光声成像在泌尿系疾病的研究进展

黄盛松，刘 博（综述），吴登龙（审校）同济大学附属同济医院泌尿外科，上海 200065

·综 述·

光声成像在泌尿系疾病的研究进展

黄盛松，刘 博（综述），吴登龙（审校）
同济大学附属同济医院泌尿外科，上海 200065

光声技术能对组织内部结构进行非电离、实时分子成像，这个特性使得光声成像在临床医学领域的应用存在巨大潜力。由于光声成像能与现存的超声等成像技术很好地融合，因此其在临床医学中的应用具有较高的可操作性，目前包括泌尿外科等众多学科已开展了相关疾病的光声成像研究。本文就光声成像在泌尿系疾病中的研究进展进行综述。

泌尿系疾病；光声成像；非电离

医用光声成像是近年来快速发展起来的一种基于光声效应的混合模式生物医学成像方法[1]。其基本原理是：不同波长的脉冲激光照射生物组织并被吸收，产生瞬态的微小温升，由于热弹效应，生物组织将释放超声信号，即光声信号；这些信号携带了组织的光学、弹性、热力学和结构等丰富的信息，并且可以通过灵敏度很高的超声换能器检测；接收到的光声信号可以用于重建生物组织的图像，以用于疾病诊断和组织评估。光声成像兼具传统超声成像（如B超）和光谱成像的优势。相比超声成像，可以在结构信息基础上表现生物组织的分子、化学和功能信息，如含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白、脂、胶原、水、黑色素等化学成分的含量和所处位置，以及血流量和血氧饱和度等血流动力学信息。光声的分辨率和超声成像近似，主要取决于超声接收系统的频率和带宽，图像质量大大优于传统光散射成像[2]。因此，利用生物组织的光声效应，光声成像将光学成像的高灵敏度优势和超声成像的高分辨率优势完美地结合在一起。

1 光声成像在临床医学的研究进展

Wang等[3]在2003年首先开展了光声在医学领域的研究，课题组对活体大鼠脑部血管在外部刺激前后的血流灌注特性分别成像，并将计算机断层重建技术首次用于光声成像，实现了光声断层成像术，分辨率优于100 μm，从而在图像质量上取得了重大突破。此后，光声成像在医学领域的研究有了长足发展。在眼科疾病研究中，有多个课题组利用光声成像技术在眼底肿瘤、黄斑退行性变、糖尿病视网膜病变等疾病中开展了研究[4-6]；甲状腺成像中，光声被应用于甲状腺滤泡癌的鉴别[7]；胃肠道疾病中，光声技术结合内镜成像，在病灶的检测中发挥了重要作用[8-9]；乳腺癌研究领域，光声成像可用于乳腺癌的检测，并对前哨淋巴结的显示具有良好的效果[10-11]；心血管系统中，光声成像被应用于粥样动脉硬化、血管内手术操作和循环肿瘤细胞的研究[12-14]；卵巢癌中，光声成像被用于肿瘤的检测及内镜治疗中的辅助[15]；骨关节病中，课题组利用光声开展了关节炎、骨肿瘤的研究[16-17]；皮肤疾病中，光声成像可对黑色素瘤的诊断及分期、烧伤的评估做出有效判断[18-19]；在手术中，光声还能指引切除方向，并能有效评估肿瘤切缘的阴性可能性[20-21]；在放疗中，光声成像能对放射性粒子进行定位，并能引导穿刺针走向[22-23]。在美国和欧洲，光声在乳腺癌和关节炎等疾病上的应用已经进入到预临床试验阶段；在国内，光声技术在包括血管内窥镜等方面的发展和应用也取得了突破性进展。随着光声成像在各系统中研究的开展，其在泌尿系疾病中的研究也取得了一定实质性成果。

2 光声成像在泌尿系统疾病中的研究现状

光声成像在前列腺癌中的研究最多。目前常用的前列腺癌诊断技术，如前列腺特异性抗原、直肠指检和经直肠超声检查等，在癌症早期诊断的灵敏度及特异度上均存在一定局限。而且，目前的检测技术对前列腺癌的侵袭性及预后也无法做出有效判断。光声成像能同时结合前列腺解剖、功能及分子成像，对前列腺癌的诊断有重要意义。在鼠类前列腺癌动物模型中，光声能很好地区分前列腺癌与正常前列腺组织[24]，灵敏度高；Dogra等[25]利用光声检测以区分人前列腺癌组织、良性前列腺增生组织及正常前列腺组织。研究者检测了30例标本中的脱氧血红蛋白、氧合血红蛋白、脂质及水的检测值。结果发现，脱氧血红蛋白及脂质的检测值在前列腺癌组织及正常前列腺组织中有明显差异；脱氧血红蛋白检测值在前列腺癌组织与良性前列腺增生组织中的表达有明显差异。试验灵敏度为81.3%，特异度为96.2%，阳性预测值为92.9%，阴性预测值为89.3%。证实光声成像在区分不同前列腺组织中有重要作用。Bauer等[26]用光声及超声脉冲回波法观察前列腺癌的侵袭发展情况，研究者以携带荧光标记的前列腺癌PC3细胞系在小鼠体内成瘤，3周后观察。用超声显示肿瘤的大小、结构，并以光声显示新生血管及代谢，实验构建的3D模型可以用于评估肿瘤生长的微环境，判断肿瘤的侵袭。此外，应用纳米金作为造影剂能进一步增加光声成像的对比度，获得更好的效果[27]。Levi等[28]研究利用光声敏感性递质AA3G-740对前列腺癌进行检测，AA3G-740能高效地结合前列腺癌组织中高表达的胃泌素释放肽受体，研究者通过观察前列腺癌PC3及LNCaP细胞系的钙离子代谢率以评估AA3G-740结合胃泌素释放肽受体的结合特异性；并通过PC3前列腺癌小鼠模型观察AA3G-740结合胃泌素释放肽受体的体内稳定性。结果发现，AA3G-740能非常特异性地与胃泌素释放肽受体结合，并在小鼠体内稳定表达，即使在新生血管较少的肿瘤组织中也能被光声很好地检测到。

前列腺癌根治术是早期前列腺癌主要的治疗方式，在根治术中，血管神经束的保护是保留患者术后性功能至关重要的因素。Horiguchi等[29]设计了适用于前列腺癌根治术的经直肠光声成像检测系统，用于前列腺癌根治术中的血管神经束的检测。在体外实验中，此系统能分辨直径300 μm的血管，且探测深度可以达到10 mm。临床应用中，课题组对7例不保留血管神经束的前列腺癌根治患者进行了术中监测，发现光声在显示前列腺周围组织的成像上较超声有明显优势，能较清晰地对血管神经束成像，术后与CD31，S-100抗体的免疫组化切片进行对比发现，组织位置与术中光声图像显示的血管神经位置一致。在前列腺癌的治疗中，放射性粒子植入是另一种重要的治疗方式。Lediju等[30]设计了经尿道的光声发射装置，利用经直肠探头接收信号，在无创的前提下克服了光声成像技术在前列腺检查中有效探查距离短的缺陷，在对光声信息进行分析后，能较好地评估光声探测的面积及精度，在对体外及体内模型进行研究后发现，在1 064 nm的波长，2～8 mJ脉冲能量的条件下，能清晰显示距离尿道5～30 mm的放射性粒子。Su等[31]分别在凝胶及组织内植入放射性粒子，然后用光声技术以750 nm及1 090 nm的光源观察，结果发现光声成像显示放射性粒子的对比度优于超声，实验同时发现，750 nm的光源对粒子的光声图像最佳，但当粒子被植入组织内时，1 064 nm的光源成像结果最为理想。

在膀胱疾病中，常规膀胱镜检查往往不能很好地辨认膀胱肿瘤的范围，也不能特异性区分膀胱原位癌与炎性反应。Xie等[32]通过对狗膀胱的光声检测发现，光声3D成像在膀胱癌血管生成及膀胱肿瘤微环境的观察中有重要意义；进一步对人膀胱癌组织与正常膀胱组织进行光声检测，证实光声成像结果与病理结果高度一致，且通过光声检测新生血管的生成判断肿瘤的侵袭程度特异度高，在膀胱癌的诊断及监测中有重要意义。膀胱输尿管反流是常见的小儿泌尿系统畸形，能引起肾脏感染，瘢痕形成，最后导致肾功能不全，目前主要靠排泄性尿路造影诊断及监测，但检查时电离辐射对患者影响较大。Kim等[33]建立了光声成像观察膀胱输尿管反流的模型。研究者将亚甲基蓝注入小鼠膀胱，在1 mJ/cm2的激光能量下，能清晰观察到膀胱内亚甲基蓝的动向，为非电离膀胱造影开拓了一个新思路。Koo等[34]利用单壁碳纳米管作为造影剂对膀胱成像，能清晰显示膀胱的形态，在单壁碳纳米管上结合吲哚青绿后，可使成像效果能增强4倍。此外，光声成像应用于泌尿外科其余器官也出现了前期研究，如Song等[35]用光声对离体及活体内的兔肾脏检测后发现，光声能对12 mm的组织血管清晰成像，对肾功能的观察有重要帮助。

3 展望

虽然光声成像在临床医学领域的研究，尤其在前列腺癌的诊断、治疗中的研究已取得了一定突破，但光声成像的结果仍不稳定，光声图像中信息提取仍不充分。后继研究中，需要精确表达和量化生物样本中包括分子、化学，以及微结构在内的多重信息，充分地发挥光、声结合的独特优势，只有这样，光声技术才能够实现在医用影像领域革命性的突破。

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Research advances of photoacoustic imaging in urologic diseases

HUANG Shengsong，LIU Bo，WU Denglong
Department of Urology，Tongji Hospital，Tongji University School of Medicine，Shanghai 200065，China

Photoacoustic imaging has the potential for real-time molecular imaging deep inside the tissues，using nonionizing radiation，making this technique very promising for a range of clinical applications.The fact that photoacoustic imaging systems can be made compatible with existing imaging technologies like ultrasound favors clinical translation even more.The breadth of clinical applications in which photoacoustic could play a valuable role include urological diseases.In this review，the research advances of photoacoustic imaging in urological diseases are described.

Urologic diseases；Photoacoustic imaging；Nonionizing

R445.9

A

2095-378X（2016）01-0049-04

10.3969/j.issn.2095-378X.2016.01.016

2016-01-05）

黄盛松（1981—），男，主治医师，研究泌尿男科疾病

吴登龙，电子信箱：wudenglong@163.com