随着微创诊疗技术的提升和对精准诊疗要求的不断提高，单纯依靠术前影像已经不能满足术中诊疗的需求，因此在术中对病变组织进行成像和病理诊断于精确、直观地进行手术治疗具有重要的意义。分析术中病变组织的精确辨识和诊疗一体化对临床的意义，对相关的研究和产业布局有重要作用。

　　术中影像引导治疗是基于在术中、手术治疗开始前的生物组织实时成像，对术中组织提供高精度的诊断，进而实时辨识组织的病变程度及病变范围。其技术涉及多个领域，包括光学特性分析、分子结构、声学特性分析、信号处理与分析、荧光材料合成及光谱等技术，在产业链中分布极其广泛而深入。

　　随着影像设备性能的不断提升及新型技术的开发，术中提供实时影像并实时诊断已逐步成图像引导治疗重要方式。

　　传统影像引导手术

　　在过去的几十年中，传统成像系统在影像引导手术治疗的诊断环节具有至关重要的作用。计算机断层成像（CT）、磁共振成像（MRI）、正电子发射断层成像（PET）、超声成像等成像技术在病变检查与诊断（尤其是在肿瘤的诊断）中广泛使用。同时，在脑外科、肝脏、脊柱外科、骨科、腹部外科等手术中，影像引导为医生提供直接的组织宏观结构与生理功能成像。红外光学跟踪系统、磁定位系统的使用，可以在术中实时跟踪手术器械和患者，有效提升了手术实施精度。

　　基于MRI、CT和超声影像等术前成像的手术导航系统目前成为图像引导手术的临床应用主流设备，其成像精度、分辨率也不断改善。超声成像通过调整超声频率可以同时实现高时空分辨率成像，对浅表病灶进行细致观察，尤其是软组织、脑肿瘤等；此外，超声本身具有较深的穿透性，超声成像可以达到厘米级深度，有无辐射和高时间分辨率的优点，能为手术提供实时引导。值得关注的是，高频超声多普勒技术能很敏感地反映微小血管血流动力学特征，在超声微泡的辅助下可以进行高对比度的功能成像，有望在未来手术实时诊断中发挥重要作用。

　　在脑组织的疾病诊断中，fMRI能提供有重要参考价值的影像。通过张量成像等方式能帮助医生识别人眼难以分辨的核团、追踪脑部纤维束等结构，在治疗中更地好保护神经功能。

　　分子成像探针能与分子或细胞特异性结合，结合CT、MRI、PET等多种传统成像手段能够使术中成像达到分子级别的分辨率。有独特的药物动力学特征的纳米粒子能在免疫等细胞中聚集，因此在特定的器官、细胞或蛋白的靶向病理学表征中效果显著。PET实时成像技术结合活体内基因表达探针的成像研究可以对细胞凋亡过程进行高敏感性实时成像，提升成像空间、时间分辨率。

　　同时，随着技术的进步，基于MRI、CT、超声等影像融合的多模态成像也成为影像引导手术的一个趋势。通过对多模态数据融合，实现多种技术的协同效应，取长补短，可以为临床提供更加丰富和准确的病理生理结构信息。

　　虽然传统成像手段也在不断进步，但是其空间分辨率通常为毫米级别，对于更加精细、复杂的结构还不能辨识。术前影像对疾病的诊断发挥重要作用的同时，术中实时影像及诊断无疑是未来发展的趋势。这样的诊断方式将会对精准的手术及其他治疗方式提供实时引导并提升治疗精度，提高治疗效率，缩短手术时间。

　　为获得体内深层次的结构信息，或在术中获取实时诊断信息，一些新型术中微创精准诊断技术在近几十年间蓬勃发展，在临床诊断中的应用转化也日益成熟。同传统影像相比，以光学、声学等物理特性为基础开发的多种新型实时诊断方式，在传统的全局导航基础上与术中局部导航影像融合，形成新型精准导航系统，可以对术中病变组织的原位成像并在术中精准诊断并引导手术切除。

　　光相干断层成像

　　光相干断层成像（OCT）是采用近红外光干涉测量的原理，将不同深度信息提取并将其重建形成断层图像。由于其成像方式简单、结构简化、分辨率高、无辐射、成本低廉、成像速度快，被称为“光学活检技术”，是近期发展较为迅猛的光学断层影像诊断手段之一，正从最初在眼部疾病诊断向血管内介入诊断及复杂组织疾病诊断领域扩展。

　　OCT可以提供微米级甚至亚微米级分辨率的生物组织成像，成为分辨术中细胞级结构的有效方法。在脑部肿瘤的成像与诊断方面，自OCT技术被应用于生物组织成像以来，便有学者将超高分辨率OCT用于人类脑部成像，主要关注脑部的不同组织与病灶的成像特点。其中，较早的研究一般都是在离体组织上实现的，包括辨识正常组织、纤维束与脑膜瘤、高度/低度胶质瘤和脉络丛乳头状瘤等肿瘤组。通过对光学测量参数的计算和调整，结合OCT多模式的成像方式，例如频域OCT、偏振敏感OCT（PS-OCT）、时域近红外光OCT、全场OCT（FF-OCT），对多样化组织（例如脑及脑干等复杂组织的肿瘤）进行处理，得到精准的结构与功能成像和病变辨识标志物。

　　基于频域OCT的成像系统在术中结构成像上达到微米精度的效果。最近的研究表明，使用频域OCT系统实时对成像区域进行处理和彩色绘制，同时利用金属纳米笼颗粒对组织的光学衰减特性分析，选择合适的光学衰减系数阈值，在术中可以实时显示脑部肿瘤与非肿瘤区域的视图。该成像系统与处理方法可以为医生提供很好的术中引导，以及肿瘤边界判断依据，从而更好地保护正常脑功能区域，提升患者术后恢复效果。此外，结合光学相干弹性成像（OCE）等实时功能型光学成像手段可以更加精确地辨识术中病变组织，使用偏振敏感OCT与结构成像融合能够提升术中病变检出精度及诊断准确性。

　　随着OCT在诊断领域的不断深入应用及其对病变诊断精准性不断提高，术中实时的非手术式治疗也会成为一个有潜力的方向。通过整合特定的非手术治疗方式对精细复杂的结构（例如脑干、脊髓肿瘤等）进行实时治疗，可以有效提升病变治愈程度和精度。

　　但是，由于成像深度及成像范围的局限性（在复杂组织中，OCT只能在1毫米左右的深度），OCT只能在浅层和小范围成像。因此，增加成像深度和扩展成像范围构成宽场成像模式将是OCT的在局部导航方面的一个重要发展趋势。

　　术中荧光成像及荧光光谱分析

　　术中荧光成像及荧光光谱分析主要利用生物组织对荧光光敏剂的特异性差别成像。荧光物质在代谢旺盛的地方汇聚，从而实现对病灶组织（尤其是肿瘤组织）的标记，目前荧光成像已经开始应用于肿瘤的外科治疗。荧光成像的特异性、实时性与无辐射性，使其在肿瘤组织的动态识别方面应用广泛。

　　特别是生物学与化学领域的进步为荧光成像提供大量特异性的荧光染料。另外，弱光采集、荧光成像深度、自动识别技术的发展，进一步提高了病灶区域边界识别能力；利用组织自荧光方式，使用红外探测等技术可以实现肿瘤的实时在体识别，这类成像技术为手术引导提供了更加精准的辨识手段以及自动辨识能力。基于5-ALA荧光和光谱分析能够使得医生对肿瘤与正常组织的边界判别精度小于0.1毫米，同时使用荧光-激光诊疗一体化系统可以对脑肿瘤实现自动治疗。

　　同时，荧光引导手术也逐步成为研究热点，尤其是在残余肿瘤的切除研究中，残余肿瘤的切除受限于医生的手和眼，因此，使用荧光引导可以清晰分辨手术中的残余肿瘤；而激光消融等治疗方式可以精准去除手术中的残余肿瘤。两种方式有机结合，能够高精准地完成手术中的残余肿瘤的切除，提高了手术治愈率并减少了手术复发性。不少研究者致力于精准、实时地对肿瘤判断并精准切除，同时也对精准诊疗系统的可靠性和集成稳定性做了提高和改善。

　　然而，在当前的临床使用中，荧光染料大都只对中晚期肿瘤的标记率较高，对早期肿瘤的特异性仍显不足，因此研发对早期肿瘤的特异敏感性的荧光光敏剂具有重要意义。

　　术中超声成像

　　术中超声作为较为成熟的技术广泛应用于术中实时独立的原位成像并引导脑肿瘤手术切除。

　　同时，对比度增强超声在肿瘤切除中的使用也比较广泛，尤其是对残余肿瘤的辨识，对比度增强B型超声能够根据组织的血管化程度（并非组织的回声系数）辨识恶性胶质瘤的肿瘤实质与正常组织。但由于超声成像只能达到毫米级分辨率，在临床使用中还不能对显微尺度的手术实施引导，因此在复杂精细组织的肿瘤切除应用方面受到了极大的限制。

　　术中超声与内窥镜的融合对复杂结构与病变组织的成像将会提高术中诊断精度。使用快速三维超声图像与内窥镜图像融合拼接，可以在胎儿外科手术中解决内窥镜图像视野局限对复杂结构的辨识与疾病诊断。

　　光声成像

　　光声成像融合了光学与声学成像的优点，具有非侵入式、高穿透深度、高时空分辨率的特性，广泛应用于术中无标记的肿瘤实时成像。对比OCT成像，光声成像能够达到厘米级深度，分辨率能保持在100微米。光声成像技术在肿瘤尺寸、位置测量、恶化程度等方面已取得诸多研究成果，结合纳米材料对肿瘤血管的在体标定，目前已能实现对单个细胞无标记成像，同时还可以对药物代谢与血流异常进行识别。光声成像在脑代谢成像中应用价值比较高，使用光耦合对比增强剂对脑代谢成像，可以获取量化的血红蛋白含量，同时在脑深部成像中，为脑肿瘤的辨识提供了丰富的血管代谢影像支持。

　　另外，光声成像与OCT结合对术中精准探测也有重要意义。OCT可以对组织的结构成像，光声成像可以对组织中微小血管的血流情况实现实时监测。与单独的光声成像相比，结合OCT的成像系统结构更加复杂，对设备集成稳定性要求更高。

　　由于光声成像技术还存在一些缺陷，其存在探测方式缺乏稳定性、探测深度比较浅、硬件装置大、成本高、成像范围小、实时性不强等问题，还很难运用于临床医疗中，有待进一步完善和改进。

　　术中拉曼显微成像

　　最近几年发展起来的新型光学成像方式——拉曼显微成像，在脑肿瘤手术中，提高肿瘤的精准诊断方面具有重要影响。尤其在脑肿瘤边界辨识中，受激拉曼散射成像的研究已经有了重大突破，在对大脑胶质瘤的边界识别、肿瘤组织的辨识上，拉曼光谱成像与H&E染色相关性达到0.98，能有效改善手术的安全性。利用不同分子的特征拉曼光谱性质，可以在术中对肿瘤进行成像，并且能实时评估肿瘤的恶性程度与肿瘤边界，对肿瘤细胞的检测灵敏度与特异度分别达到了93%和91%。

　　基于纳米粒子的术中表面增强共振拉曼成像对术中实时的肿瘤成像，能够进一步提升肿瘤的边界识别精度。并在没有专家的指导下，其灵敏度与特异性分别达到了97.5%和98.5%。

　　由于拉曼光谱成像技术对肿瘤诊断的精度不断提高，目前已经开始在临床中展开。但是，受到组织的高散射影响，目前的成像深度只能够达到100微米左右，在引导手术过程中由于医生的手术切除深度不确定性和不固定性，其在深度方面的局限性导致对手术治疗的影像引导不精准，进而造成残余肿瘤的切除不彻底。

　　术中质谱分析

　　在最近几年的研究中，一些新型的术中信息精准、实时化采集与处理方法，也促进了诊断与治疗技术的结合。术中质谱分析以术中烧蚀的气体为对象，利用质谱实时获取组织的病理信息，辨识组织中的肿瘤性质及肿瘤边界，引导手术切除病变组织部分。随着技术的不断革新，电喷雾解析电离质谱、探头式电喷射离子化、接触式雾化、快速雾化电离化质谱技术不断地应用于手术引导中，使得肿瘤的术中诊断增添了新的利器。

　　然而尽管质谱信息在术中使用方便，并且其诊断精度不断提高，但是，由于质谱在诊断过程中受空间分辨率限制、诊断设备成本高，因而在实际手术治疗上的应用还是受到一定的限制。

　　切伦科夫光学成像

　　放射性核素通过切伦科夫辐射产生切伦科夫光，可以对生物的组织特性进行成像。切伦科夫光学成像技术在肿瘤边界分析、残余肿瘤及手术导航中有广泛的应用。

　　同传统的成像模态MRI、CT、PET、SPECT相比，切伦科夫光学成像具有低成本、高通量、成像时间较短等优势，但是这种成像方式需要对患者注射放射性核素，对人体有一定的放射性影响，目前只能对表面的组织成像（成像深度较浅）。

　　术中内窥镜成像

　　在内窥镜引导下，医生可以直观清晰地对手术中的病变识别，术中内窥镜成像可以对病变组织直接观察。内窥镜尤其是多功能内窥镜在术中实时诊断方面发挥着重要作用。

　　基于病理组织对特定波长光线敏感的荧光与窄带光谱等技术，能够在成像中突显病灶及边界，显著提高诊断敏感度，为术中精准诊断提供了可靠的方式，受到业界普遍关注。高清与显微内窥镜有助观察组织细微血管分布与结构特征，可大大地提高早期癌症的诊断精准率。

　　内窥镜结合荧光、多光谱等方式在实现术中实时成像的同时，能够对于肠道病变进行精准诊断。肠道病变组织在术中实时成像时将会变得容易辨识，并能有效提高手术治疗的精度。

　　随着经自然腔道内窥镜的不断开展，微创式手术也在临床中不断应用与实践，在此类内窥镜的引导下实现肿瘤精准治疗将指日可待。

　　多模态信息融合及多技术复合的精准诊疗

　　术前影像通过数据可视化形成全局导航，同时结合术中实时三维信息为手术提供了局部导航信息，包括组织光学衰减、微米级结构影像、声学信号、光声信号、光谱信息、质谱信息等。

　　融合裸眼立体显示技术使得观察者不需要佩戴眼镜等附加装置就可以获取立体信息，并能够实时更新，有效提高手术的精准性和效率。

　　融合了以光学、声学为主的术中影像引导局部导航，结合术前影像全局导航引导的诊疗方式，能够达到微米级的影像分辨率，可以实现术中的精准诊断，这在大脑及脑干肿瘤和复杂脊髓肿瘤诊疗中有突出的表现。

　　以精准的术中诊断为前提和基础，结合新型治疗方法对实施精准而高效的治疗尤为重要。例如借助微型手术器械及手术机器人在传统的整体成像及全局导航系统的引导下，实施术中精准的微创操作及治疗，能够有效解决手术治疗过程中因人手尺寸过大或不能反向弯曲而产生的不能直接操作的问题。

　　我们认为，术中影像引导结合术前影像导航的新型导航系统已经逐步被转化并运用于临床，而且逐步开始形成以光学为基础的检测与采集、光谱分析、结构设计、高端智能制造等系列高科技产业。

　　相信在不久的将来，精准诊疗将会为保卫人类的健康彰显更大的价值。

　　作者单位：清华大学