中英团队联合研发新型内窥技术，助力高效肿瘤检测

医生在手术中利用内窥影像来寻找病灶并判断治疗边界，从而制定手术方案（如切除部位、方式、范围和深度等）。病灶的精准高效检测直接影响着治疗效果，目前，临床常用的白光内窥镜或窄带内窥镜，根据色彩信息来区分病灶与正常组织来指导手术操作。

然而，病灶并不总是呈现出明显的色彩特征。因此，仅依靠色彩信息来识别肿瘤有可能导致漏检，从而影响医生在手术中做出准确高效的决策，甚至造成病灶的不彻底切除、活检部位的不恰当选取等问题。

为了解决该难题，之江实验室、伦敦大学学院和帝国理工学院联合研究团队探索了一种新型的无标记内窥成像技术——偏振测量内窥成像[1]。

该技术通过引入光学偏振这一维度的信息，获取组织分层结构及其近表散射等重要的肿瘤关联特征，从而对基于色彩信息的常规内窥成像方法进行补充，更准确地分辨喉部异型增生及鳞状细胞癌病灶。

图丨彩色正交偏振显微镜下，正常组织的固有层分布有源自双折射的金黄色纤维状结构（来源：祁绩）

层析内窥成像、显微内窥成像、光谱内窥等同类技术往往结合扫描装置，需要较长的采集时间来获得接近常规内窥的横向视场与清晰度。

该技术能够进行实时图像获取（视频级别帧率），且具有与常规内窥及人类视觉相当的视场范围（104 度视场角）和清晰度（百万像素级），可以较好地保证对人体组织的术中成像质量，确保医生能够协调“手”与“眼”。

“该结果得以实现一方面是采用了我们此前研究中提出的一种简化的组织偏振测量成像方案[2]；另一方面是结合了分焦平面偏振相机和我们课题组的保偏内窥镜，使实时高清的偏振图像采集、重建和显示成为可能。”该论文第一作者兼通讯作者、之江实验室副研究员祁绩表示。

另外，该技术所提供的对比度来自于癌症发病过程中组织结构的内在变化，无需外源性造影剂，更容易整合到现有的外科工作流程中，也更容易被监管部门接受。

偏振测量内窥的首次临床人体试验初步显示，该技术可增强喉癌病灶与正常组织间的视觉差异（提升可达十倍）；相比仅依靠色彩信息，通过色彩和偏振的结合，可以提高检测准确性和区分度（检测灵敏度和特异性分别提升 9% 与 10%）。

偏振测量内窥作为一种无标记、实时、高清的成像方法，可协助外科医生感知肉眼难以察觉的组织变化、减少漏检，有望补充常规内窥镜开展肿瘤检测，辅助医生更高效地切除病灶。

该研究明确了偏振图像用于喉部鳞状细胞癌检测的组织病理学机制，为偏振测量内窥在口咽、食道、宫颈等多个部位的鳞状细胞癌检测提供了理论支持。这些部位的癌变中，有近 90% 是鳞状细胞癌。

审稿人对该研究评价称：“据我所知，这项研究是首次在患者身上进行偏振测量内窥成像。它展示了令人信服的偏振对比度，对于协助和指导喉部的诊断和手术过程具有临床意义。主要的贡献是将偏振内窥镜转化到临床研究阶段，并通过令人信服的实验设计开展了在活体和离体喉部组织成像。”

图丨喉癌检测结果对比（来源：Nature Biomedical Engineering ）

该团队通过在体和新鲜离体组织成像实验发现，肿瘤区域与正常区域存在不同的偏振图像特征。但是，他们并不清楚这种差异背后的具体机制。祁绩表示：“利用偏振特征推测组织的病理状况在逻辑上未形成闭环，这个问题一度困扰过我们。”

最初，课题组成员想要重新获取已经被固定、切割了的组织样本，并用非线性光学方法来分析其中的偏振敏感纤维成分。后来，他们采用了一种更简单的方法——用彩色正交偏振显微镜来观察之前实验的相关病理切片。

“我们意外地观察到一种金黄色的纤维状结构，它是由双折射（一种偏振特性）引起的。”他说。这种结构在空间上有规律地分布：在正常组织中，它主要出现在固有层；在肿瘤组织中，它或者因为上皮增厚而被遮挡在组织近表区域之外，或者因为鳞状细胞癌对固有层的破坏而消失。

这种现象与该团队的成像实验结果相一致，说明偏振测量成像可反映组织层状结构这一重要病理学特征，为偏振测量成像用于喉癌探测提供了进一步依据。

图丨相关论文（来源：Nature Biomedical Engineering）

近日，相关论文在 Nature Biomedical Engineering 发表，题目为《外科偏振内窥镜检测喉癌》（Surgical polarimetric endoscopy for the detection of laryngeal cancer）。

之江实验室副研究员祁绩为该论文第一作者兼通讯作者，伦敦大学学院丹尼尔·斯托亚诺夫（Danail Stoyanov）教授和帝国理工学院丹尼尔·埃尔森（Daniel Elson）教授为该论文共同通讯作者。

图丨祁绩（来源：祁绩）

祁绩与团队致力于从肿瘤病灶精准检测和手术场景智能感知，推动内窥诊疗技术发展。此前，为解决传统偏振测量采集速度慢、图像重建慢、难以直接用于临床活体内窥成像的问题。

他们提出了一种结合圆偏照明与全偏振测量成像的方法。用于组织主要偏振性质的估计，可使采集速度提升至少 4 倍、重建速度提升近百倍[2]，为本次新研究中的实时成像奠定了基础。

此外，祁绩与团队还提出并验证了一种更为通用的方法，可以准确地分析含有米氏散射颗粒的散射介质[3]，解决了经典的偏振测量矩阵（穆勒矩阵）分析方法在检测含有米氏散射颗粒的散射介质（如生物组织）时会产生错误的问题，也为该研究中的数据分析累积了技术经验。

下一步，团队将从两方面继续深入开展这项技术的研究。一方面，增加可用内窥实验系统的数量，以便于在更多的临床案例中进行试验和验证；另一方面，探索偏振测量的方法在食道、宫颈等其他部位的肿瘤检测上的应用。

在现有研究的基础上，他们将尝试多模态的思路，进一步提升肿瘤检测的精准度和可靠性。“欢迎对内窥诊疗精准化与智能化感兴趣的人才加入我们，也欢迎与有共同愿景的同行携手合作，共同推动相关技术的发展与转化。”祁绩说。

参考资料：

1.Qi, J., Tatla, T., Nissanka-Jayasuriya, E. et al. Surgical polarimetric endoscopy for the detection of laryngeal cancer. Nature Biomedical Engineering (2023). https://doi.org/10.1038/s41551-023-01018-0

2.Qi J, He H, Lin J, Dong Y, Chen D, Ma H, et al. Assessment of tissue polarimetric properties using Stokes polarimetric imaging with circularly polarized illumination. Journal of Biophotonics，2018;11(4):e201700139. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29131523/

3.Qi J, He H, Ma H, Elson DS. Extended polar decomposition method of Mueller matrices for turbid media in reflection geometry. Optics Letters 2017;42(20):4048-51. https://doi.org/10.1364/OL.42.004048