中英團隊聯合研發新型內窺技術，助力高效腫瘤檢測

醫生在手術中利用內窺影像來尋找病灶并判斷治療邊界，從而制定手術方案（如切除部位、方式、范圍和深度等）。病灶的精準高效檢測直接影響著治療效果，目前，臨床常用的白光內窺鏡或窄帶內窺鏡，根據色彩信息來區分病灶與正常組織來指導手術操作。

然而，病灶并不總是呈現出明顯的色彩特征。因此，僅依靠色彩信息來識別腫瘤有可能導致漏檢，從而影響醫生在手術中做出準確高效的決策，甚至造成病灶的不徹底切除、活檢部位的不恰當選取等問題。

為了解決該難題，之江實驗室、倫敦大學學院和帝國理工學院聯合研究團隊探索了一種新型的無標記內窺成像技術——偏振測量內窺成像[1]。

該技術通過引入光學偏振這一維度的信息，獲取組織分層結構及其近表散射等重要的腫瘤關聯特征，從而對基于色彩信息的常規內窺成像方法進行補充，更準確地分辨喉部異型增生及鱗狀細胞癌病灶。

圖丨彩色正交偏振顯微鏡下，正常組織的固有層分布有源自雙折射的金黃色纖維狀結構（來源：祁績）

層析內窺成像、顯微內窺成像、光譜內窺等同類技術往往結合掃描裝置，需要較長的采集時間來獲得接近常規內窺的橫向視場與清晰度。

該技術能夠進行實時圖像獲取（視頻級別幀率），且具有與常規內窺及人類視覺相當的視場范圍（104 度視場角）和清晰度（百萬像素級），可以較好地保證對人體組織的術中成像質量，確保醫生能夠協調“手”與“眼”。

“該結果得以實現一方面是采用了我們此前研究中提出的一種簡化的組織偏振測量成像方案[2]；另一方面是結合了分焦平面偏振相機和我們課題組的保偏內窺鏡，使實時高清的偏振圖像采集、重建和顯示成為可能。”該論文第一作者兼通訊作者、之江實驗室副研究員祁績表示。

另外，該技術所提供的對比度來自于癌癥發病過程中組織結構的內在變化，無需外源性造影劑，更容易整合到現有的外科工作流程中，也更容易被監管部門接受。

偏振測量內窺的首次臨床人體試驗初步顯示，該技術可增強喉癌病灶與正常組織間的視覺差異（提升可達十倍）；相比僅依靠色彩信息，通過色彩和偏振的結合，可以提高檢測準確性和區分度（檢測靈敏度和特異性分別提升 9% 與 10%）。

偏振測量內窺作為一種無標記、實時、高清的成像方法，可協助外科醫生感知肉眼難以察覺的組織變化、減少漏檢，有望補充常規內窺鏡開展腫瘤檢測，輔助醫生更高效地切除病灶。

該研究明確了偏振圖像用于喉部鱗狀細胞癌檢測的組織病理學機制，為偏振測量內窺在口咽、食道、宮頸等多個部位的鱗狀細胞癌檢測提供了理論支持。這些部位的癌變中，有近 90% 是鱗狀細胞癌。

審稿人對該研究評價稱：“據我所知，這項研究是首次在患者身上進行偏振測量內窺成像。它展示了令人信服的偏振對比度，對于協助和指導喉部的診斷和手術過程具有臨床意義。主要的貢獻是將偏振內窺鏡轉化到臨床研究階段，并通過令人信服的實驗設計開展了在活體和離體喉部組織成像。”

圖丨喉癌檢測結果對比（來源：Nature Biomedical Engineering ）

該團隊通過在體和新鮮離體組織成像實驗發現，腫瘤區域與正常區域存在不同的偏振圖像特征。但是，他們并不清楚這種差異背后的具體機制。祁績表示：“利用偏振特征推測組織的病理狀況在邏輯上未形成閉環，這個問題一度困擾過我們。”

最初，課題組成員想要重新獲取已經被固定、切割了的組織樣本，并用非線性光學方法來分析其中的偏振敏感纖維成分。后來，他們采用了一種更簡單的方法——用彩色正交偏振顯微鏡來觀察之前實驗的相關病理切片。

“我們意外地觀察到一種金黃色的纖維狀結構，它是由雙折射（一種偏振特性）引起的。”他說。這種結構在空間上有規律地分布：在正常組織中，它主要出現在固有層；在腫瘤組織中，它或者因為上皮增厚而被遮擋在組織近表區域之外，或者因為鱗狀細胞癌對固有層的破壞而消失。

這種現象與該團隊的成像實驗結果相一致，說明偏振測量成像可反映組織層狀結構這一重要病理學特征，為偏振測量成像用于喉癌探測提供了進一步依據。

圖丨相關論文（來源：Nature Biomedical Engineering）

近日，相關論文在 Nature Biomedical Engineering 發表，題目為《外科偏振內窺鏡檢測喉癌》（Surgical polarimetric endoscopy for the detection of laryngeal cancer）。

之江實驗室副研究員祁績為該論文第一作者兼通訊作者，倫敦大學學院丹尼爾·斯托亞諾夫（Danail Stoyanov）教授和帝國理工學院丹尼爾·埃爾森（Daniel Elson）教授為該論文共同通訊作者。

圖丨祁績（來源：祁績）

祁績與團隊致力于從腫瘤病灶精準檢測和手術場景智能感知，推動內窺診療技術發展。此前，為解決傳統偏振測量采集速度慢、圖像重建慢、難以直接用于臨床活體內窺成像的問題。

他們提出了一種結合圓偏照明與全偏振測量成像的方法。用于組織主要偏振性質的估計，可使采集速度提升至少 4 倍、重建速度提升近百倍[2]，為本次新研究中的實時成像奠定了基礎。

此外，祁績與團隊還提出并驗證了一種更為通用的方法，可以準確地分析含有米氏散射顆粒的散射介質[3]，解決了經典的偏振測量矩陣（穆勒矩陣）分析方法在檢測含有米氏散射顆粒的散射介質（如生物組織）時會產生錯誤的問題，也為該研究中的數據分析累積了技術經驗。

下一步，團隊將從兩方面繼續深入開展這項技術的研究。一方面，增加可用內窺實驗系統的數量，以便于在更多的臨床案例中進行試驗和驗證；另一方面，探索偏振測量的方法在食道、宮頸等其他部位的腫瘤檢測上的應用。

在現有研究的基礎上，他們將嘗試多模態的思路，進一步提升腫瘤檢測的精準度和可靠性。“歡迎對內窺診療精準化與智能化感興趣的人才加入我們，也歡迎與有共同愿景的同行攜手合作，共同推動相關技術的發展與轉化。”祁績說。

參考資料：

1.Qi, J., Tatla, T., Nissanka-Jayasuriya, E. et al. Surgical polarimetric endoscopy for the detection of laryngeal cancer. Nature Biomedical Engineering (2023). https://doi.org/10.1038/s41551-023-01018-0

2.Qi J, He H, Lin J, Dong Y, Chen D, Ma H, et al. Assessment of tissue polarimetric properties using Stokes polarimetric imaging with circularly polarized illumination. Journal of Biophotonics，2018;11(4):e201700139. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29131523/

3.Qi J, He H, Ma H, Elson DS. Extended polar decomposition method of Mueller matrices for turbid media in reflection geometry. Optics Letters 2017;42(20):4048-51. https://doi.org/10.1364/OL.42.004048