助力肿瘤早期精准诊疗——自动化所成功研发分子影像手术导航设备
癌症是目前威胁人类健康的头号敌人。肿瘤的早期发现和检测对提高病人的生存率和生活质量有着重大的意义，一直以来是肿瘤学基础研究和临床诊疗面临的最具挑战性问题。近一百年来，人类在癌症早期诊疗的道路上不断前行：从上个世纪初的X-ray到70年代的CT，再到本世纪初的核磁共振（MRI），借助医学影像技术的不断进步，人们对癌细胞从“看得到”走向了“看得清”、“看得准”。
今天，中科院分子影像重点实验室田捷研究员率领的团队将智能技术与医学影像技术、分子生物学标记技术相结合，成功研发出分子影像手术导航设备，在“看得清”、“看得准”基础上，实现了“看得早”，对肿瘤的精准诊疗具有重大意义。
敏锐把握世界前沿 多学科交叉融合
分子影像是一种新的医学成像方式，在21世纪初逐步兴起。该技术 通过具有特异性的分子探针，由精密的成像技术来检测，再通过一系列的图像后处理技术，可显示组织水平、细胞和亚细胞水平的特定分子。传统的医学影像方法，例如X线、CT、MRI、超声等，都是针对解剖结构及组织形态的成像技术，无法精确定位微小肿瘤病灶。而分子影像技术恰能探查疾病发生发展过程中细胞和分子水平的异常，在器官和组织尚无解剖结构改变的疾病发展前期检出异常，从而达到对病变早期发现和早期治疗的目的，真正将病变扼杀在“分子状态”。
谈及把分子影像手术导航设备作为重点研究方向，田捷笑称，这是缘于世界分子影像大会期间的一次机遇。
在2009年世界分子影像大会（WMIC）上，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治疗领域的先河。此后，《自然医学》杂志发表了相关的科研成果。这些成果引起了田捷研究员的高度关注。他敏锐地感觉到，分子影像学将会是未来最具有发展潜力的医学科学前沿领域之一。
“能否在国内率先开展相关的研究？”，田捷研究员带着这样的思索与团队成员开始了攻关。
他们与国外同行进行了深入交流，对现有的医学影像方法进行深入的了解和分析，查阅了大量资料。在这个过程中，团队也不断吸纳着各个不同学科背景的人才：光学、物理学、计算机、化学、生物医药、电子电气、材料、机械工程、临床医学等领域的科研人员聚集在一起，大家深度融合，不断碰撞创新的火花。在团队成员的齐心攻关下，将分子影像技术应用于临床诊疗的思路越来越清晰。大家先后攻克了基于生物组织特异性的高阶近似数学成像模型和快速动态图像三维重建算法，建立了较为完整的、系统的光学分子影像手术导航设备数据融合方法，研发出的系统样机通过了国家药监局的检测，获批在临床治疗中进行实验。
目前该套设备已在中国人民解放军总医院、上海东方肝胆外科医院、第四军医大学西京消化病医院等全国10余家医院300余例病人的临床治疗中获得成功实验。分子影像团队的王坤副研究员自豪地介绍说：“过去做手术，为了防止复发和转移，医生一般都根据经验在外围多切一部分，但即便这样，有时候一些远离主病灶的卫星病灶依然成为漏网之鱼。现在有了我们的分子影像手术导航设备，医生就能够清楚地知道肿瘤的具体位置和范围，实现精准打击。”
从算法到硬件 “精准打击”源于多年积累
分子影像手术导航设备是如何做到精准定位肿瘤的呢？
首先需要在患者体内注射一种探针，然后用近红外光照射检测区域。当人体发生病变之后，病灶细胞外部或细胞膜上会产生某些标志性的生物分子（多种类型的蛋白分子），称之为分子靶标。探针与这些分子靶标结合之后，在近红外光的照射下，能够被高灵敏的探测器检测到波长更长的荧光信号。 “手术导航设备”在获取原始信号后，通过一系列的图像处理计算，获得实时影像，从而让医生通过屏幕的动态显示精确定位肿瘤。从近红外光照射到实时显示出肿瘤病灶位置，整个过程仅用短短的五分钟。
然而，这个短短五分钟的过程背后，却是一系列理论和技术难题。
近红外光人眼并不能直接看到，计算机在接收到肿瘤发出的近红外光信号后生成人眼能够识别的图像，这背后依靠的是一套精密的数学模型和算法。
团队成员迟崇巍介绍说，团队在成像理论上进行了一系列的创新研究，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。在此基础上，实现了结构和功能影像数据的多角度、高通量和动态连续获取；并突破了多源数据补偿校正、快速分割、精确配准、实时可视化等关键技术。通过研发基于生物组织特异性的高阶近似数学成像模型和快速动态图像重建算法，建立了较为完整的、系统的光学分子影像手术导航设备的核心成像方法。这些突破先后获得美国发明专利两项，国家发明专利四十余项。
关键成像方法的突破，靠的是十年磨一剑的坚持和积累。从指纹识别到虚拟人，从针刺研究再到分子影像技术，团队负责人田捷研究员带领团队通过十几年的积累，在智能计算方面打下了深厚的理论功底。“没有长期的积累，想要实现新突破是不太可能的。”
需求与研发完美结合 手术室里大显身手
2012年，当第一台光学分子影像手术导航设备样机走出中科院分子影像重点实验室来到汕头大学肿瘤医院的时候，这个新家伙还显得有些稚嫩。迟崇巍介绍说，当时他们在汕头大学肿瘤医院对22例乳腺癌早期患者前哨淋巴结进行精确手术引导切除实验，然后拿这组实验数据与组织精标准进行验证，结果检出率100%，同时病人也未出现任何不良反应。“这个结果让我们所有人都欢欣鼓舞”。
然而，这个实验室的新伙伴刚进手术室的时候，也经历了和临床医生不断磨合的过程。
“能否将无影灯关闭一会？能否给手术室配上遮光窗帘？”迟崇巍的请求让手术室里的医护人员感到那么不可思议。因为设备需要采集荧光，而荧光的光强只有自然光的几千分之一。在伸手不见五指的铅房实验室里，科研人员可以非常方便地采集荧光，但在手术室中受各种光源影响，采集起来却不容易。
随着越来越多的医院使用这台手术导航设备系统，科研人员根据医生的反馈意见不断改进提高，这台分子影像手术导航设备系统技术越发走向成熟，功能也不断扩展。除了可以在术中对乳腺癌肿瘤及微小转移灶进行应用，还可以实现对乳腺癌不同亚型进行术中分子分型，达到术中实时病理的目的。此外，临床医生们又率先把这台设备应用在除乳腺癌以外的肝癌、肺癌、胃癌等多种癌症上，引领科研人员实现了不同肿瘤的分子影像技术应用突破。
如今，不断精进的分子影像手术导航设备在全国多家医院手术室里大显身手 ，“一线的医生对我们的设备评价很高，他们的广泛使用就是对我们工作的认可。现在，我们想把设备拿回来升级检测，好多医生都还不舍得呢。”团队成员董迪高兴地说。
经过这几年的不断磨砺，光学分子影像手术导航设备系统目前已经推出了针对不同手术的多型号第三代样机。王坤副研究员介绍说，第三代样机更加方便易用，贴近临床需求。不仅有针对肝癌、胃癌等腹腔开腹的大型设备，还有针对乳腺癌的小型手持设备，还有针对肺癌的胸腔内窥式设备，可以应用到肺癌的肿瘤微创切除手术之中。医生甚至可以通过像谷歌眼镜的可穿戴设备，实时在眼前看到肿瘤图像，而不再需要通过电脑屏幕。在手持式和内窥式设备中，摄像头和激光发射装置都被集成在非常小的装置中，从而实现小型化和轻量化，方便医生的使用。
创新无止境 探索大数据时代的智能医学
随着光学分子影像手术导航设备系统研制成功，各类荣誉也接踵而至。这项成果曾获得第43届日内瓦国际发明展览会金奖、第21届全国发明博览会金奖、北京市发明创新大赛金奖等。同时也得到国际学术界的高度评价，英国利物浦大学圣海伦斯教学医院教授、英国肿瘤外科协会现任主席、欧洲肿瘤外科协会当选主席奥迪西奥先生（Riccardo A. Audisio）这样评价田捷团队的成果：“对于外科大夫而言，该团队正在研发的术中分子影像精确引导外科手术这一新技术，将会是个体精准手术的下一个巨大进步之一。”
但团队创新的脚步却始终不停。谈及未来目标，田捷研究员十分清晰：“我们在设备研发方面还要更上一层楼，让设备更加贴近临床需求，更加方便医生操作；要寻找靶向性更好、灵敏度更高的探针药物；实现更好的采集效果、更高的分辨率、更强的抗干扰能力等”。与此同时，分子影像手术导航设备系统经过几年的磨砺已经愈加成熟，正在与市场相结合的道路上大踏步前进。
目前，团队又利用多年来肿瘤研究的经验，结合自动化所在模式识别、大数据分析等领域的传统优势，开展影像组学的研究。他们正在研发的“基于肺癌的影像组学分析预测软件”，能够自动地从医学影像，如CT、PET、MRI的图像中，提取近千项肿瘤影像学特征，再通过智能化对比基于大数据分析构建的预测模型，实现对肿瘤的良恶性和早晚期划分，预测病人的生存期，并提供最优诊疗方案的辅助建议。借助这套软件，医生能够通过医学影像手段更加精准地了解患者体内肿瘤状况，制定更加合理可行的治疗方案，并以定量的数据支持辅助患者选择治疗方案，从而最终达到提升肿瘤患者整体治疗效果的目的。这对于肿瘤的早发现、早治疗，同时提高基层医院的诊疗水平有非常积极的意义。该技术目前已经在广东省人民医院等一批三甲医院进行了试点应用，受到临床医生的好评。
美国医生悉达多·穆克吉在《众病之王：癌症传》的前言中写到：“在4000年来的抗癌战斗中，一代又一代的男男女女贡献了勇气、想象力、发明创造和乐观精神……这是一部军事史——但敌人无影无踪，无时无刻、无处不在。”自动化所中科院分子影像重点实验室的科研人员们，用科学和技术的力量，也加入了这一场持久的对抗癌症的战争之中。他们不缺乏勇气、想象力、发明创造和乐观精神，也必将在人类攻克癌症的道路上写下他们的名字。