智能光聲超聲成像系統(tǒng)顯著提升甲狀腺結節(jié)診斷效率
本研究的核心貢獻者包括Junho Ahn、Jaekyung Lee、Kwangsoon Kim、Ja Seong Bae、Chan Kwon Jung、Minseong Kim、Wonseok Choi、Byullee Park、Dong-Jun Lim和Chulhong Kim。他們的研究成果以“Smarter biopsy decisions in thyroid nodules via dual-modal photoacoustic and ultrasound imaging”為題，于2025年8月發(fā)表在《SCIENCE ADVANCES》期刊上。
重要發(fā)現(xiàn)
01研究背景與核心問題
甲狀腺結節(jié)是全球范圍內高發(fā)的疾病，隨著超聲篩查技術的普及，其檢出率不斷上升，但傳統(tǒng)超聲成像在風險評估中存在局限性導致許多良性結節(jié)被誤判為需活檢對象。尤其對于濾泡性腫瘤，其惡性風險約為30%，但超聲特征與良性結節(jié)高度重疊，使得診斷決策更加困難。光聲成像作為一種新興的生物成像技術，能夠通過檢測組織的光學吸收特性來反映功能代謝狀態(tài)，如血氧飽和度，從而為結節(jié)分類提供補充信息。本研究旨在通過結合光聲和超聲成像，開發(fā)一種智能評分系統(tǒng)，以優(yōu)化活檢決策。
研究團隊開發(fā)了實時雙模態(tài)光聲超聲成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)由可編程超聲設備和光學參量振蕩激光器組成，能夠同步獲取超聲和光聲圖像。激光波長在700納米至930納米之間快速切換，通過定制光纖束傳遞至組織，并使用線性陣列超聲探頭接收信號。成像過程中，為避免皮膚反射偽影干擾，探頭與皮膚之間保持了30毫米的間隔，確保結節(jié)區(qū)域（深度20-30毫米）成像清晰。系統(tǒng)采用手持式設計，提升了臨床操作的便捷性。
在患者招募方面，研究共納入106例甲狀腺結節(jié)患者，所有結節(jié)尺寸均大于等于10毫米，且深度不超過30毫米。通過細針穿刺活檢或手術病理結果作為金標準，結節(jié)類型包括良性、乳頭狀甲狀腺癌和濾泡性腫瘤（含腺瘤和癌）。成像數(shù)據(jù)采集后，進行離線處理，包括運動補償、結節(jié)邊界標注和多參數(shù)提取。
03參數(shù)提取與分析方法
光聲成像數(shù)據(jù)用于計算三個關鍵參數(shù)：光聲光譜梯度、相對氧飽和度和氧飽和度分布偏度。光聲光譜梯度反映了結節(jié)在不同波長下的光學吸收變化趨勢，惡性結節(jié)通常表現(xiàn)為負斜率，而良性結節(jié)斜率接近零。相對氧飽和度通過多波長光譜解混計算，惡性組織因代謝旺盛常呈現(xiàn)低氧狀態(tài)。氧飽和度分布偏度則通過高斯擬合直方圖得到，用于量化結節(jié)內氧飽和度的分布不均勻性。統(tǒng)計分析顯示，這三個參數(shù)在良性結節(jié)與惡性結節(jié)（包括乳頭狀甲狀腺癌和濾泡性腫瘤）之間均存在顯著差異。
04分類模型與結果驗證
支持向量機模型被用于整合多參數(shù)，生成復合指數(shù)以區(qū)分需活檢和非活檢結節(jié)。結果顯示，單獨使用光聲參數(shù)時，分類敏感性為55%-86%，特異性為48%-86%。進一步地，研究團隊構建了ATAP評分系統(tǒng)。通過調整權重因子γ，平衡敏感性與特異性。當γ=0.42時，系統(tǒng)在整體結節(jié)分類中達到97%的敏感性和38%的特異性，成功將11例良性結節(jié)重新分類為非活檢對象，避免了不必要的侵入性程序。
這一發(fā)現(xiàn)證實了雙模態(tài)成像在甲狀腺結節(jié)管理中的臨床價值，尤其通過光聲技術提供了功能代謝維度信息，彌補了超聲的不足。
創(chuàng)新與亮點
01突破傳統(tǒng)成像局限性
本研究的核心創(chuàng)新在于解決了超聲成像在甲狀腺結節(jié)診斷中特異性低的長期難題。傳統(tǒng)超聲依賴形態(tài)學特征（如結節(jié)大小、回聲特性），但無法捕捉組織的功能代謝狀態(tài)。光聲成像通過檢測光學吸收差異，能夠非侵入性地量化血氧飽和度等生物標志物，從而揭示惡性組織的缺氧特性。這種雙模態(tài) approach 首次將結構成像（超聲）與功能成像（光聲）無縫整合，實現(xiàn)了對結節(jié)的多參數(shù)評估。
研究團隊開發(fā)了實時雙模態(tài)成像系統(tǒng)，突破了單一模態(tài)的信息瓶頸。光聲成像部分采用多波長激光激發(fā)，結合光譜解混算法，精確計算氧飽和度參數(shù)。此外，引入機器學習模型（支持向量機）對多參數(shù)進行優(yōu)化加權，提升了分類準確性。ATAP評分系統(tǒng)的設計允許臨床醫(yī)生通過調整參數(shù)來權衡敏感性與特異性，適應不同診斷場景需求。與現(xiàn)有指南相比，本方法在保持高敏感性的同時，將特異性提升了約一倍，減少了假陽性結果。
03在光學生物醫(yī)療領域的價值
這項技術體現(xiàn)了光學成像在精準醫(yī)療中的巨大潛力。光聲成像作為一種非電離技術，安全無創(chuàng)，特別適合反復篩查和長期監(jiān)測。通過提供血氧代謝信息，它不僅能用于甲狀腺癌診斷，還有望擴展到其他腫瘤類型（如乳腺或皮膚癌）的早期檢測。此外，該系統(tǒng)的小型化和實時成像能力使其易于集成到臨床工作流中，推動個性化醫(yī)療發(fā)展。從產(chǎn)業(yè)角度，雙模態(tài)成像技術可降低醫(yī)療成本，減少患者負擔，具有顯著的社會經(jīng)濟效益。
總結與展望
本研究通過開發(fā)雙模態(tài)光聲超聲成像系統(tǒng)，成功提升了甲狀腺結節(jié)的診斷效率，顯著減少了不必要活檢。ATAP評分系統(tǒng)結合了超聲的結構優(yōu)勢和光聲的功能信息，在106例患者中驗證了其高敏感性和改進的特異性。未來工作將聚焦于硬件優(yōu)化，如提高激光脈沖重復頻率以增強成像速度，以及開發(fā)透明超聲探頭來改善信噪比。同時，集成深度學習算法有望進一步提升圖像質量和參數(shù)準確性。隨著技術成熟，這種多模態(tài)成像策略有望成為甲狀腺結節(jié)標準診斷流程的一部分，并為其他癌癥的早期篩查提供借鑒�？傊�，這項研究為生物醫(yī)學成像領域開辟了新途徑，標志著精準醫(yī)療向功能化、智能化邁出了關鍵一步。
聲明：本文僅用作學術目的。
Ahn J, Lee J, Kim K, Bae JS, Jung CK, Kim M, Choi W, Park B, Lim DJ, Kim C. Smarter biopsy decisions in thyroid nodules via dual-modal photoacoustic and ultrasound imaging. Sci Adv. 2025 Aug 29;11(35):eady6173.
DOI:10.1126/sciadv.ady6173.
