热层析成像在乳腺肿瘤诊断中的临床研究进展

霍慧萍，李俊来

解放军总医院 超声诊断科，北京 100853

热层析成像在乳腺肿瘤诊断中的临床研究进展

霍慧萍，李俊来

解放军总医院 超声诊断科，北京 100853

热层析成像技术是影像医学新技术，是光学成像领域又一重大突破。该技术可以检测到细胞新陈代谢所产生的热量，通过对热分布信息的摄取，推断热与疾病间的内在联系和规律。为了探明疾病和热分布的关系建立了生物热传导模型，利用该模型对红外热像图上可能病变区域的温度数据进行分析处理，得出热源深度h和强度q值，这两个参数可对肿瘤进行定性、定位。热层析技术是一种既体现功能学又具有形态学的热影像新技术，比其他临床检测方法更早地发现病变。本文就此技术在乳腺疾病早期诊断中的临床研究进展予以综述。

热层析成像；乳腺肿瘤；红外成像

任何活的生物体都存在温度，因此可通过体表温度差异进行疾病的诊断和鉴别。早年近红外乳腺成像试图区别乳腺是否有病变及鉴别其良恶性，但由于当时技术条件有限，诊断的准确率始终徘徊在低水平，漏诊和误诊率较高。2000年后出现了热断层技术，能够探测到人体不同深度的温度信息，应用于乳腺检查。2003年发展为热层析成像技术(thermal texture maps，TTM)，它可以逐层反映温度的范围和深度，在肿瘤细胞早期倍增时探测到其功能性变化以及未受损组织的生理学和分子进程，是目前国内外红外热成像研究领域的热点[1]。当前乳腺癌发病率在我国多数城市已居女性恶性肿瘤的首位，发病率上升速度较欧美国家迅速[2-4]。有资料表明，乳腺癌10年生存率调查0期为95%，Ⅰ期为88%，Ⅱ期为66%，Ⅲ期为36%，Ⅳ期仅为7%[5]。因此，乳腺病灶的早期发现及准确的良恶性鉴别对于治疗方案的调整、判断预后及提高患者生存率有重要意义[6-8]。现就TTM在早期诊断乳腺疾病中的发展历史及研究进展做一综述。

1 热成像的研究背景及发展简史

利用温度推测疾病早在两千多年前就有记载。直到1870年，水银温度计问世，能够为人们提供体表温度数值，至今仍被人们广泛运用。但其是以单点接触的形式得到病人的接触点温度从而推断出全身体温，不能够反映体内深层次的体核温度。1800年英国的天文学家William Hirschel (威廉·谢尔)发现并报道了热图，称之为红外热辐射，他认为只要存在着热即会有红外线。这一技术很快扩展到医学领域并应用于肿瘤诊断。1934年，Hardvd以不接触人体的方式将红外辐射原理应用到实践中，测得人体皮肤任一点的温度和二维温度场。在这一理论基础的指导下，1956年，美国医生Lawson应用红外热辐射发现乳腺癌周围正常组织均较病灶部位温度低。1961年，英国医生Williams为红外热像诊断树立了新的里程碑，他利用红外扫描仪拍摄了世界上第一张乳腺癌热图。Gathetie等在恶性肿瘤局部的代谢状况方面做了研究，奠定了热像图诊断肿瘤的理论基础。1979年，国内学者姜宗桥关于红外热像仪临床应用的报道首次在国内发表，表明我国红外研究不落后于国外水平。由于当时红外传感设备的不完善以及计算机技术水平的限制，并且缺乏热图像解读经验，在诊断的准确性方面不是特别理想，使得该技术在20世纪80年代后一度处于低谷。伴随着军事等高科技红外热传感技术的发展，90年代后红外在医学领域也得以迅速发展。2000年国内学者刘忠齐研制出世界首台热断层成像系统，同年在美国申请专利并应用到医学实践中，专利号为6023637[9]。2003年刘忠齐等在香山会议中将其统一命名为热层析成像系统并应用于临床实践中。

2 红外热成像技术在乳腺检查中的工作原理

根据红外辐射信号来源不同，国内外标准统一分为被动式和主动式两大类。近红外乳腺成像系统即被动式红外乳腺成像技术，需要外来光源的照射。远红外热像仪即主动式红外成像技术，无需外来光源的照射，通过自身发热来产生红外辐射信号。在远红外成像技术的基础上进一步开发研制出了TTM系统。

2.1 近红外光成像技术 近红外光乳腺成像仪又称红外乳透(computer diaphano-graphy imaging system，CDI)，是被动式红外热成像技术。内置光源发出近红外射线对软组织进行照射，经软组织选择性吸收，穿透后的各频段的光源经高灵敏摄像机采集并转化成电信号，传输到计算机呈现出二维影像。国内张明明和陈艾江[10]对81例乳腺疾病患者进行了近红外检查，诊断准确率仅71.6%。由于近红外乳腺检查仪是初级产品，很多硬件和软件有待完善和提高，诊断准确率较低。

2.2 远红外成像技术 人体自身辐射出的热辐射信号-远红外线被红外热像仪摄取后，经信号处理系统处理后转换为电信号，呈现在显示屏上的热图像就是这一电信号转换而来，这就是主动式红外热成像的基本原理。人体内部的温度场分布既与其解剖结构、血管形态和肿块形态等形态学信息密切相关，也与其组织代谢、生理和病理改变等功能学信息密切相关。它是与温度有关的人体功能学和形态学信息的综合表现和反映。机体组织能量代谢水平、局部的血液循环状态和神经内分泌水平均通过组织细胞新陈代谢反映出来，恶性肿瘤细胞代谢较其周围正常组织活跃，产热增加，这一温度的差异为判断疾病的存在提供了客观依据[11]。红外扫描器接收热信息后经计算机编码处理，其温度的强度和范围以不同的色彩来表示，深部病灶的热信息反映在彩色图谱中，以此推断出病灶的深度和性质。高东宸等[12]分析了196例乳腺肿物患者，将术后病理结果与红外热像图进行对照，诊断正确率良性肿物为89.3%，恶性肿物为89.2%。该研究指出，红外成像技术不能准确定位病灶的大小和深度，也不能提供组织内部温度的变化范围及病灶深度的相关信息，在定性和鉴别诊断方面存在不足。

2.3 热层析成像系统 TTM系统基于远红外成像技术，在高科技的时代背景下也得到了迅猛发展。它突破了以往红外热像图仅从表观上定性分析人体异常温度信息的局限，从物理学原理出发，在不接触人体皮肤的情况下获取生物体表面温度，以三维重建的方式模拟出立体温度场，逐层扫描，利用物理学公式计算出体内热源强度值及深度值[13]，从而将诊断定量化。

人体组织细胞新陈代谢所产生的热在向体表传递的过程中形成热分布曲线，随着热源深度逐层向外推进，热源强度q值曲线产生相应变化，热源强度逐渐降低。不同深度的体内热源，在体表形成的热分布不同，在此过程中可有热量损耗从而使热量逐渐降低[11]。李凯扬等[14]通过求解Pennes生物传热方程，利用体表温度值得出体内热源的深度和强度值，对多个点热源进行温度叠加、曲线拟合，将多点温度相互干扰、融合而构建了不同内部热源的三维温度场。系统软件将选取的热像图目标区域做逐层处理，构建出包含热源深度信息的q值特征曲线，测得热辐射源的强度值和深度，将定性诊断提升到定量[15]。

3 TTM系统与其他影像技术的比较

目前应用于临床的乳腺检查主要有彩色多普勒超声、乳房X线摄影术、CT、MRI等，它们各具优势，也存在各自的局限性。X线乳房摄影检查在欧美国家通常作为女性健康筛查的首选，在乳腺病灶中微钙化显示极为敏感，异常征象沙粒样钙化灶对于提示乳腺癌极具特异性，但对于不伴钙化灶的乳腺癌来说显示不出其优势。在X线摄影操作时对乳房进行挤压，使得肿块定位相对不准确，适合宽大肥厚乳房检查，而对于扁平乳房及致密乳腺漏诊率较高。袁云娥等[16]对78例女性乳腺肿块患者进行了TTM和X线摄影检查，TTM的真阳性率为92.7%、真阴性率为94.6%，X线摄影检查的真阳性率和真阴性率分别88.2%和86.1%(P＜0.001)。Köşüş等[5]将X线摄影和超声结合筛查乳腺癌的准确率由单独X线摄影的78%提高到91%，诊断的阳性率由7.6/1 000提高到11.8/1 000。

CT、MRI因价格昂贵常不作为乳腺癌的首选筛查手段，对于筛查后性质不明确的肿物可进一步明确其性质，成像质量受呼吸影响较大，对安装心脏起搏器或金属支架者不能行MRI检查等，因此不适合乳腺疾病的普查。多普勒超声目前在我国乳腺癌筛查中充当着重要角色，凭借其较高的软组织分辨率，对肿瘤的定位较为准确。但对于极早期乳腺癌的检出和鉴别诊断方面还存在着不足，受仪器和医师主观影响较大。

恶性肿瘤细胞较正常细胞代谢活跃，产热增多，这种改变早期即可被TTM系统检测出来。李昶田等[17]对114例乳腺肿瘤患者行超声和TTM检查，超声检出乳腺癌的敏感度、准确率为74.42%、74.56%，TTM检出乳腺癌的敏感度、准确率为81.40%、70.18%，二者联合应用检出乳腺癌的敏感度是95.35%，准确率是86.84%。其中＜1 cm的微小乳腺癌有6例；有10例病理结果证实为恶性的病例超声诊断为良性而被TTM正确诊断。李凯扬等[14]对19 798例体检者进行TTM扫查，选取其中231例有活检病理结果的受检者为研究对象，TTM的诊断准确度为95.7%、敏感度为85.7%、特异度为96.0%。Arora等[2,18]对92例行TTM检查，经与穿刺活检比较乳腺癌的诊断敏感性达到97%。Yuan等[19]对25例恶性乳腺肿瘤和13例良性乳腺肿瘤术前均做了超声、X线摄影和TTM检查，TTM与病理结果的符合率分别为100%和96%，X线摄影符合率分别为88%和63.6%，超声符合率分别为90.5%和63%。

TTM定位于细胞，可以通过热量的变化实时观察细胞的新陈代谢活动，从而感知到一个很小的细胞群功能的变化，并通过分析测量来判断病变的性质。这一技术较传统影像方法提早8 ～ 10个月发现病变。临床应用证明，它可以较早期发现无主诉或临床其他检查手段尚未发现的病灶，尤其对癌前期、早期及原发癌的鉴别诊断、指导临床治疗提供了极有价值的参考[20]。TTM技术是向细胞功能代谢的影像学检查的突破性进展，从大体形态上的影像诊断到细胞代谢上的功能诊断，可以极早期检测到细胞的异常代谢，其环保、无辐射、操作简单、可反复动态检查。在肿瘤的早期诊断方面和女性健康普查中可以大力推广[1]。

4 TTM的局限性及技术展望

TTM近年来虽然取得了突破性的进展，但其检查过程中仍然存在着诸多有待改善的问题。其图像的空间分辨率、温度分辨率还有待提高；临床医生对热像图的解读水平有待提高，还需制订专业的临床规范指南，统一诊断结果等。

从目前TTM技术发展的趋势来看，其将在医学领域占有其他影像技术不能取代的地位。它突破了现有的医学影像仪仅有单模态(功能影像学或形态影像学信息)的情况，创新性地将功能影像学和形态影像学信息集成，提供尽可能多的影像学信息用于医学分析和研究。目前临床应用相对容易识别＞1 cm的病灶，很难发现＜0.5cm的病灶。从细胞异型倍增到异型细胞团聚集达到0.5 cm时恰恰是治疗的关键期，TTM系统须将这一领域作为研究重点并深入探索。

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Advances in thermal texture maps in breast lesions and its clinical practice

HUO Huiping, LI Junlai
Department of Ultrasound in South Building, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China

LI Junlai. Email: li_jl@yeah.net

Thermal texture maps technology is a new imaging technique which is also a major breakthrough in the field of optical imaging. This technology can detect the heat generated by cells and then analyze the intrinsic relationship and rules between body temperature distribution and diseases through collecting heat distribution information. To find out the relationship between disease and heat distribution, a suitable bio-heat transfer model is established and a new infrared thermograph analysis method is used to analyze the information about the heat sources on a human body in this paper. The model is used to process the temperature data in the possible pathological change region in a thermography, and two reference parameters: h for the depth of an inner heat source and q for the heat intensity of an inner heat source are chosen. These two parameters are very effective for the nature determination and location of tumors. Thermal texture maps technology is a radiation-free green method with rapid diagnostic procedure and accurate diagnosis result. The progresses of clinical research on the thermal texture maps technology are expounded and the advances in breast disease early diagnose are reviewed in this article.

thermal texture maps; breast neoplasms; infrared imaging

R 737.9

A

2095-5227(2015)06-0625-03

10.3969/j.issn.2095-5227.2015.06.028

时间：2015-3-13 15:47

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3275.R.20150313.1547.004.html

2014-12-31

科技部国家重大科学仪器设备开发专项(2012YQ1020304) Supported by the National Major Scientific Equipment Special(2012YQ10 20304)

霍慧萍，女，在读博士，主治医师。研究方向：肿瘤的早期诊断。Email: hhp126000@163.com

李俊来，硕士，主任医师，主任，教授，博士生导师。Email: li_jl@yeah.net