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.2015年5月；62(5):1416-24.
doi:10.1109/TBME.015.2389626。 Epub 2015年1月9日。

用于增强图像引导肿瘤切除的集成广域成像和光谱系统

亚伦·M·莫斯, 迈克尔·曼奇尼, 詹姆斯·普罗旺泽尔, 科里·F·萨巴, 卡伦·康奈尔, 伊丽莎白·W·豪斯, 聂树明

用于增强图像引导肿瘤切除的集成广域成像和光谱系统

亚伦·M·莫斯等。 IEEE Trans生物医学工程. 2015年5月.

摘要

手术后肿瘤复发是一个常见且尚未解决的医学问题，具有重要意义，因为手术是全世界最广泛使用的实体肿瘤治疗方法。肿瘤复发的一个促成因素是术后手术部位或附近残留肿瘤的存在。

目标：本研究的主要目的是开发和评估一种基于近红外、手持式激发源和光谱仪以及宽场视频成像系统的图像引导手术系统。

方法：该系统旨在检测近红外造影剂的荧光，特别是吲哚青绿（ICG）的荧光。对成像系统的光学性能和检测异位小鼠肿瘤模型肿瘤以及犬自发肿瘤中ICG存在的能力进行了评估。

结果：在这两种情况下，静脉输注ICG可提供肿瘤对比度。与周围正常组织相比，在小鼠模型和犬手术标本中，ICG优先积聚在肿瘤组织中。由此产生的对比度足以区分肿瘤和正常组织；在犬外科标本中，对比度足以识别标本边缘表面的肿瘤。

结论：这些结果通过将局部激发和光谱与宽场成像相结合，证明了图像引导手术中的独特概念。

意义：在临床环境下，在患有自发性肿瘤的犬只中容易检测ICG的能力证明了进一步临床转化的潜力；边缘标本表面肿瘤检测的良好结果强调了临床实用性。

PubMed免责声明

利益冲突声明

A.M.Mohs、M.C.Mancini和S.Nie是与本手稿相关的仪器的发明者，这些仪器已获得Spectropath，Inc.的许可，可能需要支付与该技术相关的版税和股份。S.Nie是Spectropath，Inc.的无偿顾问。

数字

图1
图1
具有定向点激发和光谱的宽场成像操作方案。宽视野成像头（中-右）位于手术区域上方。在这种情况下，手持式探头（S）提供定向点激励。宽视野成像系统使用3个摄像头对解剖视图（A）、解剖视图内的激光位置（L）以及解剖视图内发出的任何近红外（NIR）光（N）进行成像。该区域由一个普通物镜（O）成像，收集的光线由镜子（M）折叠，并由二向色镜（D）过滤。未描述宽场成像头内的复杂光学元件（例如准直透镜、带通滤波器等）。摄像机记录的三个视频通道（右上角）和手持式探头收集的光谱信息（中心下角）由计算机系统进行处理，以合成一个复合显示器（左下角），用激光位置和任何检测到的NIR信号显示解剖地标。
图2
图2
当前设备实施的照片。（A）所示为宽场成像头。物镜和准直光学元件（橙色盒子）安装在一个透镜管中，该透镜管与其余部件成90º角安装：一个45º保护的单反镜将光线折叠到系统的其余部分。二向色（品红盒）用于将收集的光按顺序分为NIR（蓝盒）、激光（红盒）和解剖（绿盒）通道。每个通道都有附加的滤光片和聚焦光学元件，安装在透镜管中，然后直接连接到相机。在（B）中所示的是手持探针，其以典型的使用模式沿着几种常见的外科器械的侧面固定。面板（C）显示了手持式和宽场装置之间的空间关系。手术室里，手术组的一名成员拿着笔。
图3
图3
交互式术中指导肿瘤切除的一般工作流程。每个面板左右两侧的图像显示，在肿瘤切除的每个阶段，同一只鼠标在两个位置上使用手持探针。最初，对可疑肿瘤区域进行扫描，以找到肿瘤的边界（a）。然后用标准手术技术切除肿瘤。切除后，重新扫描手术床以发现残余ICG信号（b）。手术床（c）中未检测到ICG信号之前，对手术进行修正。最后，对切除的手术标本进行扫描，以确认ICG积聚和组织学分析的病理相关区域（d）。ICG聚集区域为假蓝色，点激励源指向的区域用红色虚线圆圈表示。补充图2显示了这些图像代表区域的光谱信号。
图4
图4
系统注射ICG优先沉积在肿瘤中，但不沉积在正常组织中。在解剖和成像前24小时，通过尾静脉注射357μg/kg ICG，对裸鼠皮下移植4T1异种乳腺肿瘤进行解剖和成像。（A） 当手持式探头远离肿瘤时，宽场成像系统或光谱仪未检测到ICG发射，并且（A）组织学与骨骼肌一致。（B） 当手持式探头指向肿瘤时，宽场成像系统能够检测ICG发射（青色假彩色），光谱仪能够分辨ICG发射，而（B）增强区域的H&E组织学是肿瘤的特征。（C） 当手持式探头对准异常淋巴结时，宽场成像系统还可以检测ICG发射，这一点已被光谱学证实。（c） 淋巴结组织学CK-18免疫组化显示转移性肿瘤细胞阳性（黄色箭头）。比例尺=200μ。补充图3显示了手持笔系统在肿瘤和淋巴结上下移动时的宽场通道。
图5
图5
自发性纤维肉瘤犬手术标本的术后分析。一只13岁的混血犬在手术前24小时注射220μg/kg ICG，以截除直径为8.5cm的左后腿。（A）术后解剖腿部，通过视觉和触觉检查分析正常组织和肿瘤组织。ICG在肿瘤（C，青色假彩色区域）积聚和沉积，但不在脂肪结缔组织（E）或正常肌肉（B）中。（F） 富含ICG沉积物（肿瘤）的区域显示出独特的光谱特征，这与正常组织（肌肉、脂肪）的广泛、无特征的光谱不同。（D） 在与肿瘤相关的炎症组织中观察到ICG信号轻微增加，与炎症相关水肿中ICG存在的报道一致。补充图4显示了手持式笔系统在野外移动时的宽场通道。
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