近红外光导航手术理论基础

Sylvain Gioux, Hak Soo Choi, and John V. Frangioni

摘要：

生物医学光学领域在过去十年中迅速发展，并对临床产生重大影响。近红外(Near-Infrared Light，NIR)荧光成像通过为外科医生提供实时图像引导鉴别病变组织，具有革命性的意义。为了将此项技术成熟用于临床，需要特殊的成像系统和近红外荧光造影剂。本文介绍了近红外荧光成像的原理，分析了现有的近红外荧光成像系统，讨论了有关荧光显像的关键环节。

前言：

外科手术中一直存在一个不能满足临床需求的事实，即由于可见光不能穿透血液和组织，因此当外科医生观察手术区域时，只能看到表面特征，无法发现深层次的结构比如肿瘤、淋巴结、血流等。这点意义非常重大，因为全美每年有超过4000万例外科手术，所以哪怕微小的改善或提高都会影响大量患者。例如，即使运用现代手术技术，仍有20%-25%的乳腺癌会因看不清深层结构而无法被完全切除，并且12%-28%的局部复发率高的令人无法接受。此外，仅在美国，每年就有20,000至600,000名患者在各类手术中发生神经损伤，导致了术后神经痛及功能丧失。

美国国家癌症研究所(NCI)、国家生物医学成像和生物工程研究所(NIBIB)和国家科学基金会的癌症成像计划(CIP)认识到光学成像的一般潜力，特别是近红外荧光对改善人类手术的潜力。在过去的十年中，美国国家科学基金会（NASF）在这些技术上投入巨资。这种投资的回报是相当快速的临床前验证、首次人体临床试验，以及现在用于图像引导外科的NIR荧光成像系统的商业可用性。

近红外荧光成像利用近红外光的深光子穿透到活体组织中的能力，快速、精准、简便的提供深度<1cm处的组织成像，着重于检测在700至900nm之间发射荧光的外源性对比剂。简言之，它由特殊光源(发光二极管或激光二极管)发出近红外光激发特殊介质（吲哚菁绿）释放荧光，然后由特殊的感光元件采集荧光信号，最终成像。

关键参数：

视场（Field-of-View，FOV）：可调节的FOV是外科成像所必需的。通常，最大FOV的直径应至少为10cm(4")，最好为20cm(8")，以适应各种外科手术所需。为了发现微小肿瘤或避免神经损伤，还应确定最小视场值，优选在1-2cm的范围内。最大FOV越大，光源所需的总功率就越大，实现期望