熒光引導手術 (FGS)
癌癥是數百萬人患病和死亡的主要原因。迫切需要開發新的藥物、治療方法和技術來對抗這種疾病。在這方面，基于光學的技術在多種癌癥的檢測、診斷和手術治療中發揮著越來越重要的作用。
傳統的利用白光成像來可視化癌性腫瘤，但對腫瘤邊緣的預測很差，并且可能不夠敏感，無法檢測到小腫瘤。然而，新的發展已經將熒光成像與傳統的成像方式相結合。這種新方法通常稱為熒光引導手術 (FGS) 或熒光圖像引導手術 (FIGS)，可用于開放視野或微創內窺鏡檢查程序。FGS 使用術前施用的熒光造影劑，然后在腫瘤切除期間照射手術區域。染色后的腫瘤細胞的發射熒光具有特異性，檢測該發射的熒光可以更好的識別存在分子差異的組織。因此，熒光成像提供的主要優勢是為外科醫生提供清晰、高對比度的視圖，從而改善手術過程中腫瘤塊的識別和描繪。與術前成像、肉眼目視檢查和手術期間觸診相比，它為外科醫生提供了的癌癥部位導航、更安全的切除和更高的靈敏度。
熒光引導手術(FGS)系統的成功不于腫瘤成像和切除，還擴展到廣泛的更臨床應用，例如前哨淋巴結標測、血管造影、淋巴造影以及輸尿管和膽管解剖成像。熒光引導手術(FGS)可用于在手術期間保存健康的細胞和組織，例如神經和血管，使用突出這些結構的特殊熒光標簽。熒光引導手術 (FGS) 還可以幫助對血流和組織灌注進行成像，識別可能導致術后并發癥的血流不暢的區域。
熒光引導手術 (FGS)環境
熒光引導手術(FGS)光學系統的設計目標與非手術熒光成像儀相同：支持高對比度和高分辨率成像，允許區分熒光標記和未標記組織。然而，與封閉場離體熒光成像相比，在臨床兼容性上，熒光引導手術(FGS)提出了額外的性能要求。即：照明應限制在熒光團激發波長處的窄光譜帶，以減少背景信號和噪聲。 因為白光照明為受過訓練的外科醫生提供了好的參考，外科醫生可以依賴視覺信息來識別解剖標志和組織的原始顏色。 這就需要在單個疊加顯示器上實時查看白光和熒光圖像并進行聯合配準，手術團隊就不必交替查看熒光成像儀顯示器和手術區域。 理論上是在不受控制的環境光下進行熒光模式操作， 但是，因為開放視野的熒光引導手術(FGS) 步驟實施通常在手術室的明亮白光照明下進行 [1]。 鑒于發射熒光信號的強度相對較弱，實現實時熒光成像以及疊加功能給系統設計帶來了挑戰，但在現代實現中，這一點可以被越來越多地克服。
熒光成像光譜和熒光試劑
熒光引導手術(FGS)方法成功的核心是使用無毒造影劑。目前，盡管其他一些造影劑已獲得臨床批準，包括 (MB)、5-氨基乙酰丙酸 (5-ALA) 和[2]， (ICG) 是用于熒光引導手術(FGS) 的常用的近紅外（NIR）熒光染劑/熒光團之一，。 然而，許多熒光團是市面可售的，并且許多新型 FGS 造影劑正在開發中 [3] [4]。這些新的熒光染劑有望支持如何為手術決策提供分子信息的范式轉變。
生物醫學熒光成像在可見光波長下工作，延伸至近紅外（NIR）光譜。大多數熒光探針在可見光范圍內發光(～ 400-650 nm），這不是，因為伴隨的組織自體熒光和可見光的高吸收率將穿透深度限制在幾毫米以內。 近紅外熒光團更適合體內成像，對熒光引導手術(FGS)具有的潛力。700至900 nm的“NIR-I窗口”允許更深入的組織成像和更高的靈敏度，因為在NIR波長的低組織自發熒光和減少的光散射進一步簡化了濾除背景信號的任務。 第二個近紅外波長窗口（NIR-II，1000至1700 nm）可以進一步改善圖像引導手術[5]。然而，目前很少有NIR-II探針允許動態成像，而那些可用的NIR-II探針需要使用定制的相機。
| 熒光染料 | 典型峰值吸收/發射 (nm) | 濾光片選型 |
|---|---|---|
| 熒光素 | 490 / 520 | 或 |
| PpIX 來自 5-氨基乙酰丙酸 (5-ALA) | ~ 400 / ~ 630 | LD01-405/10 或 FF01-389/38, 和 FF01-625/26 |
| Cy5 | 650 / 670-680 | 或 |
| Methylene Blue (MB) | 670 / 690 | |
| Cy5.5 / AlexaFluor 680 | 683 / 703 | |
| Cy7 / AlexaFluor 750 | 750 / 775 | 或 |
| Indocyanine Green (ICG) | 790 / 820 | |
| IRdye® 800CW | 785 / 810 |
表 1：FGS 中常用的熒光探針列表和儀器原型設計的濾光片推薦選型。濾光片的選擇取決于整個系統設計，尤其是激發光源。
手術環境中背景信號和噪聲的挑戰
高檢測靈敏度是熒光引導手術(FGS)成像的關鍵性能要求之一。這種高靈敏度允許成像系統顯示與生物組織背景區分開來的可用圖像，即使在低濃度熒光團的情況下，例如手術切除中的非常小的腫瘤。這種敏感性提高了患者的診斷準確性和手術結果。然而，對微弱熒光發射進行成像具有挑戰性，并且需要增加信號背景比以區分患病組織和無病組織，或識別要保存的重要結構，例如神經、血管、輸尿管和膽管。
濾光片使熒光引導手術(FGS)成為可能
由于很強的環境照明，在手術環境中實現高信號和低背景在開放視野手術中是復雜的。有幾個因素會影響熒光檢測的效率，因此成像系統中的所有組件都需要仔細設計和優化。例如，用于激發光源、光束組合和分離分色鏡以及發射光的濾光片。這些濾光片對于通過限制背景光來增加檢測靈敏度至關重要。光譜過濾可減少不希望的信號，例如激發或環境光泄漏，同時增加熒光信號收集。
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參考文獻
[1] DSouza AV, Lin H, Henderson ER, Samkoe KS, Pogue BW. 回顧熒光引導手術系統：確定成像以外的關鍵性能。 J Biomed Opt. 2016;21(8):80901. doi:10.1117/1.JBO.21.8.080901.
[2] Pogue BW, Rosenthal EL. 審查在開放場熒光引導手術中獲得監管批準的成功途徑。 J Biomed Opt. 2021;26(3):030901. doi:10.1117/1.JBO.26.3.030901.
[3] Nagaya T, Nakamura YA, Choyke PL, Kobayashi H. 熒光引導手術。 Front Oncol. 2017;7:314. Published 2017 Dec 22. doi:10.3389/fonc.2017.00314.
[4] Barth CW, Gibbs SL. 熒光圖像引導手術 - 造影劑開發的觀點。 Proc SPIE Int Soc Opt Eng. 2020;11222:112220J. doi:10.1117/12.2545292.
[5] Cao J., Zhu B., Zheng K., He S., Meng L., Song J., Yang H. 用于生物成像的 NIR-II 造影劑的進展。 Front. Bioeng. Biotechnol. 2020
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