頭頸癌是全球第六大常見癌癥，2020年新增病例超85萬例，死亡病例達(dá)40萬，且發(fā)病率呈上升趨勢(shì)。傳統(tǒng)診斷依賴病理活檢和術(shù)中冰凍切片分析，但前者耗時(shí)長且無法術(shù)中應(yīng)用，后者準(zhǔn)確性有限（常需術(shù)后二次確認(rèn)），導(dǎo)致約7.5%-10%的病例存在腫瘤殘留（R1切除），嚴(yán)重影響患者預(yù)后。因此，亟需一種術(shù)中實(shí)時(shí)、高精度的腫瘤識(shí)別技術(shù)，以指導(dǎo)精準(zhǔn)切除并保護(hù)功能組織。

圖1.顯微內(nèi)窺鏡裝置示意圖[1]

該研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種緊湊型剛性內(nèi)窺鏡系統(tǒng)（圖1），其光源采用基于光參量放大的光纖激光器，并利用空芯光纖和多模光纖等結(jié)構(gòu)收集傳輸信號(hào)。該系統(tǒng)整合了相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）、雙光子激發(fā)熒光（TPEF）及二次諧波產(chǎn)生（SHG）三種非線性光學(xué)成像技術(shù)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)與飛秒激光消融技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的精準(zhǔn)組織切除，為診斷與治療一體化提供了新方法。

圖2.（A）顯微內(nèi)鏡成像結(jié)果，（B）HE染色結(jié)果[2]

圖2展示了顯微內(nèi)鏡成像結(jié)果（A）與病理醫(yī)生標(biāo)注的HE染色結(jié)果（B）。左側(cè)肌肉組織因富含脂質(zhì)，激發(fā)較強(qiáng)的CARS信號(hào)（紅色）；癌癥基質(zhì)中的膠原纖維和彈性蛋白產(chǎn)生SHG信號(hào)（藍(lán)色）；癌細(xì)胞代謝活躍導(dǎo)致NADH含量升高，在顯微內(nèi)鏡成像中呈現(xiàn)更強(qiáng)的TPEF信號(hào)。結(jié)果顯示，內(nèi)窺鏡成像結(jié)果與HE染色高度吻合，可清晰區(qū)分癌變區(qū)域。

圖3.（A）六類分類結(jié)果與對(duì)照，（B）兩類分類結(jié)果與對(duì)照[2]

研究團(tuán)隊(duì)采集15名患者的20例頭頸腫瘤組織樣本，訓(xùn)練了基于U-Net3+架構(gòu)的深度學(xué)習(xí)模型，用于多模態(tài)圖像的語義分割。如圖3（A）所示，模型最初將組織分為六類（如健康上皮、腫瘤基質(zhì)、壞死等），但由于患者年齡、性別及癌癥位置差異的影響，模型對(duì)癌細(xì)胞的區(qū)分能力不足。因此，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將分類簡(jiǎn)化為“需切除組織”（腫瘤、壞死、腫瘤基質(zhì)）和“需保留組織”兩類。結(jié)果顯示（圖3B），模型對(duì)“需切除組織”的識(shí)別靈敏度達(dá)90%，特異性達(dá)96%，為術(shù)中實(shí)時(shí)診斷提供了可靠支持。

圖4.（A）處理前樣品的多模態(tài)非線性圖像，（B）處理后樣品的多模態(tài)非線性圖像[2]

為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)治療，研究團(tuán)隊(duì)將飛秒激光消融系統(tǒng)整合至內(nèi)窺鏡中，通過機(jī)器學(xué)習(xí)生成消融掩膜，全自動(dòng)完成目標(biāo)組織的選擇性切除。圖4（A）為未處理的膽固醇晶體內(nèi)窺鏡成像，經(jīng)模型處理后生成待切除區(qū)域（ROI），隨后利用飛秒激光消融技術(shù)切除了膽固醇晶體（圖4B）。在腦組織樣本中，飛秒激光成功選擇性消融了尺寸約數(shù)十微米的膽固醇晶體，且未損傷周圍組織。這一結(jié)果驗(yàn)證了該技術(shù)在頭頸癌手術(shù)中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)切除的可行性。

本研究通過多模態(tài)內(nèi)窺鏡成像、深度學(xué)習(xí)分析和飛秒激光消融技術(shù)的協(xié)同創(chuàng)新，為頭頸癌的術(shù)中精準(zhǔn)診療提供了全新方案。該技術(shù)不僅能實(shí)現(xiàn)腫瘤的實(shí)時(shí)無標(biāo)記檢測(cè)，還能在AI指導(dǎo)下完成高精度切除，為未來微創(chuàng)手術(shù)和功能保留治療開辟了新路徑。隨著技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化和臨床驗(yàn)證，該平臺(tái)有望成為頭頸癌診療的重要工具。

參考文獻(xiàn)：

[1] Chenting L, Matteo C, Karl R et al. Design and test of a rigid endomicroscopic system for multimodal imaging and femtosecond laser ablation. Journal of biomedical optics, 2023, 28(6): 066004-066004.

[2] Calvarese M, Corbetta E, Contreras J et al. Endomicroscopic AI-driven morphochemical imaging and fs-laser ablation for selective tumor identification and selective tissue removal. Science advances, 2024, 10(50): eado9721.

       原文標(biāo)題 : 醫(yī)用光學(xué)技術(shù)之三  AI驅(qū)動(dòng)多模態(tài)內(nèi)窺鏡成像與飛秒激光消融