光聲成像在關節炎性病變中的潛在臨床應用價值

趙辰陽，朱慶莉，張 睿，齊振紅，楊 萌，姜玉新

中國醫學科學院 北京協和醫學院 北京協和醫院超聲醫學科，北京 100730

近年來，關節炎性疾病的發病率在全球范圍內顯著增長。其中，以慢性非創傷性關節炎性疾病增長較為明顯，包括骨關節炎(osteoarthritis，OA)和類風濕關節炎(rheumatoid arthritis，RA)兩大類。關節慢性炎性病變是最常見的非外傷性活動受限和致殘原因[1-2]。研究表明，早期藥物治療可有效防止關節炎性病變惡化，并在一定程度上減少其后期功能受限和殘疾的發生[3]。然而，早期關節炎性病變的臨床癥狀并不顯著，常規影像學檢查的診斷靈敏度欠佳，難以對關節炎進行治療指導及預后預測。新型成像技術可對小關節進行高分辨率成像，實現對關節炎性疾病的診斷及預后評估，有助于臨床診療前移，精準指導治療，改善患者的整體預后。本文重點介紹光聲成像(photoacoustic imaging, PAI)技術在關節炎性疾病中應用的可行性及其潛在臨床價值。

1 關節炎性疾病常用的影像學評價方法

目前慢性關節炎常用的影像學診斷評估方法包括X線、CT、MRI及超聲，上述成像技術多用于評估OA及RA受損關節。關節炎的影像學特征基于其病理學改變而產生，如OA病變關節的關節間隙狹窄、軟骨下硬化和軟組織骨化，RA病變關節內的滑膜炎性病變(增厚及充血)、肌腱及周圍組織炎性病變、滑囊炎性病變及骨質侵蝕等。X線對于診斷骨損傷有較高的準確度，1987年美國風濕病學會制定的RA指南認為X線是診斷RA的影像學金標準，并對其作出評級[4]。但因X線分辨率不高而限制了其在關節炎性疾病早期診斷中的應用。CT作為一種輔助檢查手段，通過多層面顯像，可顯示受損關節的軟骨下損害、軟組織鈣化及骨侵蝕。MRI對軟組織具有較高的分辨率，是關節炎性疾病廣泛應用的影像診斷方法，通過多序列多層面關節組織成像，可顯示關節炎的早期改變，且注射增強造影劑后可進一步增加其靈敏度[5]。高頻超聲可顯示炎性關節周圍組織的改變，包括滑膜炎、腱鞘炎、腱周炎、滑囊炎等，還可評估關節炎性疾病中常出現的關節腔積液及骨質侵蝕特征，灰階超聲的半定量評分評估炎性活動度也在部分研究中得到了應用。隨著多普勒技術的廣泛應用，超聲在關節炎性疾病中的診斷價值提高，通過顯示關節炎性區域的血流情況，采用半定量評估方式對疾病活動度進行評估[6]。

近年來，隨著影像學技術的發展，新型光學成像技術陸續應用于臨床，包括彌散性光成像(diffuse optical imaging, DOI)、熒光及生物熒光成像，為關節炎性疾病的早期診斷帶來了新的曙光[7-8]。多波長DOI可計算氧合血紅蛋白和非氧合血紅蛋含量，以提示病變關節的功能改變，如充血、新生血管形成及缺氧等。超聲造影(contrast-enhanced ultrasound，CEUS)是近年來臨床推廣的超聲新技術之一，研究證明CEUS可對滑膜炎性病變進行探查，并定量/半定量評價疾病活動度及開展關節炎分子成像[9]。

常規及新型影像學技術可進行關節形態學、微血管及功能成像，對關節病變診斷有較好的準確度和靈敏度，但尚無可同時實現無創性形態學、微血管及功能成像，又兼具較高小關節成像分辨率的影像學方法。而PAI可實現同一影像平臺上無創高分辨率小關節成像及結構與功能的定量分析，具有潛在的臨床應用價值。

2 光聲成像技術原理與成像系統

PAI是一種新型無創性光學成像技術，其原理為光聲效應，即在可調節范圍內將光信號轉換為聲信號進行成像。光聲效應最早于1886年由Alexander Graham Bell 提出，當組織被短脈沖波長的激光照射后內部溫度上升，產生熱彈性膨脹，在此過程中產生一段寬頻帶的超聲波；該段超聲波可被配置有壓電元件的超聲探頭接收，通過圖像重建及處理后，聲信號被轉換為光聲圖像[10]。PAI結合了光顯像和超聲成像的優點，在反映組織光學特性的同時，達到較高的顯像深度和空間分辨率。典型的光聲系統主要由激光發射儀器、光傳輸線路及超聲信號接收處理器組成，主要儀器類型包括光聲計算機斷層成像(photoacoustic computed tomography, PACT)、光聲顯微成像(photoacoustic microscopy, PAM)及光聲內鏡成像(photoacoustic endoscopy, PAE)[11]。其中，PACT是較為成熟的PAI技術，通過改變探頭排列方式或旋轉模式及復雜的圖像處理后可將光聲信號轉化為2D及3D圖像[12]。

通過內源性光顯像劑，如氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白、黑色素、水和脂質等，PAI可同時實現解剖學成像和功能成像。利用多波長PAI顯示氧合血紅蛋白及脫氧血紅蛋白，可計算血氧飽和度等反映組織功能的參數[13]。搭載特異性分子的外源性光顯像劑，如吲哚菁綠、納米金顆粒、單壁納米碳管等，可實現分子PAI[14]。

3 光聲成像技術在關節成像中的發展

PAI具有較高的空間分辨率和顯像深度，適用于關節成像，特別是小關節。PAI不僅顯示關節解剖學結構，還可對其功能參數進行定量測定，具有較好的臨床轉化前景。近10年來，隨著PAI技術的發展，其在關節成像中的研究逐漸增多。

3.1 光聲計算機斷層成像

近年來，國外研究團隊開發了針對關節成像的PACT系統及相應動物模型，并開展了臨床前實/試驗(表1)。2006年，密歇根大學研究團隊最先開發了專門用于關節成像的3D PACT系統，并在鼠尾關節動物模型及人體(尸體)上進行了試驗[15]。該系統利用寬頻超聲探頭繞關節進行弓形旋轉，經處理后生成3D圖像，可清晰顯示關節周圍組織(如皮膚、脂肪、肌肉、血管、滑膜等)，并可反映組織內血紅蛋白分布情況[16]。研究者應用該系統定量測定關節炎模型大鼠踝關節內的光聲信號，發現其局部光聲信號增強[17]。佛羅里達大學研究團隊同期也研發了定量3D PACT PAI系統，并進行了關節模型和人體在體試驗[18-20]，發現光聲三維關節成像與MRI圖像具有一致性。該團隊在后期研究中采用半環形超聲探頭列陣對系統進行改進，使其更適用于人體關節成像[21]。van Es等[22]設計了配有半環形超聲探頭列陣的PACT系統，對人體手指關節、血管進行顯像，發現其可清晰顯示指間關節周圍的甲床、皮膚及皮下軟組織層血管，且與組織學相符合。Ermilov等[23]開發了針對關節微血管成像的PACT系統，通過360°旋轉實現三維顯像，對關節微血管具有較高的分辨率，同時可通過快速PAI顯示小血管的溫度調節反應。

上述研究表明，PACT可較好地顯示關節周圍組織的形態結構，可顯示普通超聲難以顯示的關節內軟骨和骨，對微血管和新生血管的顯示率較高，這一特點對關節疾病具有重要診斷價值。

表 1 光聲計算機斷層成像相關研究結果

3.2 雙模態光聲/超聲成像系統

光聲信號和超聲信號均由超聲傳感器(探頭)接收，經圖像后處理后可同時得到兩種成像方式的顯像結果，并使光聲圖像疊加在灰階超聲圖像上，實現雙模態光聲/超聲(photoacoustic/ultrasound, PA/US)成像，是現階段常見的成像系統之一。雙模態PA/US成像系統通過多波段PACT和超聲成像，獲取目標組織解剖功能信息，此種多模態成像方法也是現階段關節PAI研究的熱點，相關研究見表2。

表 2 雙模態PA/US成像系統相關研究

有研究將PACT和超聲計算機斷層成像(ultrasound tomography，USCT)整合至同一影像平臺，形成PACT/USCT雙模態成像系統，結合光聲信號和灰階超聲圖像，對人體手指局部結構具有更清晰的認識，可達到診斷疾病的目的[24-25]。目前，較常見的光聲與超聲成像結合方法則是構建一體化的雙模態PA/US成像系統。

由于超聲影像檢查的高性價比和便攜性，其在世界范圍內得以廣泛應用，而獨立PAI系統因體積較大、設計復雜、價格昂貴，其臨床應用受到一定限制。為使光聲技術進一步向臨床轉化，研究人員將光聲技術整合于商品化超聲影像系統，構建了新型一體化雙模態PA/US成像系統。這種雙模態成像系統將光聲信號整合至超聲灰階圖像，利用超聲灰階圖像指導光聲信號的定性分析和定量評估，在實現PAI的基礎上同時兼具商品化超聲影像系統穩定性的優點。Wang等[26]首先將PAI技術整合于商用超聲儀器，并應用此雙模態成像系統對關節炎模型小鼠的踝關節進行1064 nm和532 nm雙波長檢查，可在炎性病變區域內探測到顯著升高的光聲信號[27]，接受靶向藥物治療后，關節炎小鼠的光聲信號出現明顯下降[28]。該團隊在此基礎上進一步對雙模態PA/US成像系統進行了適于人體關節成像的改造，并獲得了清晰的人體手指關節光聲圖像[29]。

將光傳輸系統進一步整合至超聲探頭，形成一體化便攜式PA/US探頭，更符合臨床醫生的使用習慣，便于臨床轉化及推廣應用，目前已成為多功能PA/US成像系統的研究重點。Daoudi[30]等將光傳輸設施整合至超聲探頭內，開發出一種簡便的光聲系統超聲探頭，可同時獲取清晰的超聲及光聲圖像。為進一步證實其臨床潛在應用價值，研究者開展了相關臨床前研究，發現關節炎區域光聲信號顯著增強[31]。密歇根大學研究團隊在此基礎上開發了具有手持光聲探頭的雙模態PA/US成像系統，并應用該系統對關節炎患者和健康對照組的手指關節進行580 nm單波長顯像和532 nm、1064 nm雙波長顯像，發現關節炎患者的血流及血氧飽和度與健康對照組存在顯著差異[32]，證實其可對充血、缺氧等炎性關節功能改變進行定量診斷[33]。該團隊進一步使用LED作為雙模態PA/US成像系統光源，成功獲取高信噪比的PA/US實時整合圖像，可顯示最大直徑為5 mm的手指微血管，并獲取手指關節的血氧定量結果，該研究成果對PAI在關節炎中的臨床應用推廣具有較大價值[34]。

自2015年起，北京協和醫院超聲醫學科研究團隊和北京大學、深圳邁瑞生物醫療電子股份有限公司合作，致力于開發配置手持光聲探頭的PA/US多功能影像一體化平臺，將光聲系統部分整合至臨床應用的高端超聲成像探頭(L9-3U, 深圳邁瑞生物醫療電子股份有限公司)，應用該儀器可同時檢測光聲和超聲信號，并獲得光聲與超聲的疊加圖像，該影像平臺已成功開展了甲狀腺結節和乳腺結節診斷的臨床前期研究[35]。目前，該團隊進一步開展了RA的臨床研究，發現多模態PA/US對小關節內滑膜組織微血管有較好地顯示，且與臨床評分具有較好的相關性，可對RA患者的小關節進行全面評價，有望在疾病活動度、隨訪及預后預測等方面發揮臨床應用價值。

3.3 結合超聲及其他醫學影像技術的多重成像系統

PAI技術還可與光散射斷層成像技術(diffused optical tomography, DOT)整合至同一影像平臺。Xi等[36]將PACT和DOT整合于一體化成像平臺，利用探頭列陣接收光聲信號，并通過有限元圖像重建程序處理彌散光信號，從而同時獲取PACT和DOT成像，并進行圖像疊加融合。研究表明，人體關節周圍組織和骨骼可被PACT和DOT顯示，該系統可應用于關節炎癥的評估[36]。

4 外源性光聲造影劑在關節成像中的應用

在開發關節PAI儀器的基礎上，研究者采用外源性光聲造影劑，將關節PAI技術的應用擴展到了分子成像水平。一項研究將抗腫瘤壞死因子結合在外源性光聲造影劑納米金顆粒上，注射至關節炎模型小鼠的尾關節，在600 nm波長下進行PAI，發現其關節內信號強度明顯高于未注射造影劑的對照組[37]。

半萘酚羅丹熒(Seminaphthorhodafluor,SNARF-5F)是一種特殊的pH靈敏度染料，可與納米探針結合檢測局部組織pH值，該分子探針亦可用于關節PAI[38]。將分子探針復合物注射至關節局部組織后，可計算光聲信號、檢測組織局部pH值，對關節炎性疾病有一定的輔助診斷價值。

在外源性光聲造影劑近紅外區熒光團標記樹枝狀聚甘油聚陰離子硫酸, 形成L-選擇素/P-選擇素(L-selectin/P-selectin)特異性復合物，可靶向監測炎性反應。將該炎癥特異性探針局部注射至關節炎模型小鼠的膝關節及踝關節進行PAI，發現其光聲信號強度明顯高于健康小鼠，且與增強MRI及組織學結果相一致[39]。

另有研究發現，用于治療OA的抗炎藥氯法齊明(Clofazimine，CFZ)在450 nm時光吸收系數較高，亦可用于PAI。CFZ 在巨噬細胞內聚集，可用于指導細胞特異性診斷和治療的監測。光聲顯微成像技術證實CFZ可應用于光聲分子成像，并進一步在雙模態PA/US成像系統上對注射CFZ的模型、動物模型及尸體手指關節進行顯像，均可得到滿意的光聲信號，提示PAI技術可用于CFZ治療OA的藥物監測[40]。

5 小結與展望

PAI技術是一種新型、無創性醫學影像學檢測手段，其在關節成像中的應用價值已被相關研究證實，在關節炎性疾病的診斷、療效監測等方面具有臨床應用前景，其中PAI儀器與手持式超聲探頭的結合是未來臨床轉化型成像設備的重要研究方向。

作為一種新型影像學技術，PAI的圖像分辨率尚低于目前臨床常用的高度完善的影像學手段，未來尚需進一步優化改進、提高信噪比和分辨率，并消除偽像[41-42]。目前PAI技術在關節炎性疾病中應用的臨床研究較少，且多數研究尚處于起步階段，納入病例數較少，對其臨床價值論證不足。此外，將PAI技術與其他影像技術進行對比研究尚有欠缺，尚未對其優劣性作出評價。對于PAI技術測定血氧飽和度的功能成像，仍需進一步擴大樣本量驗證其對關節炎性疾病的診斷價值。

作者貢獻：趙辰陽負責文獻檢索、文章撰寫及修訂；楊萌、朱慶莉、齊振紅、姜玉新負責文章修訂；張睿負責文獻檢索及文章修訂。

利益沖突：無