螳螂虾启发相机实现手术中可视化癌细胞

由美国空军科研办公室，美国国防部，国家科学基金会和海军研究办公室资助，美国伊利诺伊大学的研究人员开发了一种以螳螂虾为灵感的相机，该相机可以在手术过程中可视化癌细胞。研究详细介绍了该新型相机如何与针对肿瘤的药物一起使用，以观察动物和人类患者的癌症，相关论文发表在《Science Translational Medicine》上。

癌症影响全球三分之一的人。手术仍然是局部癌的主要治疗选择，但一个良好的预后需要彻底清除原发肿瘤并及时识别转移灶。

论文的通信作者格鲁耶夫说：“工程师们花费了大量的时间和金钱来开发手机中的图像传感器，当我们在城里时，这些设备可以捕获非常适合社交媒体的图片，但是当医生检查患者时，他们不在乎镜头看起来有多漂亮，他们在乎图像捕获现实的程度如何。如今相机市场的驱动力与医疗诊断所需的技术根本不兼容。”例如，由于低自发荧光和组织在近红外波长处的散射，近红外荧光图像引导手术已显示出巨大的癌症手术潜力，从而在避免有害的电离辐射的同时实现了较大的信噪比和成像深度。随着光谱灵敏度跨越可见光和近红外，数码相机似乎非常适合于手术部位的彩色成像和荧光标记肿瘤的近红外成像。然而，最新的近红外荧光成像系统具有复杂的体系结构和狭窄的特征集，这阻碍了下一代肿瘤靶向荧光团以及当前可用的非特异性荧光团的采用。

第一次荧光引导手术是在70年前进行的，但是这些问题使近红外荧光图像引导手术未能被广泛接受为护理标准。因此，大多数医生继续依靠他们无助的视觉和触觉，不幸的是，这些感觉并没有针对该任务进行优化：25%的乳腺癌患者、35%的结肠癌患者和40%的头颈癌患者发生肿瘤不完全切除。因此，近红外荧光图像引导手术的解决方案似乎介于工程学制造的数码相机和生物学构想的眼睛之间。

人造数码相机和自然进化的眼睛的优化都是通过选择最大适应性来实现的。数码相机已经发展了几十年，可以满足以实时和高分辨率记录日常生活的消费者，而眼球已经发展了数百万年，以帮助做出允许物种生存的复杂决定。这种不同的进化途径创造了截然不同的视觉系统。工程师获得了超越自然的帧速率和空间分辨率，同时提供了可以在很大范围内进行调节的量子效率，动态范围和信噪比。反过来，生物学利用视觉系统抢占了上风，该视觉系统以极其有效的架构检测光谱信息。螳螂虾视觉系统将16种类型的视锥细胞安装在紧凑的视线上，在功耗和信息密度方面是任何人造光谱摄像机都无法比拟的。数码相机内置的优化光电器件与眼睛观察到的各种功能相结合，使得成像系统的感官能力超过了工程师和生物学之前提供的能力，预示着近红外荧光图像引导手术的未来。

为此，研究人员转向螳螂虾的复眼。该研究报告的主要作者史蒂文·布莱尔说，“人类感知三种颜色——红色、绿色和蓝色——这是因为我们的视网膜上有一层感光的锥体细胞，而螳螂虾由于其眼尖有一堆感光细胞而感知12种以上的颜色。因此，螳螂虾可以看到人类无法想象的东西—而且它可以在很小的空间内看到这些东西。”

图：人眼只能感知三种颜色：红、绿和蓝。螳螂虾在其眼尖使用一堆感光细胞来“看到”多达12种颜色。

为了扩大手术能力并提高患者治疗效果，研究人员开发了一种六通道彩色/近红外图像传感器，该传感器的灵感来自螳螂虾视觉系统，能在手术过程中引导近红外荧光图像。螳螂独特的眼睛由于虾尖处有许多光敏细胞，它能最大限度地获取光子的数量和包含在它周围的每一瞥的信息量。这项功能体现在了所提出的单芯片成像系统中，为了模仿螳螂虾的多光谱功能，通过将垂直堆叠的硅光电探测器阵列与像素化光谱滤光片阵列进行单片集成来设计和制造图像传感器。该图像传感器可在整个手术部位区分多种荧光团，而不会减慢或阻碍外科医生的工作流程。为了提供无法通过单个仪器获得的肿瘤位置信息，研究人员调整了三个颜色通道，以便直观地观察手术过程，并调整了三个近红外通道，以便对突出显示癌组织的光学探针进行多功能成像。在携带人类前列腺肿瘤的裸鼠身上，所提出的图像传感器可同时检测两种靶向肿瘤的荧光团，从而在大约92％的病例中区分病变组织与健康组织。它还允许提取近红外结构照明，从而能够将肿瘤和手术部位的三维形貌映射到1.2毫米误差范围内。在手术室中，对18例乳腺癌患者进行手术切除期间，该图像传感器使用临床认可的近红外荧光团进一步实现了前哨淋巴结定位。

来自北马其顿的教授兼首席外科医生戈兰·康多夫（Goran Kondov）在手术室中演示了这种技术，他说：“将这种受生物启发的相机与新兴的针对肿瘤的药物相结合，将确保外科医生不会在患者体内留下任何癌细胞。”“这双额外的眼睛将有助于预防疾病的复发，为患者提供更快，更轻松的康复途径。该设备非常简单，因此有可能以低成本制造，从而使世界各地的医院都可以使用它。”

该生物启发式图像传感器简单而紧凑，其所提供的灵活性和性能突出了在图像引导手术中受生物启发的传感器的优势，随着造影剂的不断发展，该生物启发式成像仪为基于质量的医疗保健提供了机会。该团队的下一步是将其摄像头与内窥镜系统集成，以满足资源有限的医院中微创手术的需求。