仿生多光谱成像仪助术中精准识别淋巴结癌变

美国研究人员成功开发出一款紧凑型相机，该设备利用单一芯片即可同时捕捉紫外线、近红外光及可见光图像。受雀尾螳螂虾多波长视觉能力的启发，这项技术有望帮助外科医生在术中准确识别与肿瘤相连的淋巴结，并评估癌症是否发生转移，从而使癌症手术更加安全且微创。

突破传统成像局限

淋巴结作为人体的免疫过滤器，负责捕获病毒、细菌及癌细胞等异常细胞。在乳腺癌切除手术中，外科医生面临的关键决策是确定哪些淋巴结需要进行活检或切除，哪些可以保留。精准移除受累淋巴结有助于彻底清除癌细胞，而保留未受影响的淋巴结则能显著降低淋巴水肿等并发症风险。

然而，现有医疗工具虽能显示淋巴液的引流路径，却难以在手术过程中可靠地判断特定淋巴结是否已被癌症浸润。研究团队负责人、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的维克多·格鲁耶夫（Viktor Gruev）指出：“这可能导致过度、不足，或迫使患者后续接受二次手术。”

在《光学》（Optica）期刊上发表的这项高影响力研究中，研究团队详细描述了这款新型单芯片成像仪的工作原理。该设备利用近红外成像实时定位淋巴结位置，同时结合紫外成像技术判断其是否具有癌变嫌疑。初步的乳腺癌组织测试结果显示出了令人鼓舞的前景。

仿生设计实现多光谱同步

尽管现有的近红外成像方法可用于寻找淋巴结，但无法揭示其是否发生转移；同样，一些无标记光学方法虽能提供检测癌症所需的生化对比度，但通常未与其他成像模式整合。要同时获取淋巴结的位置信息和可能的癌变状态，必须在保持图像对齐的前提下，使用不同波长的光进行成像。

为避免使用笨重的透镜或多个成像传感器，研究人员借鉴了雀尾螳螂虾眼睛在极小空间内分离不同波长光线的机制。与仅能看见可见光的人类不同，这种甲壳类动物因眼中含有分层排列的光感受器，每层针对光谱的不同部分进行调谐，从而能够感知紫外线、可见光及部分近红外光。

“我们借鉴了这一理念，使相机能够从完全相同的位置同时收集多种光学信息，”格鲁耶夫表示，“这在手术中需要图像完美对齐时至关重要。”

这款新相机集成了微型像素级滤波器和堆叠的光感测层，使得紫外线、可见光和近红外信号能在单一芯片上被分别检测。研究团队还使用了基于镜片的透镜，使宽范围的波长保持共同焦点，并开发了图像重建软件，将不同信号转化为清晰且对齐良好的图像。

临床测试展现高灵敏度

该设计使得利用红外波长检测吲哚菁绿（ICG）成为可能，这是一种用于定位淋巴结的标准染料。一旦找到淋巴结，相机即可进行短暂的紫外光测量，检测组织的固有荧光，从而无需使用靶向癌症的标记物即可判断淋巴结是否癌变。可见光则提供标准相机视角，为外科医生提供理解所见解剖结构的背景信息。

研究团队分阶段测试了该系统捕捉癌细胞的能力。首先在受控实验室测试中，证明了相机可同时捕捉紫外、色彩和近红外信息，并测量了其灵敏度和准确性。随后，他们在癌细胞样本以及涵盖33名患者94个淋巴结的新鲜切除乳腺癌标本上进行了测试。

这些样本与未看到紫外成像结果病理学家的标准病理发现进行了对比。结果显示，紫外读数达到了97%的敏感性和89%的特异性，而近红外信号则可靠地定位了淋巴结。

研究团队强调，尽管结果令人鼓舞，但相机应被视为支持手术决策和病理分析的辅助工具，而非取代专家的临床判断。下一步，研究人员计划从新鲜组织演示转向手术室的实际工作流程，需要在更大规模且多样化的患者群体中测试系统，提高紫外灵敏度和速度，并开发适用于手术环境的实时处理工具。同时，他们还将研究炎症或纤维化等可能与癌症相似的其他状况，并继续改进硬件，以确保其在无菌临床环境中的安全与便捷使用。