醫(yī)用光學(xué)技術(shù)之三,AI驅(qū)動多模態(tài)內(nèi)窺鏡成像與飛秒激光消融
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40萬,且發(fā)病率呈上升趨勢。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),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)中實時、高精度的腫瘤識別技術(shù),以指導(dǎo)精準(zhǔn)切除并保護功能組織。
圖1.顯微內(nèi)窺鏡裝置示意圖[1]
該研究團隊開發(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。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)合機器學(xué)習(xí)與飛秒激光消融技術(shù),實現(xiàn)了自動化的精準(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)較強的CARS信號(紅色);癌癥基質(zhì)中的膠原纖維和彈性蛋白產(chǎn)生SHG信號(藍色);癌細胞代謝活躍導(dǎo)致NADH含量升高,在顯微內(nèi)鏡成像中呈現(xiàn)更強的TPEF信號。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)果與對照,(B)兩類分類結(jié)果與對照[2]
研究團隊采集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,模型對癌細胞的區(qū)分能力不足。因此,團隊進一步將分類簡化為“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“需切除組織”的識別靈敏度達90%,特異性達96%,為術(shù)中實時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]
為實現(xiàn)精準(zhǔn)治療,研究團隊將飛秒激光消融系統(tǒng)整合至內(nèi)窺鏡中,通過機器學(xué)習(xí)生成消融掩膜,全自動完成目標(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)果驗證了該技術(shù)在頭頸癌手術(shù)中實現(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)不僅能實現(xiàn)腫瘤的實時無標(biāo)記檢測,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)的進一步優(yōu)化和臨床驗證,該平臺有望成為頭頸癌診療的重要工具。
參考文獻:
[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)動多模態(tài)內(nèi)窺鏡成像與飛秒激光消融

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