近日，上海交通大学生物医学工程学院教授叶坚带领其团队，在光学成像系统方面取得了突破。他和团队将超亮的表面增强拉曼光谱纳米探针，与自制的透射拉曼装置相结合，开发出一款拉曼检测/成像系统，让拉曼光学信号可以穿透 14 厘米深的肌肉组织并进行检测。

相关论文以《在最大允许暴露下的体内表面增强透射拉曼光谱：用于深层肿瘤的光安全检测》为题，发在国际著名出版商Wiley集团旗下科学期刊《Small Methods》上（IF 15.4）。

光学成像：肿瘤诊断的绝佳工具

据介绍，体内肿瘤病灶的无创检测，对于临床医学肿瘤诊疗至关重要。当下，外科手术是治疗恶性实体瘤的主要方法，一些医学成像技术比如核磁共振、计算机断层扫描和超声成像等，虽然可以获得内部肿瘤病灶的位置信息，但是由于采集时间长、仪器昂贵或辐射剂量大等原因，更多被用于术前诊断。与之相比，光学检测和成像方法具有实时、高灵敏、非电离辐射、采集方便等优势，结合外源性造影剂可以提供关于生物体结构、功能和分子的精确信息，是肿瘤诊断的绝佳工具。

目前，多种光学造影剂和导航系统已被开发出来，借此可以使用宽场照明进行大范围成像、或者用手持式探头逐点探测微小病灶。基于吲哚菁绿的分子影像导航，在肺癌、脑胶质瘤、乳腺癌、肝癌和结直肠癌等肿瘤手术中均已实现临床转化，并可以实时、动态地检测乳腺前哨淋巴结。

然而，现有的肿瘤光学检测技术的进一步发展也面临着相关瓶颈：组织穿透深度较低、无法检测深层病灶，主要原因是生物组织对于光子有着强烈的散射与吸收作用。例如，近红外区域肌肉组织的传输平均自由程只有 1-2 毫米。目前广泛使用的背散射式荧光成像技术的组织穿透深度通常只有几毫米，对于 1 厘米以上的深层病灶容易出现漏诊。比如，临床结果显示，基于吲哚菁绿的术中成像，无法检测到距离胸膜深度超过 1.3 厘米的肺结节，从而会造成假阴性。因此，亟需开发一个能够检测深层病灶的光学方法，这对于实现高质量的临床医学诊断也非常重要。

从目前已有报道来看，透射拉曼光谱技术可以实现具有高组织穿透能力的非侵入性检测。但是，透射拉曼光谱技术的最新水平，依旧无法满足实际生物医学应用的要求。首先，之前文献中报道的透射拉曼光谱技术的检测深度或组织厚度，仍远低于与人类相关的数值。例如，人类的腹背距离渊源超过 10 厘米：儿童的平均厚度为 17 厘米，成人为 22 厘米。而使用透射拉曼光谱穿透超过 10 厘米的离体厚组织或活体动物的可行性，至今尚未得到证实。

其次，人们依旧不清楚光子在透射拉曼检测中的传播过程以及测量因素，亦不明确信号受到影响的规律。一般来说，透射拉曼光谱信号不仅受到组织散射和吸收系数的影响，还可能与表面增强拉曼散射纳米探针的亮度、埋藏病变的深度、组织的总厚度等因素有关。评估这些决定性因素之间的关系，也是必不可少的。再次，激光安全性——是光学检测和成像模式在临床转化中长期受到关注的问题。临床激光的光安全性，一般通过最大允许曝光量来评估，即对身体暴露表面造成损害的风险可忽略不计的最高光辐照度或辐射量。

然而，在大多数体内表面的增强拉曼光谱研究里，人们使用的激光剂量远高于最大允许曝光量极限，这在很大程度上阻碍了表面增强拉曼光谱技术的临床应用。针对上述问题，该团队进行了深入研究并，最终解决了光照安全剂量的问题。期间他们也发现了一些新知识：第一，所检测到的透射拉曼信号与病灶在组织中的深度，两者之间呈 U 型关系，这说明当病变位于组织中部时，信号最弱、对透射拉曼光谱的检测也最具挑战性；第二，提高表面增强拉曼散射纳米探针的亮度，是增加检测深度/透射组织厚度最直接有效的方法；第三，激光束尺寸的增大几乎不影响深层病灶的透射拉曼强度，即可采用更大光束的尺寸，来降低激光的功率密度。得益于这些发现，让他们获得了本次成果。

拉曼成像系统，可穿透14厘米深肌肉组织

简单来说，这个系统可穿透14厘米深的肌肉组织并进行检测，它的发展将在很大程度上推进疾病的无创传感和筛查。

首先在光学方面，研究人员利用透射拉曼装置，有望实现活体小鼠深层血管炎症的体内、无创、实时成像；同时，还可通过多对激光探测器或旋转激光探测器，有望实现基于透射拉曼光谱的三维层析成像。另一方面，就是对纳米探针和其信号在组织中传播规律的研究。

研究人员发现，首先，所检测到的透射拉曼信号与病灶在组织中的深度，两者之间呈 U 型关系，这说明当病变位于组织中部时，信号最弱、对透射拉曼光谱的检测也最具挑战性。其次，研究发现，提高表面增强拉曼散射纳米探针的亮度，是增加检测深度/透射组织厚度最直接有效的方法。而激光束尺寸的增大几乎不影响深层病灶的透射拉曼强度，这意味着可采用更大光束的尺寸，来降低激光的功率密度。

该成像系统的优势主要集中在两方面：检测深度和安全性。深度检测能力上，研究人员使用了低至单颗粒检测水平的超亮SERS纳米探针；在临床光安全上，样品表面的激光功率密度低于安全光照剂量阈值。具体来说，因为光在人体组织里的穿透性较差，现在的荧光成像技术通常只能穿透人体几毫米进行检测，所以它无法检测深层病灶，例如，目前广泛使用的背散射式荧光成像技术的组织穿透深度通常只有几毫米，对于1厘米以上的深层病灶容易出现漏诊。主要原因是生物组织对于光子有着强烈的散射与吸收作用。当然也有很多和其他技术相结合的成像系统，但是目前还没有单纯通过光学技术完成对机体10厘米以上穿透的技术。

研究人员首先从理论上发现，降低激光功率密度，同样能实现深穿透。通过理论计算，发现增大激光光束尺寸时，虽然会降低激光功率密度、影响浅表病灶的信号强度，但几乎不会影响深层病灶的信号强度。原因在于，生物组织是高度散射体，光束在组织中传播后都将呈现扩散趋势。因此无论是使用聚焦光束还是扩散光束，对于深层病灶都是一样的效果。这意味着可以直接采用更大尺寸的扩散光束，实现深层病灶的检测，从而显著降低照射到组织表面的激光功率密度。因此，该成像系统兼具了安全性和穿透深度。

有望准确获取病变深度信息，助力制定治疗策略

在当前的临床程序里，通常人们从经皮或术中扫描的医学成像着手，借此确定病变的位置。从治疗策略的设计、到手术规划和手术指导，预估体表以下病灶的深度，对于临床诊断起着关键作用。

例如，在对患者进行光动力治疗之前，精确估计病变的深度有助于确定药物类型、剂量和激光参数。前哨淋巴结活检，通常包括识别和切除前哨淋巴结，准确估计前哨淋巴结的深度，可以缩短手术识别过程，降低前哨淋巴结切除过程中出血的风险。在肿瘤治疗方面，肿瘤深度信息可以用来判断结直肠癌的分期，进而帮助制定治疗策略。

未来我们希望它能够贯穿于整个疾病治疗的过程，发现病变并获取病变深度信息，为患者提供治疗帮助。

文章来源： 上海交通大学，上观新闻，DeepTech