1、摘 要I硕士学位论文一种荧光手术导航目镜系统的设计与应用研究摘 要在过去的几年里，近红外（NIR）荧光成像技术得到了迅速的发展，并在各个临床的试验中得到了广泛的应用。然而目前临床上应用的成像系统体积庞大，难以被用于正如头颈部肿瘤的手术切除中，因为外科手术医生很难利用这样的系统对深腔内的肿瘤区域进行成像以获取肿瘤图像信息。为了克服目前成像系统的局限性，我们设计了这样一套便携式荧光导航目镜系统用于手术过程中肿瘤边界的评估。该系统由计算机，头盔显示器（HMD ） ，近红外 CCD 相机，微型 CMOS 相机和 780nm 的激光光源组成。CCD 相机与 CMOS 相机分别用于获取荧光图像与背景图像，
2、通过配准把融合的图像实时地显示到头盔显示器上。为了验证系统的可行性，我们在离体的组织上进行了模拟实验。实验结果很好地证明了手术导航目镜系统对于手术的引导与边界检测的有效性。关键词：荧光成像 肿瘤边界 导航目镜系统Abstract2ABSTRACTOver the last few years, near-infrared (NIR) fluorescence imaging has witnessed rapid growth and is already used in clinical trials for various procedures. However, most clinica
3、lly compatible imaging systems are optimized for large and cannot be employed such as during head and neck oncologic surgeries because the system is not able to image inside deep cavities or allow the surgeon access to certain tumors due to the large footprint of the system.To overcome the limitatio
4、n of now exist imaging system, We describe a portable fluorescence goggle navigation system for tumor margin assessment during oncologic surgeries. The system consists of a computer, a head mount display (HMD) device, a near infrared (NIR) CCD camera, a miniature CMOS camera, and a 780nm laser diode
5、 excitation light source. The fluorescence and the background images of the surgical scene are acquired by the CCD camera and the CMOS camera respectively, co-registered, and displayed on the HMD device in real-time. The technical feasibility of the proposed goggle system is tested in an ex vivo tum
6、or model. Our experiments demonstrate the feasibility of using a goggle navigation system for intraoperative margin detection and surgical guidance.Key Words: fluorescence imaging; tumor margin; goggle navigation systemAbstract3目 录摘 要 .IABSTRACT .2目 录 .3第一章 绪论 .51.1 课题背景 .51.2 课题研究的目的和意义 .71.3 国内外研究
7、现状 .81.4 本课题的目标和主要工作 .9第二章 近红外荧光成像技术 .112.1 引言 .112.2 荧光成像系统概述 .112.3 荧光成像系统的关键参数及系统组成 .122.3.1 视场（FOV） .132.3.2 近红外激发辐射度 .132.3.3 荧光激发光源 .132.3.4 荧光成像相机 .152.3.5 荧光成像滤光片 .15第三章 导航目镜系统的设计 .193.1 系统原理及实现 .193.1 系统的硬件部分 .193.1.1 光源 .203.1.2 相机与镜头 .213.1.3 滤光片 .233.2 系统的软件部分 .243.2.1 相机的控制模块 .243.2.2 图
8、像处理算法模块 .273.2 模拟手术现场的工作流程 .31第四章 生物组织的光学特性及仿体的制备 .324.1 生物组织的光学特性 .324.2 生物组织光学仿体的制备流程 .34Abstract4第五章 实验设计部分 .375.1 ICG 水溶液的荧光特性分析 .375.1.1 实验目的 .375.1.2 实验仪器 .375.1.3 实验步骤 .375.1.4 实验结果 .385.2 ICG 水溶液的荧光强度对比 .395.2.1 实验目的 .395.2.2 实验仪器 .395.2.3 实验步骤 .395.2.4 实验结果 .425.2.5 结果分析 .425.3 荧光成像系统配准误差分析
9、 .435.3.1 实验目的 .445.3.2 实验步骤 .445.3.3 实验结果 .445.3.4 结果分析 .455.4 荧光成像系统分辨率测试 .455.5.1 实验目的 .465.5.2 实验步骤 .465.5.3 实验结果 .475.5.4 结果分析 .47第六章 总结与展望 .48参考文献 .49致 谢 .52在读期间发表的学术论文与取得的科研成果 .54第一章 绪论5第一章 绪论1.1 课题背景据联合国最新统计数据显示，全球目前平均每 8 个死亡病例中就有 1 人死于癌症，这比疟疾、艾滋病和结核病导致的死亡人数还要高，而且每年还有1000 多万人被确诊为癌症患者，在这庞大的数据
10、当中，超过 60%的癌症病例主要集中在亚洲、非洲以及南美洲等中低收入国家，其中中国的新增病例和死亡人数首当其冲。中国目前每 6 分钟内就有一人被确诊为癌症，每天将近有 8500人成为癌症患者，每七到八人当中就有一人死于癌症。这一连串的灰色数字使得人们对癌症谈虎色变。虽然目前癌症患者的比例还在不断地扩大当中，但癌症患者的生存率及癌症的控制性已经达到了前所未有的高度，人类对癌症生物层面的理解已经非常深入，癌症的预防、诊断、治疗等手段都取得了相当大的进展，这主要得益于生物医学的不断发展，科学家已经能够从基因水平上理解肿瘤的发生与发展，并在攻克癌症方面取得了显著的进步。目前在肿瘤治疗方面所用的方法主要
11、有：（1）靶向疗法：研究发现，不同肿瘤患者的基因有所不同，比如，即使同是患有肺癌的患者，其对药物的反应也可以完全不同。究其原因，在于肿瘤细胞的基因变化不同。靶向治疗的优势在于，治疗药物可以在细胞分子水平上，特异性地选择结合点，干扰肿瘤细胞的生长，将其置之于死地，而不会波及周围的正常细胞。通俗地说，就是只杀“坏细胞” ，而不错杀“好细胞” 。因此，相对于化疗，靶向治疗不仅精准，而且比较温和，副作用少，患者可以在家中服药治疗，因而也更加方便。（2）肿瘤外科：如今，癌症的外科手术更加精准，微创手术的广泛开展使患者的创伤更小，恢复更快，切口也更美观。临床证据已充分证明了微创手术在治疗癌症方面的安全性，
12、打消了人们的某些顾虑。在不影响手术效果的前提下，肿瘤外科并发症更少、术后引起身体的变形得到更好的弥补。比如，乳腺癌术后接受乳房再造手术的病人比例越来越高，取得的整形效果也更满意，提高了癌症患者术后的生活质量。（3）放射治疗：由于计算机技术、放射物理学、放射生物学、影像学的有力支持，肿瘤的放射治疗技术已经取得了革命性的进步。随着放疗精度的日益提高，精确放疗有效地保证和提高了放疗高剂量落在肿瘤靶区内，而其周边组织和器官处于低剂量照射。放疗在肿瘤治疗中的作用越来越大，世界卫生组织第一章 绪论6统计，癌症治愈患者中的近一半应归功于放疗。（4）药物研发：在现有的 170 多种抗癌药物中，大多数都是近十年
13、研发出来的新药。此外，还有大约 1000 种抗癌药物及癌症疫苗在研发过程中。很多最新开发的抗癌药物，有效地消除了恶心、疼痛、脱发等副作用，给予患者较高的生活质量。同时，另一些新开发的药物较好解决了某些肿瘤治疗的耐药性问题。（5）肿瘤筛查：医学界普遍认为，大约三分之一的癌症可以得到有效预防。其主要方式是：调整生活方式、改善饮食结构和早期筛查。例如，最新研究显示，乙状结肠镜检查能够有效降低结肠直肠癌的发生率和死亡率。与此相反的是，另一项研究得出结论，每年一次的胸部 X 线检查并不能够在普通人群中降低肺癌的死亡风险，因而不主张人们定期做这一检查。虽然治疗肿瘤的方法多种多样，而肿瘤外科是目前治疗肿瘤的
14、首选方法，也是最古老和最有效的治疗方法，该方法是将癌症原发病灶（癌症最初发生的部位）及转移病灶（由原发性转移的病灶）一并切除的治疗方法，该方法现在已经十分成熟，麻醉方法也很完善，病人可以接受安全的、没有痛苦的手术治疗，可以获得比其他治疗方法更多的治愈机会。虽然手术切除方法行之有效，但由于各种不可控因素的存在会导致肿瘤的复发。首先，是肿瘤本身的性质。从病理学的角度来讲，每种恶性肿瘤有各自不同的特点。有的虽然是恶性但又相对温和，我们称之为低度恶性，手术切除后很少复发或转移。而有的生长迅速，侵袭性很强，较易转移，可能肿瘤本身的体积很小，却已经有广泛的淋巴结或血道转移，这种我们称为高度恶性，手术后非常
15、容易复发。第二，病程时间，即从起病到治疗之间的时间。我们以胃肠道肿瘤为例。如果病理诊断为粘膜内癌，则是处于胃癌的早期阶段，及时进行手术切除，复发率低，预后好。如病理诊断为进展性癌或已经伴有淋巴结转移，提示已经是晚期胃癌，手术后复发率较高，预后差。第三，手术范围。恶性肿瘤与周围组织边界不清，医学上常形容为树根样浸润性生长，局部切除范围不够，必然复发。因此选择何种手术方式是医生术前要考虑的重要问题。合理的手术方式既要考虑将肿瘤彻底切除，同时还应兼顾患者身体状况能否承受及考虑患者生活质量等诸多问题。第四，是患者自身的体质和营养状况。患者术前的身体状况及术后的恢复情况能影响机体对抗癌细胞的能力，在较弱
16、的机体中，机体内残留癌细胞的生长可能容易占上风而“死灰复燃” 。反之，如机体免疫力强，可通过自身免疫反第一章 绪论7应消灭残留的肿瘤细胞。因此，加强营养，提高免疫力一直以来都是抗癌的基础疗法。总而言之，肿瘤复发的根本原因在于即使将肿瘤大本营切除，机体内还可能存有少量残留肿瘤细胞，这些细胞通过生长，不断“发展壮大” ，最终导致临床复发。1.2 课题研究的目的和意义以最大限度减少患者创伤为目标的微创治疗和将创伤降至最低点的无创治疗已经成为近年来医学领域的新治疗手段。由于在微创或无创治疗过程中没有生成传统治疗中的伤口，也就无法对病灶进行直接的肉眼观察，因此需要影像的精确导航，以便准确的将病变组织在不
17、扩大病变区域的前提下完全处理掉。通过影像的精确导航，疾病的治疗可以更加准确、系统和完善。分子影像技术不仅可以用于早期发现和精确诊断，还可以为基于影像的手术导航提供强有力的支持，从而极大地推动生命科学和临床医学的发展。对于基于分子影像技术的临床手术导航而言，影像不仅起到导航的作用，同时也起到监控成像和疗效评价成像的作用。与传统基于超声波技术的临床手术导航相比，基于分子影像技术的临床手术导航能够从分子病理水平指导手术，能够实现更精准的手术定位。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
18、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。在医学临床领域，如何早期发现肿瘤组织及如何在手术过程中实现肿瘤的精确定位一直是国际上的挑战问题。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
19、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。第一章 绪论81.3 国内外研究现状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。在 2009
20、 年世界分子影像大会上，2008 年度诺贝尔化学奖获得者钱永健先生报告了如何用荧光显微镜成像引导切除荧光标记的小鼠肿瘤组织，开启了光学分子影像技术在手术导航领域的先河。2011 年，欧洲科学家已经研发出分子影像手术导航的原型系统，并成功应用到人体卵巢癌的临床手术中。中国科学院分子影像重点实验室团队根据前期在分子影像领域的研究基础，研发出光学分子影像手术导航系统，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。（1）FLARE TM摄像系统 1,2FLARETM摄像系统首先是由美国波士顿 Beth Israel Dea
21、coness 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。FLARETM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。FLARETM系统的基本组成：400W 冷光源，其中白光 40000 lux，波长400650nm，其二近红外激发光源之一，技术参数是光强度 4mW/cm2，波长700nm (656678nm)，其三近红外激发光源之二，技术参数是光强度14mW/cm2
22、，波长 800nm (745779nm)，近红外光源采用环行 LED 排列，线性驱动集成；摄像系统包括彩色摄像 CCD， 400650nm 峰值量子率效高,700nm近红外摄像 CCD，689725nm 峰值量子率效高，和 800nm 近红外摄像 CCD ，800848nm 峰值量子率效高,共三种 CCD 同时获取、像素 640480、系统分辩力 125125m (x,y)到 625625m (x,y)、显示刷新 15 Hz、NIR 暴光时间为 100sec 到 8sec，免持光学自动变焦和聚焦。（2）Fluobeam 手持式成像系统 2Fluobeam 是法国 Grenoble 的 Fluo
23、ptics 公司研制，Fluobeam 是手持式成像系统，依据近红外成像原理，具有高灵敏度，可探测到皮摩尔级（10-12）甚至飞摩尔级（10-15）的荧光信号开放式设计。成像速度快，10ms-1s 即可完成清晰成像。开放式的成像设计，不受动物大小的限制，灵活可移动，操作简易等特点，能够在白光下直接检测。目前，Fluobeam 成像系统分为 Fluobeam 700第一章 绪论9和 Fluobeam 800 两种型号，激发波长分别为 680nm 和 780nm，被广泛应用于大动物成像，药物示踪，生物大分子体内示踪，肿瘤成像及体内分布，淋巴结和血管成像，手术实时引导，其他疾病的早期诊断等。（3）A
24、rtemis 手持式成像系统Artemis 手持式成像系统是世界上首个同时采集全色和荧光的医疗成像系统，该系统将手术室成像提升到一个新的水平。能够同时显示彩色图像和点到点荧光叠加图像让这款仪器在精密手术和诊断中变得有价值。该成像系统通过使用一个简单的切换镜头和腹腔镜，可用于外科和微创手术。这款便携式系统的一大优点是体积小,比目前学术界的解决方案提供更好的操作性，具有 800nm吲哚青绿和 700nm 荧光探针成像两种功能，适用于腹腔镜和开放手术。成像系统分辨率是 659494 像素、大约 330000 pixels、图像输出 5.6 x 5.6m、帧频 560fps、读取噪音 30 elect
25、rons、井位能 25000 electrons，还配置390mm 和 190mm 两种型号的腹腔镜。该系统主要应用于心血管、切断术、血管渗漏、前哨淋巴结定位、肿瘤检测等。（4）Novadaq 探测成像系统 3Novadaq 探测成像系统（Novadaqs SPY Imaging System）是由加拿大 Novadaq Technologies Inc.研制，是目前第一个，也是唯一一个被 FDA 许可进行心脏冠状动脉搭桥术后评估通畅度的设备，是整形和重建外科手术，评估游离皮瓣血运的重要工具。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
26、中灵活使用，定量评定手术中的关键步骤。（5）The Photodynamic Eye 成像系统The Photodynamic Eye 成像系统是由日本滨松光电研制，主要用于乳腺癌及其他恶性肿瘤前哨淋巴结定位，术中探查残余肿瘤，胆道造影，冠状动脉搭桥效果评估，脑血管的术中显像，皮瓣血液供应的探查，生物活体的荧光成像研究等领域，其图像感受器是 CCD，发射光源是 LED 。1.4 本课题的目标和主要工作本课题的目标是针对术中导航的需求，旨在开发一种轻型便携式的可佩戴的手术导航目镜，用于手术过程中的荧光造影，服务于实时肿瘤手术边界的评估，使其在影像性能和质量上达到大中型设备的水准，填补医疗影像和导
27、航手术领域的国内和国际空白。第一章 绪论10本文的主要工作包括：（1）方案的提出。调研目前国内外相关的研究工作，针对目前国内外现有的手术导航系统的不足与缺陷，提出自己的设计方案，并分析方案的可行性。（2）系统的搭建。购置相关的硬件设备，整合硬件设施，并从硬件和软件的角度进行相关的研究工作。硬件部分主要是硬件的选型与整合，照明光源的设计与改进等。软件部分主要是相机控制程序的设计，图像处理算法的实现等。（3）系统的测试。主要从实验的角度，如 ICG 水溶液的荧光强度测试，进行系统的灵敏度分析，不同间距与粗细条纹的识别测试系统的分辨率，以及离体的模拟肿瘤切除实验对系统的可行性进行了分析。（4）系统的优化。针对初步搭建的系统的潜在性问题，结合临床上肿瘤切除手术说要面临的问题，进行系统优化与改进。如提高系统的操作性与集成度，增强系统的稳定性，图像处理算法的优化等。
