子影像肿瘤靶向手术导航系统平台，基于光学分子成像技术对肿瘤及其他病灶组织进行实时动态成像，完全是自主研发。”

 

此外，项目还实现了结构和功能影像数据的多角度、高通[微博]量和动态连续获取；在实现多源数据补偿校正、快速分割、精确配准、实时可视化等关键技术的基础上，构建出光学分子影像肿瘤靶向手术导航系统设备信息融合与计算平台，完成多角度信息融合，实现定性、定位和定量分析功能。

 

据了解，目前这种光学分子影像手术导航系统样机已经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，并已在301医院等国内多家医院开展临床验证和试用，成功诊治百余例的乳腺癌患者。而用于“定位”胃癌、肝癌的检测系统也已在北京、上海、广州、西安等地的多家三甲医院开展临床试用，也取得了很好的效果。

 

大步迈向产业化

 

分子影像是将分子生物学与现代医学影像学相结合，应用影像学方法，对活体状态下的生物过程进行细胞核分子水平的定性和定量研究，具有实时、无创、动态、在体成像的突出特点。这个21世纪发展起来的新兴交叉学科，涉及数学、电子信息、计算机科学、软件工程、信号处理、生物学等众多学科。其研究成果已被广泛应用于基因表达、肿瘤生长监测、新药开发等诸多领域。

 

王坤表示，我国在分子影像领域的研究几乎跟国外同步，而从目前的发展情况来看，我们甚至在一些技术上走在了前边。“因为当我们已经开始光学分子影像手术导航系统临床试验时，国外在这方面的论文和专利都还寥寥无几，更别说进入临床试验了。”王坤说。

 

目前，围绕这项成果，研究人员已经发表了一系列高影响因​子期刊文章19篇，取得美国发明专利授权1项，申请PCT专利4项，获授权国家发明专利22项。这样一个拥有自主知识产权的医学影像设备，将首先打破我国长期以来高端医疗设备依赖进口的局面。

 

统计结果表明，分子影像方法的准确率为96%，而传统方法仅为69%，并有18%的患者仅由分子影像方法检出，为原先“盲切”的手术提供了一种精准定位方法。欧洲肿瘤外科协会主席在2014年《自然综述 肿瘤外科》的文章中评价该工作“对于外科医生而言，是个体精准手术的巨大进步”。

 

“利用分子影像手术导航设备，一方面可协助医生早期发现微小肿瘤病灶，提高肿瘤术中检出率，提高病人术后愈后效果；另一方面，可以在术中精确定位肿瘤边界，减少对病人创伤，降低术后复发的风险，因此在手术治疗中具有广阔的应用前景。”迟崇巍说。

 

王坤透露，当前课题组的主要攻关任务是如何将系统灵敏度提升得更高，帮助患者检测定位到更早期的肿瘤。同时，也力争将设备成本压缩到最低，努力实现让这个神奇“导航”更快地应用到大众体检中。

 

“我们现在已经和一些大企业及地方政府开展了有关产业化的交流和合作。我们有信心让它能在5年内真正走出实验室，成为惠及大众的成熟产品。”王坤说。

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