①自動(dòng)化所自主研發(fā)分子影像設(shè)備臨床應(yīng)用。

②分子影像示意圖

③北京科技周主場(chǎng)，劉延?xùn)|聽(tīng)取介紹。

■本報(bào)記者 彭科峰

這是一個(gè)個(gè)曾經(jīng)鮮活的生命：趙麗蓉、羅京、陳曉旭、姚貝娜……但他們，最終都成為癌癥的犧牲者。

這是一組觸目驚心的數(shù)字：世界癌癥報(bào)告估計(jì)，2012年中國(guó)癌癥發(fā)病人數(shù)為306.5萬(wàn)，約占全球發(fā)病的五分之一；癌癥死亡人數(shù)為220.5萬(wàn)，約占全球癌癥死亡人數(shù)的四分之一。

毫無(wú)疑問(wèn)，癌癥已經(jīng)成為人類(lèi)健康的最大敵人之一。

對(duì)于癌癥的成因，目前科學(xué)家尚不完全清楚。但一個(gè)明顯的事實(shí)是，如果我們?cè)诎┌Y剛剛發(fā)生的早期階段，就能夠準(zhǔn)確診斷出來(lái)，便可以極大地提高癌癥病人的存活率。

目前，腫瘤的早期成像對(duì)于癌癥病人的臨床診療具有十分重要的意義，也是長(zhǎng)期以來(lái)國(guó)際上腫瘤學(xué)基礎(chǔ)研究和臨床應(yīng)用的一大挑戰(zhàn)性問(wèn)題。

令人欣喜的是，近來(lái)，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所的科研人員，在癌癥的早期診斷、腫瘤的早期成像方面取得重大進(jìn)展，成功研發(fā)新型光學(xué)—核素多模融合分子影像成像技術(shù)。

這種先進(jìn)的技術(shù)，相比目前的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，其靈敏度和分辨率有著極大的提升。這意味著，人類(lèi)在“戰(zhàn)癌”的漫漫征程中再進(jìn)一步。

顯著的優(yōu)勢(shì)

我國(guó)癌癥發(fā)病率接近世界水平，但死亡率高于世界水平。

腫瘤防治專(zhuān)家認(rèn)為，癌癥死亡率居高不下的一個(gè)重要原因在于我國(guó)癌癥發(fā)現(xiàn)較多處于中晚期。中國(guó)工程院院士、中國(guó)抗癌協(xié)會(huì)副理事長(zhǎng)程書(shū)鈞說(shuō)，美國(guó)近些年來(lái)癌癥的發(fā)病率有所下降，其5年生存率在60%至70%，而我國(guó)腫瘤患者5年生存率在30%左右。

蘇州大學(xué)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院院長(zhǎng)時(shí)玉舫介紹，我國(guó)對(duì)腫瘤缺乏快速、特異早診手段。目前癌癥的診斷主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)室免疫學(xué)酶學(xué)檢測(cè)、影像學(xué)檢測(cè)等。

那么，現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)有哪些缺陷呢？

傳統(tǒng)的臨床成像技術(shù)，如CT成像、磁共振成像、核素PET成像等，難以實(shí)現(xiàn)早期微小腫瘤病灶的檢測(cè)。其主要原因是成像技術(shù)的靈敏度瓶頸難以突破，直徑小于5毫米的微小腫瘤無(wú)法有效進(jìn)行成像。

中科院自動(dòng)化所副研究員王坤向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者指出，腫瘤的產(chǎn)生、發(fā)展時(shí)間其實(shí)很長(zhǎng)，具體來(lái)說(shuō)，大致有4個(gè)階段。首先，是人體的基因出了問(wèn)題。其次，人體細(xì)胞分子層面開(kāi)始出現(xiàn)問(wèn)題，比如生物分子酶、蛋白等生物分子的表達(dá)。第三階段，則是人對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和廢物的代謝出了問(wèn)題。最后，人體的器官組織的結(jié)構(gòu)形態(tài)開(kāi)始出現(xiàn)問(wèn)題。在第三個(gè)階段，人們就可以通過(guò)解剖的方式，明確無(wú)誤地看到腫瘤了。目前，大部分醫(yī)療儀器只能在第四個(gè)階段發(fā)現(xiàn)癌癥患者身上的腫瘤，少部分影像設(shè)備可以觀測(cè)到第三個(gè)階段的異常。但此時(shí)，已經(jīng)處于癌癥的中晚期，往往救治存活率較低。

“我們的技術(shù)，就是要把醫(yī)學(xué)成像提高到分子影像的水平，通過(guò)我們的設(shè)備，能夠在分子細(xì)胞的階段，就是腫瘤的第二個(gè)階段，提早發(fā)現(xiàn)異常，診斷有無(wú)腫瘤的發(fā)生。”王坤說(shuō)。

這樣的技術(shù)，相對(duì)于以往的醫(yī)療診斷技術(shù)有著巨大的進(jìn)步。

那么，科學(xué)家怎么能夠在分子細(xì)胞的水平判斷出人長(zhǎng)了腫瘤，得了癌癥呢？科學(xué)家采取的是“倒推”的手段。首先，科學(xué)家對(duì)已經(jīng)確診的腫瘤患者體內(nèi)取得的切片，用顯微鏡等手段進(jìn)行檢測(cè)、研究，最終確定腫瘤患者的分子表達(dá)方式（比如說(shuō)分子表達(dá)的數(shù)目、種類(lèi)）。經(jīng)過(guò)細(xì)致、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治觯茖W(xué)家就能夠從分子細(xì)胞的水平，得出腫瘤的跡象。也就是說(shuō)，一旦患有腫瘤，病人體內(nèi)的細(xì)胞的分子表達(dá)方式必然有某些共性。科學(xué)家正是依靠這些共性，來(lái)診斷出患者是否有腫瘤。

王坤介紹，傳統(tǒng)成像技術(shù)中，靈敏度最高的是核素PET成像和光學(xué)成像，但這兩種技術(shù)依然存在局限，不能夠在腫瘤發(fā)展的早期發(fā)現(xiàn)微小腫瘤病灶。這主要是分辨率和信噪比不夠，形成了對(duì)早期微小腫瘤探測(cè)的靈敏度瓶頸。

自動(dòng)化所研究員田捷領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)，提出了高能伽馬射線(xiàn)和低能契倫科夫熒光輻射進(jìn)行內(nèi)源雙重激發(fā)成像，即REFI成像，從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)的外源單一光學(xué)激發(fā)的光學(xué)成像模式。這一新型成像技術(shù)成功融合了核素PET成像和光學(xué)成像的各自?xún)?yōu)勢(shì)。相較于核素PET成像分辨率差的缺點(diǎn)，REFI將其極限分辨率由2~3毫米提高到了光學(xué)宏觀級(jí)別的亞毫米；相較于外源激發(fā)熒光成像，REFI將成像的信噪比平均提高了5倍以上。綜合以上優(yōu)勢(shì)，REFI突破了常規(guī)單模態(tài)成像的靈敏度極限，將動(dòng)物活體腫瘤無(wú)創(chuàng)成像檢測(cè)的靈敏度，由5毫米的最小病灶探測(cè)直徑推進(jìn)到了2毫米。

從5毫米到2毫米，這意味著科學(xué)家能夠更早發(fā)現(xiàn)腫瘤的跡象，從而幫助醫(yī)生進(jìn)行診斷。

看似是3毫米之差，其實(shí)意義重大。王坤指出，在實(shí)驗(yàn)小鼠身上，腫瘤從2毫米到5毫米的演變有2~3天，然而腫瘤小鼠的壽命只有幾十天。“人類(lèi)的壽命有幾十年，如果簡(jiǎn)單類(lèi)比的話(huà)，相當(dāng)于提早好幾年發(fā)現(xiàn)這個(gè)人得了腫瘤。”

十年磨一劍

據(jù)了解，這一研究成果由副研究員胡振華和副研究員王坤為并列第一作者，由自動(dòng)化所聯(lián)合中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院、武警總醫(yī)院等完成。參與這項(xiàng)研究，并撰寫(xiě)相關(guān)論文的人完全是本土化的科研人員，這體現(xiàn)了我國(guó)在前沿醫(yī)學(xué)成像理論和技術(shù)上的自主創(chuàng)新能力和科研實(shí)力。

在當(dāng)前競(jìng)爭(zhēng)激烈的科技界，尤其是在前沿醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，要想依靠自主創(chuàng)新來(lái)取得突破，何其難也。但田捷等人就做到了這一點(diǎn)。

“今天的突破，其實(shí)是我們團(tuán)隊(duì)是十多年的積累。”王坤說(shuō)。

所謂分子影像技術(shù)，是在2000年左右由美國(guó)的科學(xué)家率先提出。而田捷團(tuán)隊(duì)，開(kāi)始相關(guān)研究也是從2002年開(kāi)始，可以說(shuō)，中外雙方幾乎處在同一條起跑線(xiàn)。但中國(guó)的科學(xué)家，雖然不能說(shuō)“笑到了最后”，但至少已經(jīng)取得了階段性的成果，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先的水平。

王坤介紹，REFI成像技術(shù)的成功，必須突破新型成像原理、新型成像的模型、重建的算法、新型的成像硬件系統(tǒng)這四大難點(diǎn)。也就是說(shuō)，從建立理論，到進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，再到研制模型機(jī)，都需要科研人員一一取得突破。所幸的是，得到相關(guān)的“973”項(xiàng)目、基金委重大專(zhuān)項(xiàng)等方面的資助，經(jīng)過(guò)十多年的潛心研究，中科院自動(dòng)化所的這支團(tuán)隊(duì)終于克服重重阻力，最終取得了系列突破。

十年磨一劍，可謂是對(duì)中科院自動(dòng)化所這支團(tuán)隊(duì)的最好評(píng)價(jià)。那么，國(guó)外怎么看待這一技術(shù)呢？

“我們的這項(xiàng)研究，相關(guān)的論文其實(shí)早在2014年底就已經(jīng)提交給國(guó)外的知名期刊。但因?yàn)槲覀兊难芯渴且粋€(gè)新鮮事物，很難找到國(guó)外相對(duì)應(yīng)的研究，期刊編輯審核了我們很長(zhǎng)時(shí)間。最終能夠被發(fā)表，也說(shuō)明我們的這項(xiàng)原創(chuàng)性的技術(shù)被國(guó)外的同行認(rèn)可。”王坤說(shuō)。

根據(jù)王坤等人與多家醫(yī)院的合作研究發(fā)現(xiàn)，目前，REFI成像技術(shù)在診斷早期乳腺癌、肝癌、胃癌這三個(gè)主要癌癥方面，有著突出的效果。

從技術(shù)走向醫(yī)用

讓先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療，是王坤等人長(zhǎng)期以來(lái)的愿望。此前，他們已經(jīng)研制了單模態(tài)的激發(fā)熒光臨床熟悉導(dǎo)航系統(tǒng)，目前已經(jīng)在301醫(yī)院、上海東方肝膽醫(yī)院等多家三甲醫(yī)院進(jìn)行臨床驗(yàn)證工作。

不過(guò)，這種第一代的設(shè)備，其主要功能倒不是用于早期診斷，而是用在癌癥手術(shù)中為醫(yī)生提高輔助作用。具體來(lái)說(shuō)，這種第一代設(shè)備因?yàn)榭梢园l(fā)現(xiàn)極微小的病灶，所以具備相當(dāng)?shù)膶?shí)用價(jià)值。也就是說(shuō)，通過(guò)這臺(tái)設(shè)備，醫(yī)生能夠?qū)崟r(shí)發(fā)現(xiàn)在手術(shù)進(jìn)行之前沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的微小病灶，同時(shí)醫(yī)生還能通過(guò)它確定腫瘤的邊界線(xiàn)。“過(guò)去做手術(shù)，為了防止復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移，一般都會(huì)多切很多，但是有了我們的設(shè)備，醫(yī)生就能夠清楚地知道腫瘤的具體范圍，沒(méi)有必要多切除一些組織。”王坤說(shuō)。

目前，醫(yī)生們已經(jīng)利用這種第一代設(shè)備做了好幾百臺(tái)手術(shù)，效果比較好。“通過(guò)我們的設(shè)備，可以提高手術(shù)的治療效果，延長(zhǎng)病人的生命。”王坤說(shuō)。

對(duì)于第二代雙模臺(tái)設(shè)備，王坤希望能夠在“十三五”期間研發(fā)出原型機(jī)。

“新一代的設(shè)備一旦進(jìn)入臨床，預(yù)計(jì)將會(huì)發(fā)揮巨大的作用，遠(yuǎn)超第一代設(shè)備。”在王坤的預(yù)想中，第二代設(shè)備可以全面介入腫瘤的術(shù)前診斷、術(shù)中治療、術(shù)后的評(píng)估這三個(gè)階段，其最終目標(biāo)，是全面提高腫瘤診療效果，推進(jìn)“精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)”在中國(guó)的發(fā)展。

展望未來(lái)，王坤希望他們的這項(xiàng)研究能夠獲得國(guó)家政策和社會(huì)資金的支持，最終幫助分子影像在臨床實(shí)用化上的突破。目前，他們也在一些企業(yè)進(jìn)行接觸，希望能夠加速相關(guān)醫(yī)療設(shè)備的研發(fā)。“分子影像技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了十五六年，已經(jīng)走到預(yù)臨床階段，世界各國(guó)都在發(fā)力，中國(guó)已經(jīng)有了良好的基礎(chǔ)，具備一定的優(yōu)勢(shì)，希望我們未來(lái)在臨床應(yīng)用階段不要落后于人。”

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2015-09-07 第5版 創(chuàng)新周刊)