本文介绍的是天津大学高峰课题组使用空间频域成像技术和扩散荧光层析成像技术，动态监测光动力治疗过程中组织光学参数和光敏剂浓度的三维分布及变化，有望为非黑色素瘤皮肤癌、特别是浸润性鳞状细胞癌的个体化、精准化光动力治疗（包括术前程规划和术中调整）提供定量依据，提高治疗效果，论文发表在《Journal of Innovative Optical Health Sciences》期刊2022年第6期。

Three-dimensional Quantification of ProtoporphyrinIX in Photodynamic Therapy Using SFDI/DFT:A Pilot Experimental Validation

基于SFDI/DFT实现光动力治疗中PpIX的三维定量:实验验证研究

Mai Dan, Weijie Song, Meihui Liu, Yaru Zhang and Feng Gao

研究背景

光动力治疗（PDT）是利用光动力效应进行皮肤疾病诊治的一种新技术，以低创伤和低毒副作用等优势被广泛应用于治疗光化性角化病、鲜红斑痣、浸润性非黑色素瘤皮肤癌等多种皮肤疾病。但目前PDT仍缺乏有效的在体定量手段，病变组织的光学参数、光敏剂浓度和血氧饱和度分布等个体差异都对治疗效果有重要影响。因此有必要发展定量化的在体剂量学和动态测评技术，在体、无创地准确判定患者病变靶组织的特性，以便在治疗前针对不同个体、部位定量地决定光剂量和光敏剂剂量，甚至在治疗过程中实现剂量的在线监测和调控，实现精准化治疗。空间频域成像（SFDI）技术因其快速、非接触功能成像等优点，成为实现PDT在体测评的有效方法，但目前多数研究仅对光学参数或光敏剂分布进行二维成像，难以获得二者沿深度方向的空间特异分布。对于非黑色素瘤皮肤癌、特别是浸润性鳞状细胞癌，获得病变靶组织内光学参数和光敏剂的三维分布是实现精准化治疗的重要基础。

内容简介

本文结合SFDI技术和扩散荧光层析成像（DFT）技术，对组织内氨基酮戊酸(5-ALA)-原卟啉Ⅸ(PpIX)光敏剂的浓度分布进行三维定量成像。SFDI测量特定波长下组织的漫反射光信号，获得组织的吸收和散射系数分布，为DFT提供光学背景，利用多个波长的吸收系数可进一步计算组织氧饱和度；DFT测量PpIX的荧光信号，结合光子输运模型和测量的组织三维形貌，获得PpIX浓度的准确三维分布。本文开展了皮下乳腺癌荷瘤小鼠的PDT在体测评实验，结果表明，方法能够在治疗前、后及过程中，动态监测组织内PpIX浓度的三维分布及变化并获取组织的氧合信息，有望为浸润性非黑色素瘤皮肤癌PDT的个体化、精准化治疗（包括术前程规划和术中调整）提供定量依据，最终提高治疗效果。

图文导读

1.实验设置

图1：皮下荷瘤小鼠成像实验。(a) SFDI/DFT系统。(b)光动力治疗及图像采集过程

图1(a)所示为实验使用的成像系统，其中投影仪向待测样本投照特定波长和空间频率的正弦条纹结构光，相机采集样本表面的漫反射图像和荧光图像（通过滤光片选择测量波长），分别用于重建样本的光学参数和荧光剂的三维分布。所用小鼠为荷瘤裸鼠，将4T1乳腺癌细胞皮下接种于小鼠（4-5周龄）腹股沟部位，当肿瘤长至直径超过5mm时，用于活体成像。小鼠被分为实验组和对照组，实验过程如图1(b)所示，其中实验组小鼠在肿瘤部位湿敷5-ALA光敏剂后进行光照治疗，对照组小鼠湿敷同等剂量的光敏剂，但不进行光照。治疗前首先测量每只小鼠的表面三维高度，用于矫正形貌对光学参数成像的影响，并为DFT提供三维几何模型；光照前后测量组织的光学参数；治疗过程中动态测量组织内光敏剂浓度，观察肿瘤部位光敏剂的三维分布和变化。

2.光学参数成像

图2：治疗前小鼠(#2)在两个波长的吸收系数和约化散射系数图像

SFDI利用测量并校准的组织的漫反射率，从预先建立的光学参数-漫反射率数据库中逆向搜索最小二乘解，获得组织的光学参数。图2所示为重建的小鼠#2在520nm和630nm的光学参数图像，利用这两个波长下的吸收系数可以估计组织氧饱和度。将激发光和荧光波长的组织光学参数沿深度方向均匀赋值，将为DFT提供三维光学背景，剔除组织本征光学参数对PpIX浓度定量的影响。

3.PpIX三维定量成像

图3：小鼠(#2)的三维PpIX荧光产率图像。治疗前(a)、后(b)不同深度的荧光产率剖面图。(c)治疗前X-Z和Y-Z方向的荧光产率剖线图

将SFDI与DFT相结合，实现对PpIX浓度的三维定量成像。给定背景光学参数和激励源时，组织内部激发光和荧光的传输可以用一组耦合扩散方程来描述。利用测量的表面激发光和荧光图像，结合光子输运模型和测量的小鼠三维形貌可定量重建PpIX荧光产率的三维分布。图3所示为重建的小鼠#2治疗前后的PpIX荧光产率三维成像结果。由于癌变组织的选择性吸收，PpIX集中分布于肿瘤部位皮下1.5mm以内，且随治疗的进行浓度显著降低。

4.统计分析

图4：氧饱和度结果。(a)小鼠(#2)治疗前(上)、后(下)的氧饱和度图像，(b)各只鼠治疗前后肿瘤部位氧饱和度均值。#4号鼠为对照组

对实验组和对照组小鼠在治疗前后的氧饱和度以及PpIX浓度进行统计分析。如图4所示，我们观察到大多数小鼠在治疗后氧饱和度水平存在一定降低。治疗时的光化学反应引起的氧消耗可能是氧饱和度下降的主要原因，同时，实验过程中对小鼠的长时间麻醉也可能对氧饱和度水平产生影响。

图5：PpIX荧光产率代谢曲线。(a)各只鼠肿瘤部位的平均荧光产率变化，#4号为对照组，(b) 治疗组(T)和对照组(C)肿瘤部位和正常组织的平均PpIX荧光产率变化

由于药物摄取的个体差异，PpIX在各只鼠中的剂量存在较大差别，但其浓度变化趋势具有良好的一致性。如图5所示，随着治疗的进行，治疗组体内PpIX浓度逐渐下降，2.5小时后达到初值的一半左右，在第一个小时内浓度迅速下降，之后放缓；而对照组体内PpIX浓度维持在相同水平，无明显下降趋势。此外，治疗组和对照组在肿瘤部位和正常组织的荧光产率随时间变化也存在较大差异。

通讯作者简介

高峰，天津大学精密仪器与光电子工程学院，教授，天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室主任。长期从事生物医学光子学、智能光电检测和计算成像等领域的研究，目前担任中国光学学会生物医学光子学专业委员会和中国生物工程医学学会医学测量分会副主任委员、以及Biomedical Optics Express、BME Frontiers和天津大学学报等国内外期刊的副主编/编委，主持各类国家级和省部级科研项目20余项，发表学术论文300余篇，主、参编专著教材4部，授权中国发明专利30余项。