超聲成像突破衍射極限，有望檢測腫瘤

發布時間：2016-06-01  點擊次數：人次  分享：

       
       2014年的諾貝爾化學獎授予克服了光學成像中衍射極限限制而將熒光顯微成像的分辨率帶入到“納米時代”的三位科學家。受此啟發，研究者們在聲學領域開發了類似的技術以快速獲得精細的超聲圖像。

從很多方面看，超聲波都非常適合用于無創生物醫學成像。超聲波的產生和探測既簡單又廉價，能深入穿透到組織內部而不會造成組織損傷，同時還不會失去其相干性。但由于衍射的存在，傳統超聲成像——正如傳統光學顯微鏡——的分辨率被限制在約半波長的量級。在波長使用范圍為200微米和1毫米之間的臨床超聲應用中，這個分辨率限制了包括小血管在內的很多重要組織的成像。雖然更短的波長能夠獲得更好的分辨率，但它們對于組織的穿透能力又不夠。

　　在光學領域，科學家們已經克服了光學成像中長期存在的衍射極限，將熒光顯微成像的分辨率帶入到“納米時代”，此項技術也榮膺2014年的諾貝爾化學獎。受此啟發，巴黎郎之萬研究所（Langevin Institute，隸屬于巴黎高等物理化學學院、法國國家健康與醫學研究院和法國科學研究中心）的米克爾·坦特（Mickael Tanter）和同事最近開發出一項超分辨超聲技術[1]，憑借這項技術，他們獲得了老鼠大腦血管的10微米分辨率成像，如圖1所示。此項技術運用于人體將有助于檢測能導致血液流動模式改變的癌癥和其他疾病。

　　圖1. 鼠腦皮質血管的超分辨率超聲圖像。顏色代表血流速度：深藍和淺藍部分展現了朝著頭骨方向（向著圖片頂端）流動的血液，紅色和黃色部分則展現了離開頭骨方向的血流。（米克爾·坦特供圖）

　　熒光團和微泡

　　在傳統的熒光顯微技術中，研究者利用熒光分子團（簡稱熒光團）對目標樣本進行修飾，熒光團在受到光激發時會發射特定波長的光。每種熒光團都會產生一個受衍射極限限制的光斑，其直徑為數百納米；所有熒光團產生的光斑重疊合并后便會生成一幅低分辨率的影像。

　　如果來自單個熒光團的光斑能夠以某種方式被呈現出來（譬如，讓周圍的熒光團暫時不發出熒光），其中心——即熒光團所在的位置——就可以被精確定位。2006年的短短幾個月里，三個研究小組基于上述原理公布了各自發明的成像技術[2]，這些研究小組的領導者分別為來自珍妮利亞農場研究所（Janelia Farm）的埃里克·白茲格（Eric Betzig）、來自于哈佛大學的莊小威以及來自于緬因大學的塞繆爾·赫斯（Samuel Hess）。他們通過每次激活一組不同熒光團的方式來對樣本進行重復成像，進而得到了高分辨率的圖像。

　　2009年，坦特和赫斯同時受邀擔當在紐約冷泉港實驗室（Cold Spring Harbor Laboratory）舉辦的一期暑期班的講師，坦特從赫斯那里了解到了這種新穎的高分辨光學技術。之后，坦特便萌生通過類似技術以超聲為基礎實現高分辨圖像的想法，于是他聯合郎之萬研究所的同事——奧利維爾·庫蒂爾（Olivier Couture）和博士生克勞迪奧·埃里克（Claudia Errico）——準備將其付諸實踐。

　　超聲技術利用微米級的惰性氣體氣泡來充當熒光顯微技術中熒光團的作用。這些微氣泡對人體很安全，在被注入血液中以后，便成為超聲的強散射體。因此它們是醫學成像中增強聲學造影的標準手段。研究者們必須使微氣泡表現得像非重疊的點聲源——這是實現超分辨率成像的關鍵因素，但不同于熒光團，微氣泡的散射不容易被關閉和打開，因此他們必須另辟蹊徑。

　　一個可行的解決方案就是使用較少的微氣泡：如果氣泡自身就相距數百微米，那么其產生的超聲信號就不可能重疊。最近，倫敦帝國學院（Imperial College London）和倫敦國王學院（Kings College London）的研究者們一直在嘗試上述方案[3]。他們利用亞波長分辨率對鼠耳血管進行了成像。但利用這種方案構建合成圖像所耗費的時間很長——差不多需要一個小時。

　　坦特和同事從一開始就采取了一種全然不同的策略：他們利用超快超聲以每秒500幀的速度對鼠腦進行成像，并檢查連續圖像之間的差異。在幀與幀之間的較短時間里，大部分的影像區域幾乎沒什么變化，因此每次圖像的貢獻可以互相抵消。但明顯移動或破裂的氣泡會顯示為波長量級的斑塊。這樣，研究者們就可以對這些斑塊的分布進行高斯擬合（如圖2所示），并定位其中心——即氣泡所在位置。通過重疊2.5分鐘內拍攝的數千張不同圖像的氣泡位置，他們獲得了老鼠血管的高分辨率合成圖像。因為能夠追蹤單個氣泡在不同圖像上的變化，因此他們也可以推斷出每根血管中的血流速度，如圖1中彩色部分所示。

　　

　　圖2. 逐點分辨。即便注入惰性氣體微氣泡以增強聲學對比，常規超聲圖像中的鼠腦血管依然不可見（a）；明顯的白色條紋是頭骨。但快速獲得的兩幀之間的差異（b）表現為一組稀疏的彌散斑塊，每個斑塊都是由一個移動或破裂的氣泡所產生的。通過對斑塊的高斯分布進行擬合（c）就可以精確定位氣泡的位置（d）。（圖片改編自參考文獻1。）

　　扭曲的血管

　　通過這項新技術，幾種會干擾血液循環的病癥就有可能被診斷出來。某些疾病，譬如中風，其特點在于通過某些血管的血流量會發生變化；而另外一些疾病，比如癌癥，則會改變血管本身的結構。為了向核心部分提供營養，體積較大的腫瘤必須長出自己的血管，這種血管在很多方面都不同于健康組織中的血管，而且即便較小的早期腫瘤也會影響周邊血管網絡的結構，使原本整齊筆直的血管變得蜿蜒扭曲。

　　保羅·代頓（Paul Dayton）和他所領導的在北卡羅來納大學教堂山分校（University of North Carolina, Chapel Hill）的研究小組，以血管的超聲成像為基礎，已經開發出了區分腫瘤組織和健康組織的計量方法[4]。但他們目前所使用的圖像必須折衷考慮衍射極限分辨率和穿透性的影響，上述新穎的成像技術可以改善超聲成像分辨率，令他們的計量方法更具威力?！八窍喈斄钊思拥囊豁椉夹g，而且與我們的工作非常相關。”代頓說。

　　骨骼是超聲波的強散射體，為了獲得圖1這樣的清晰圖像，坦特和同事必須將老鼠頭骨的厚度從700微米降低到100微米。雖然利用完整頭骨也可以拍攝具備超分辨的圖像，但深部腦區的細節會嚴重缺失。將正常7毫米厚度的人類頭骨變薄顯然是不可行的，因此這項技術目前似乎并不特別適用于腦部檢查。不過坦特也注意到，其他容易罹患腫瘤的器官，譬如肝臟和乳腺，并沒有被骨骼所包裹，因此更容易利用此項技術成像。另外，他還計劃嘗試利用較長波長的超聲來對完整的人類頭骨進行成像。

　　參考文獻

　　[1]. C. Errico et al., Nature 527, 499(2015).

　　[2]. E. Betzig et al., Science313, 1642(2006); M. J. Rust, M. Bates, X. Zhuang, Nat. Meth.3, 793 (2006); S. T. Hess,T. P. Girirajan, M. D. Mason, Biophys. J. 91, 4258 (2006).

　　[3]. O. M. Viessmann et al., Phys. Med.Biol.58, 6447 (2013); K. Christensen-Jeffries et al., IEEE Trans. Med. Imag.34, 433 (2015).

　　[4]. R. C. Gessner, S. R. Aylward, P. A.Dayton, Radiology264, 733 (2012); S. E. Shelton et al., Ultrasound Med. Biol.41, 1896 (2015).

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