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1、浅论功能近红外光谱对激光诱导间 质热疗法治疗肝癌实时在位疗效评 估的初步研究【摘要】目的：探讨功能近红外光谱（fNIRS）实时在位监测肝癌激光热疗的敏感 性、可行性。方法：体外培养H22肝癌细胞，建立小鼠的肝脏原位移植肿瘤，分不同 时间相同功率及不同功率相同时间组分别 对肝肿瘤进行激光热疗,同时利用fNIRS监 测系统对热疗过程进行实时监测获取相关 参数，术后第1天利用核磁共振（MRI）及病理 学检查确定肿瘤毁损范围。结果：以病理学结果为激光疗效判断标准，在相同时间不同功率组MRI在未提示损伤，fNIRS监测系 统获取的优化散射系数（n s）出现稳定的平 台期；相同功率不同时间组 MRI 一直
2、未提示 组织损伤，而（1 s在150s出现稳定平台期。 结论：fNIRS相对目前主要的肿瘤热疗监测 手段MRI更加敏感，为开发实时在位激光诱 导肿瘤间质热疗精确治疗系统打下基础。【关键词】功能近红外光谱；肝脏原位移植 肿瘤;激光间质热疗；优化散射系数；核磁 共振；小鼠激光诱导肿瘤间质热疗(laser induced interstitial thermotherapy,LIIT)是将激 光通过光纤导入到肿瘤组织内部并从加入 头表面发出，肿瘤组织吸收激光能量而被加 热，由于过热和凝结效应而坏死，它是一种 可使局部生物组织凝结坏死的新型肿瘤热 疗技术，广泛用于治疗脑、肝脏、乳腺等各 部位的肿瘤和良
3、性前列腺增生1 2,但LIIT过程中的实时评估是目前激光治疗的 一个技术难题。本实验利用功能近红外光谱 (fNIRS)系统对LIIT进行实时监测，与核磁 共振(MRI)评估效果相比较，初步探讨fNIRS 方法的敏感性及可行性。目前国内外还没有fNIRS应用于LIIT的报道。1材料与方法实验动物、细胞及仪器清洁级昆明小鼠55只，雌雄对半,46 周龄，体重1820g(南京青龙山实验动物繁 殖场提供)；H22肝细胞肿瘤(北京肿瘤研究所提供）;808nm激光发射器（NL FC 763LASER LIGHT,海恩耐激光厂）;fNIRS监测系统（南京航空航天大学生物医学工程系基 于平台开发）;（江苏省分子
4、影像与功能影像 重点实验室提供，德国Bruker公司生产）。建立小鼠肝脏原位移植肿瘤模型小鼠肝癌细胞株H22体外常规传代培养 离心后用PBS重悬成浓度达107ml-1的单细 胞悬液。75%酉精棉球消毒小鼠皮肤，将 2X 1063X 106（约）的单细胞悬液接种于 小鼠右腋窝皮下，建立小鼠皮下移植瘤模型。 皮下移植瘤建立3周左右待其长至直径约大 小时，颈椎脱位法处死皮下荷瘤鼠，消毒皮 肤，取下肿瘤，浸入含100U ml-1青霉素和 100从g - ml-1链霉素的1640培养液中，去除 中央坏死组织，选取周围健康肿瘤组织剪成 大小约的瘤块供原位移植用。1%戊巴比妥钠 （10mg kg-1）腹腔注
5、射麻醉昆明小鼠，75% 酒精消毒皮肤，上腹正中行的纵行切口 ，暴 露肝脏左叶，无菌眼科剪于左叶横行戳一长 约3mm勺破口，棉签压迫止血，将瘤块植入肝 脏，6 0可吸收缝线缝合肝脏。适当棉签压 迫止血，待止血彻底后6 。可吸收缝线分层 缝合腹部肌层及皮肤，金霉素软膏涂抹切口。实验动物分组46只小鼠成功建立原位肝脏移植瘤模 型，将42只分为相同时间不同功率组，即 亚组、亚组、亚组和对照亚组(未行热疗)； 相同功率不同时间组，即亚组、亚组和亚组； 每亚组小鼠7只。肝肿瘤LIIT及fNIRS监测1戒巴比妥钠(10mg kg -1)2/3量腹腔 注射麻醉原位移植肝肿瘤小鼠，无菌操作下 原切口打开腹腔，暴
6、露肝脏肿瘤。fNIRS系统 定标后，小鼠四肢固定，将激光探头、温度探 针和fNIRS探头一并插入肿瘤中心并固定之 开启激光发射器，进行激光热疗及fNIRS系 统监测，获取相关参数(优化散射系数 p s)。 完毕后6 0可吸收缝线分层缝合腹部肌层 及皮肤，金霉素软膏涂抹切口。激光热疗前后MRI影像对比热疗前1d及热疗后第1天，1%戊巴比 妥钠(10mg kg -1)1/2量腹腔注射麻醉加异 氟烷吸入麻醉原位移植肝肿瘤小鼠后行上 腹部核磁扫描（T2像），获取激光热疗毁损前 后肝肿瘤影像。热疗、MRI扫描后肝肿瘤病理组织学检 查在上述激光热疗、扫描后立即处死小鼠 取下肝脏肿瘤标本，行病理组织学检查，
7、以 确定肝肿瘤坏死程度及范围。统计学处理采用统计软件包，应用单因素方差分析 法进行分析。2结果相同时间不同功率组亚组、亚组、亚组和对照亚组温度变化 趋势如图1所示。我们看出激光输出功率越 大温度上升越高，但大致都在热疗后60s左 右到达平台期,4亚组平台期温度差异有统 计学意义，见表1。图1相同时间不同功率 组温度变化趋势图亚组、亚组、亚组和对照亚组热疗中s趋势如图2。我们看出激光输出功率越 大，从s曲线上升越快，到达平台期时间越短 且平台越高。亚组140s前后上升至平台期，亚组在120s前后升至平台期，亚组90s前后 升至平台期。4亚组平台期（1 s差异有统计 学意义，见表1。表1相同时间不
8、同功率组 温度与优化散射系数比较大致为平台期；4亚组温度比较均取平台期 105s点温度值；4 亚组优化散射系数均取平台期145s点s值。4亚组温度采用one way ANOVA分析 得f=,。4亚组优化散射系数采用 one way ANOVA分析得F=,亚组、亚组和亚组激光热 疗前后核磁对比，见图35。亚组热疗前后 核磁影像并无明显差异；亚组热疗后肿瘤中 央坏死区增大，和周边组织出现较明显分离 线，但并未显示肿瘤周边坏死区；亚组术后 肿瘤周边则出现较明显的炎症坏死区。对照亚组术前、术后无变化（未行热疗）。亚组、亚组和亚组激光热疗后病理组织 学变化，见图68。亚组瘤体周边肿瘤细胞 未见明显损伤，
9、但可见少量炎症细胞掺杂； 亚组和亚组瘤体周边细胞则出现明显坏死 及水肿炎症细胞，且后者比前者炎症更加明 显。对照亚组术前、术后肿瘤细胞无损伤（未 行热疗）。9。相同功率不同时间组亚组、亚组和亚组温度变化趋势见图统计学显示3个亚组平台期温度差异无统计 学意义，但持续时间不同,见表2。图9相同功率不同时间组温度变化趋 势图亚组、亚组和亚组11 s变化趋势见图10。 我们看出3个亚组变化趋势基本一致，亚组 并未到达平台期，而亚组和亚组均到达平台 期，且平台期持续时间不同，两者平台期ns 差异无统计学意义，与组差异有统计学意义 见表2。表2相同功率不同时间组温度与优 化散射系数比较1） 75s 至15
10、0s大致为平台期，取105s 点温度值;2）未升至平台期，取120s点（1 s 值;3） 110s 至150s大致为平台期，取145s 点p s值。3亚组温度采用one way ANOVA 分析得F=，P=。3亚组优化散射系数采用 one way ANOVA LSD分析得：亚组和亚组比 较P=，亚组和亚组比较 P=，亚组和亚组比较 P=亚组、亚组和亚组激光热疗前后核磁影 像对比，见图11、图4和图12。得知亚组热 疗前后核磁影像无明显差异；亚组热疗后肿 瘤中央坏死区增大，和周边组织出现较明显 分离线，但并未显示肿瘤周边坏死区；亚组 中央坏死区明显增大，瘤体周边亦未显示明 显炎症坏死区。亚组、亚
11、组和亚组激光热疗后病理组织 学变化，见图13、7、14。亚组瘤体周边肿瘤 细胞核浓缩，周边出现少量炎症水肿细胞； 亚组和亚组肿瘤周边则出现明显水肿炎症 细胞，后者出现更为严重、范围更广的水肿 炎症带。3讨论1983年LIIT由Bown首创用于治疗实体 瘤。2年后,Hashimoto等首先报道了激光治 疗肝肿瘤。随着影像技术的发展、激光设备 的不断完善和临床应用经验的积累，激光热 疗治疗肝癌已获得良好的临床疗效。但由于组织参数不同，以相同功率的激光在相同的 时间内对不同组织行热疗，和以不同功率的 激光在不同的时间内对相同组织进行热疗 的组织毁损范围不尽相同，所以热疗中监测 方式对LIIT疗效起重
12、要作用。目前，国内外LIIT监测方式研究主要集中在 4个方面。(1)计算机控温方式：肿瘤中心热电偶测温 及反馈的效果很难控制，而且也很难直接和 肿瘤的组织参数关联。(2) LIIT术前模拟治 疗计划：术前通过MRI检查得到病变的影像 学资料，采用数学方法建立热弥散方程，计 算出最终毁损范围。这种方法粗糙，不能反 映热疗的实际疗效。(3) MRI监测方式：MRI 具有良好的软组织对比度、空间分辨率、多 轴成像能力以及对温度变化的高度敏感性，是LIIT监测的一种理想方式，但 MRI成像 和实际热疗过程中组织毁损范围间有一定 的延迟。(4) MRI热根据光磁流量方法 (photon resonanc
13、e frequency method), 采 用 2D FLASH(two dimensional fast low angle shot)序列技术在 MRI上得到LIIT时 组织内部温度变化的图像，再用计算机软件 进行色彩编码处理，生成热图(能够反映C 温度的变化)，使操作者能够及时掌握热疗 过程中热疗区域的温度变化，但这种方法操 作复杂。生物组织是由不同大小、不同成分的细 胞和细胞间质组成的，是典型的光的混浊介 质，同时存在光的吸收和散射。生物组织凝 固的温度范围定义 5595C温度条件下组 织蛋白的不可逆热损伤。热凝固或病变的生 物组织会产生组织组分和结构的变化 7 9,导致组织的光学特
14、性也产生变化。 研究表明,热作用下生物组织的光学特性会 产生明显的变化，尤其是生物组织对光的散 射特性的改变更为显着W 13。因此，散 射系数的变化可作为判断热疗过程中目标 组织是否坏死的重要依据。生物组织对于近 红外区域的光(7001200nm)M有相对的透 明性,fNIRS技术利用近红外波段光对组织 的良好通透性及不同组织分子在该波段的 光学性质差异，通过获取吸收系数、散射系 数等,达到对组织结构精确定性、精准测量、 精细定位。本实验的相同时间不同功率组与对照 亚组比较,3个治疗亚组肿瘤中心温度均到 达70C以上，足可使肿瘤中心部位凝固坏死。 因为激光功率不同产生肿瘤毁损严重程度 不同,从
15、病理切片上我们看出亚组瘤体周边的肿瘤细胞没有明显损伤，亚组和亚组肿瘤 周边正常肝组织则受到不同程度的损害。术后亚组和亚组未明确显示肿瘤毁损坏死影 像，亚组周围则可见坏死区域。相对 MRI,fNIRS所获取 从s则出现明显的不同平 台期,提示组织受损程度不一,和病理切片 结果相对应，即不同的p s值对应不同的组 织损伤程度。相同功率不同时间组 ，肿瘤中 心温度同样到达70C以上,术后病理学检查 3个亚组均出现不同程度肿瘤周边损伤。MRI3个亚组均未明确提示肿瘤周边损伤程 度及范围。fNIRS所获取（1 s,亚组因为时间 短并未上升至平台期，表示激光热疗并未完 全，病理损伤相对亚组和亚组较轻。亚组
16、和 亚组ps平台期大致相同，而病理损伤程度 不一致，可能因为fNIRS探测系统只能覆盖 一定范围，随着激光热疗时间的延长，组织 毁损范围超出了 fNIRS探测系统的覆盖范围 故此时（1 s不能反映实际毁损范围内的组织 损伤情况。本实验结果表明对于激光热疗的术中 监测，fNIRS探测系统所获取的s变化比术后第1天MRI反映的热疗组织损伤更加及时， 实用性亦很强。因为不同个体、不同组织、不同激光所产生的(1 S存在很大的差异,1 s 和组织损伤严重程度的确切关系目前不能 量化，所以有待进一步试验研究。【参考文献】1THOMAS J V,THOMAS K H,MARTIN GM,et M.Berlin : Springer Berlin Heidelberg,2008
