①自動化所自主研發分子影像設備臨床應用。
②分子影像示意圖
③北京科技周主場，劉延東聽取介紹。
■本報記者 彭科峰
這是一個個曾經鮮活的生命：趙麗蓉、羅京、陳曉旭、姚貝娜……但他們，最終都成為癌症的犧牲者。
這是一組觸目驚心的數字：世界癌症報告估計，2012年中國癌症發病人數為306.5萬，約佔全球發病的五分之一；癌症死亡人數為220.5萬，約佔全球癌症死亡人數的四分之一。
毫無疑問，癌症已經成為人類健康的最大敵人之一。
對於癌症的成因，目前科學家尚不完全清楚。但一個明顯的事實是，如果我們在癌症剛剛發生的早期階段，就能夠準確診斷出來，便可以極大地提高癌症病人的存活率。
目前，腫瘤的早期成像對於癌症病人的臨床診療具有十分重要的意義，也是長期以來國際上腫瘤學基礎研究和臨床應用的一大挑戰性問題。
令人欣喜的是，近來，中國科學院自動化研究所的科研人員，在癌症的早期診斷、腫瘤的早期成像方面取得重大進展，成功研發新型光學—核素多模融合分子影像成像技術。
這種先進的技術，相比目前的醫學成像技術，其靈敏度和解析度有著極大的提升。這意味著，人類在「戰癌」的漫漫徵程中再進一步。
顯著的優勢
我國癌症發病率接近世界水平，但死亡率高於世界水平。
腫瘤防治專家認為，癌症死亡率居高不下的一個重要原因在於我國癌症發現較多處於中晚期。中國工程院院士、中國抗癌協會副理事長程書鈞說，美國近些年來癌症的發病率有所下降，其5年生存率在60%至70%，而我國腫瘤患者5年生存率在30%左右。
蘇州大學轉化醫學研究院院長時玉舫介紹，我國對腫瘤缺乏快速、特異早診手段。目前癌症的診斷主要通過實驗室免疫學酶學檢測、影像學檢測等。
那麼，現有的醫學成像技術有哪些缺陷呢？
傳統的臨床成像技術，如CT成像、磁共振成像、核素PET成像等，難以實現早期微小腫瘤病灶的檢測。其主要原因是成像技術的靈敏度瓶頸難以突破，直徑小於5毫米的微小腫瘤無法有效進行成像。
中科院自動化所副研究員王坤向《中國科學報》記者指出，腫瘤的產生、發展時間其實很長，具體來說，大致有4個階段。首先，是人體的基因出了問題。其次，人體細胞分子層面開始出現問題，比如生物分子酶、蛋白等生物分子的表達。第三階段，則是人對營養物質和廢物的代謝出了問題。最後，人體的器官組織的結構形態開始出現問題。在第三個階段，人們就可以通過解剖的方式，明確無誤地看到腫瘤了。目前，大部分醫療儀器只能在第四個階段發現癌症患者身上的腫瘤，少部分影像設備可以觀測到第三個階段的異常。但此時，已經處於癌症的中晚期，往往救治存活率較低。
「我們的技術，就是要把醫學成像提高到分子影像的水平，通過我們的設備，能夠在分子細胞的階段，就是腫瘤的第二個階段，提早發現異常，診斷有無腫瘤的發生。」王坤說。
這樣的技術，相對於以往的醫療診斷技術有著巨大的進步。
那麼，科學家怎麼能夠在分子細胞的水平判斷出人長了腫瘤，得了癌症呢？科學家採取的是「倒推」的手段。首先，科學家對已經確診的腫瘤患者體內取得的切片，用顯微鏡等手段進行檢測、研究，最終確定腫瘤患者的分子表達方式（比如說分子表達的數目、種類）。經過細緻、嚴謹的分析，科學家就能夠從分子細胞的水平，得出腫瘤的跡象。也就是說，一旦患有腫瘤，病人體內的細胞的分子表達方式必然有某些共性。科學家正是依靠這些共性，來診斷出患者是否有腫瘤。
王坤介紹，傳統成像技術中，靈敏度最高的是核素PET成像和光學成像，但這兩種技術依然存在局限，不能夠在腫瘤發展的早期發現微小腫瘤病灶。這主要是解析度和信噪比不夠，形成了對早期微小腫瘤探測的靈敏度瓶頸。
自動化所研究員田捷領導的科研團隊，提出了高能伽馬射線和低能契倫科夫螢光輻射進行內源雙重激發成像，即REFI成像，從而代替傳統的外源單一光學激發的光學成像模式。這一新型成像技術成功融合了核素PET成像和光學成像的各自優勢。相較於核素PET成像解析度差的缺點，REFI將其極限解析度由2~3毫米提高到了光學宏觀級別的亞毫米；相較於外源激發螢光成像，REFI將成像的信噪比平均提高了5倍以上。綜合以上優勢，REFI突破了常規單模態成像的靈敏度極限，將動物活體腫瘤無創成像檢測的靈敏度，由5毫米的最小病灶探測直徑推進到了2毫米。
從5毫米到2毫米，這意味著科學家能夠更早發現腫瘤的跡象，從而幫助醫生進行診斷。
看似是3毫米之差，其實意義重大。王坤指出，在實驗小鼠身上，腫瘤從2毫米到5毫米的演變有2~3天，然而腫瘤小鼠的壽命只有幾十天。「人類的壽命有幾十年，如果簡單類比的話，相當於提早好幾年發現這個人得了腫瘤。」
十年磨一劍
據了解，這一研究成果由副研究員胡振華和副研究員王坤為並列第一作者，由自動化所聯合中國人民解放軍總醫院、武警總醫院等完成。參與這項研究，並撰寫相關論文的人完全是本土化的科研人員，這體現了我國在前沿醫學成像理論和技術上的自主創新能力和科研實力。
在當前競爭激烈的科技界，尤其是在前沿醫學成像領域，要想依靠自主創新來取得突破，何其難也。但田捷等人就做到了這一點。
「今天的突破，其實是我們團隊是十多年的積累。」王坤說。
所謂分子影像技術，是在2000年左右由美國的科學家率先提出。而田捷團隊，開始相關研究也是從2002年開始，可以說，中外雙方幾乎處在同一條起跑線。但中國的科學家，雖然不能說「笑到了最後」，但至少已經取得了階段性的成果，達到國際領先的水平。
王坤介紹，REFI成像技術的成功，必須突破新型成像原理、新型成像的模型、重建的算法、新型的成像硬體系統這四大難點。也就是說，從建立理論，到進行實驗，再到研製模型機，都需要科研人員一一取得突破。所幸的是，得到相關的「973」項目、基金委重大專項等方面的資助，經過十多年的潛心研究，中科院自動化所的這支團隊終於克服重重阻力，最終取得了系列突破。
十年磨一劍，可謂是對中科院自動化所這支團隊的最好評價。那麼，國外怎麼看待這一技術呢？
「我們的這項研究，相關的論文其實早在2014年底就已經提交給國外的知名期刊。但因為我們的研究是一個新鮮事物，很難找到國外相對應的研究，期刊編輯審核了我們很長時間。最終能夠被發表，也說明我們的這項原創性的技術被國外的同行認可。」王坤說。
根據王坤等人與多家醫院的合作研究發現，目前，REFI成像技術在診斷早期乳腺癌、肝癌、胃癌這三個主要癌症方面，有著突出的效果。
從技術走向醫用
讓先進技術應用於醫療，是王坤等人長期以來的願望。此前，他們已經研製了單模態的激發螢光臨床熟悉導航系統，目前已經在301醫院、上海東方肝膽醫院等多家三甲醫院進行臨床驗證工作。
不過，這種第一代的設備，其主要功能倒不是用於早期診斷，而是用在癌症手術中為醫生提高輔助作用。具體來說，這種第一代設備因為可以發現極微小的病灶，所以具備相當的實用價值。也就是說，通過這臺設備，醫生能夠實時發現在手術進行之前沒有發現的微小病灶，同時醫生還能通過它確定腫瘤的邊界線。「過去做手術，為了防止復發和轉移，一般都會多切很多，但是有了我們的設備，醫生就能夠清楚地知道腫瘤的具體範圍，沒有必要多切除一些組織。」王坤說。
目前，醫生們已經利用這種第一代設備做了好幾百臺手術，效果比較好。「通過我們的設備，可以提高手術的治療效果，延長病人的生命。」王坤說。
對於第二代雙模臺設備，王坤希望能夠在「十三五」期間研發出原型機。
「新一代的設備一旦進入臨床，預計將會發揮巨大的作用，遠超第一代設備。」在王坤的預想中，第二代設備可以全面介入腫瘤的術前診斷、術中治療、術後的評估這三個階段，其最終目標，是全面提高腫瘤診療效果，推進「精準醫學」在中國的發展。
展望未來，王坤希望他們的這項研究能夠獲得國家政策和社會資金的支持，最終幫助分子影像在臨床實用化上的突破。目前，他們也在一些企業進行接觸，希望能夠加速相關醫療設備的研發。「分子影像技術已經發展了十五六年，已經走到預臨床階段，世界各國都在發力，中國已經有了良好的基礎，具備一定的優勢，希望我們未來在臨床應用階段不要落後於人。」
《中國科學報》 (2015-09-07 第5版 創新周刊)