智能光聲超聲成像系統(tǒng)顯著提升甲狀腺結(jié)節(jié)診斷效率

本研究的核心貢獻(xiàn)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(jié)節(jié)是全球范圍內(nèi)高發(fā)的疾病，隨著超聲篩查技術(shù)的普及，其檢出率不斷上升，但傳統(tǒng)超聲成像在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中存在局限性導(dǎo)致許多良性結(jié)節(jié)被誤判為需活檢對(duì)象。尤其對(duì)于濾泡性腫瘤，其惡性風(fēng)險(xiǎn)約為30%，但超聲特征與良性結(jié)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(shù)，能夠通過檢測(cè)組織的光學(xué)吸收特性來反映功能代謝狀態(tài)，如血氧飽和度，從而為結(jié)節(jié)分類提供補(bǔ)充信息。本研究旨在通過結(jié)合光聲和超聲成像，開發(fā)一種智能評(píng)分系統(tǒng)，以優(yōu)化活檢決策。

在患者招募方面，研究共納入106例甲狀腺結(jié)節(jié)患者，所有結(jié)節(jié)尺寸均大于等于10毫米，且深度不超過30毫米。通過細(xì)針穿刺活檢或手術(shù)病理結(jié)果作為金標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)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(jìn)行離線處理，包括運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、結(jié)節(jié)邊界標(biāo)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(jì)算三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：光聲光譜梯度、相對(duì)氧飽和度和氧飽和度分布偏度。光聲光譜梯度反映了結(jié)節(jié)在不同波長(zhǎng)下的光學(xué)吸收變化趨勢(shì)，惡性結(jié)節(jié)通常表現(xiàn)為負(fù)斜率，而良性結(jié)節(jié)斜率接近零。相對(duì)氧飽和度通過多波長(zhǎng)光譜解混計(jì)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(jié)節(jié)內(nèi)氧飽和度的分布不均勻性。統(tǒng)計(jì)分析顯示，這三個(gè)參數(shù)在良性結(jié)節(jié)與惡性結(jié)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(jié)果驗(yàn)證
支持向量機(jī)模型被用于整合多參數(shù)，生成復(fù)合指數(shù)以區(qū)分需活檢和非活檢結(jié)節(jié)。結(jié)果顯示，單獨(dú)使用光聲參數(shù)時(shí)，分類敏感性為55%-86%，特異性為48%-86%。進(jìn)一步地，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了ATAP評(píng)分系統(tǒng)。通過調(diào)整權(quán)重因子γ，平衡敏感性與特異性。當(dāng)γ=0.42時(shí)，系統(tǒng)在整體結(jié)節(jié)分類中達(dá)到97%的敏感性和38%的特異性，成功將11例良性結(jié)節(jié)重新分類為非活檢對(duì)象，避免了不必要的侵入性程序。

這一發(fā)現(xiàn)證實(shí)了雙模態(tài)成像在甲狀腺結(jié)節(jié)管理中的臨床價(jià)值，尤其通過光聲技術(shù)提供了功能代謝維度信息，彌補(bǔ)了超聲的不足。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
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(jié)節(jié)診斷中特異性低的長(zhǎng)期難題。傳統(tǒng)超聲依賴形態(tài)學(xué)特征（如結(jié)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(cè)光學(xué)吸收差異，能夠非侵入性地量化血氧飽和度等生物標(biāo)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(jié)構(gòu)成像（超聲）與功能成像（光聲）無縫整合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)結(jié)節(jié)的多參數(shù)評(píng)估。

總結(jié)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(jié)節(jié)的診斷效率，顯著減少了不必要活檢。ATAP評(píng)分系統(tǒng)結(jié)合了超聲的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)和光聲的功能信息，在106例患者中驗(yàn)證了其高敏感性和改進(jìn)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(fù)頻率以增強(qiáng)成像速度，以及開發(fā)透明超聲探頭來改善信噪比。同時(shí)，集成深度學(xué)習(xí)算法有望進(jìn)一步提升圖像質(zhì)量和參數(shù)準(zhǔn)確性。隨著技術(shù)成熟，這種多模態(tài)成像策略有望成為甲狀腺結(jié)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)診斷流程的一部分，并為其他癌癥的早期篩查提供借鑒。總之，這項(xiàng)研究為生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域開辟了新途徑，標(biāo)志著精準(zhǔn)醫(yī)療向功能化、智能化邁出了關(guān)鍵一步。

DOI:10.1126/sciadv.ady6173.