“虚拟活检”让临床医生可以无创地分析皮肤

下次当您的背部有一颗看起来可疑的痣时，您的皮肤科医生可能会跳过手术刀，而是用非侵入性“虚拟活检”扫描该部位，以确定它是否含有任何癌细胞。同样，试图确定他们是否已经切除了所有乳腺肿瘤的外科医生最终可能会依赖于手术期间捕获的图像，而不是等待病理学家处理切除的组织。

斯坦福大学医学院的研究人员开发了一种方法，该方法使用激光穿透组织并对其所含的细胞进行高分辨率的三维重建。通过这种虚拟重建，他们可以制作模仿标准活检生成的横截面图像，其中组织样本被切成薄层并放置在载玻片上，以便在显微镜下检查。

这项新方法于4月10日发表在《 科学进展》（Science Advances）杂志上，可用于无创扫描皮肤以寻找不健康的细胞，并快速提供身体其他部位的活检结果。它还可以提供比当前诊断方法更多的信息。

“我们不仅创造了可以取代当前用于诊断许多疾病的黄金标准病理学载玻片的东西，而且我们实际上提高了这些扫描的分辨率，以至于我们开始收集信息，否则很难看到，”结构生物学副教授Adam de la Zerda博士说，该文章的资深作者描述了该方法。

该方法由Yonatan Winetraub博士开发，他曾是de la Zerda实验室的研究生，现在在斯坦福大学领导自己的研究实验室，部分专注于虚拟活检。

“这有可能改变我们在临床上诊断和监测皮肤病变和疾病的方式，”共同作者、皮肤病学副教授、医学博士Kavita Sarin补充道。

激光视觉

当皮肤科医生或外科医生从某人的身体进行活检时——无论是从皮肤、肝脏、乳房还是其他地方——组织通常会被送到病理学家那里，病理学家将活检组织切成薄层。然后，病理学家用称为苏木精和伊红 （H&E） 的化学物质对每一层进行染色，这使他们能够更容易地看到细胞的模式、形状和结构。这些 H&E 载玻片通常用于诊断癌症和其他疾病。但是幻灯片是劳动密集型的，而且是不可逆的;例如，一旦活检在一个方向上切片，就不能以另一种方式切片以提供不同的视图。

近十年来，de la Zerda和他的同事们一直在研究一种不同的观察身体内部的方式，称为光学相干断层扫描。OCT 扫描通常被眼科医生用于对眼睛后部进行成像，它测量来自激光的光波如何从组织反射以创建其内部的渲染（类似于超声波使用声波可视化器官的方式）。

随着 de la Zerda 和 Winetraub 增强了 OCT 扫描，以便他们可以在眼睛以外的器官中工作——开发新的硬件来收集数据和新的处理方法——他们需要一种方法来验证扫描的准确性，因此他们将使用 OCT 扫描的组织发送给病理学家以创建 H&E 图像。

“我们不断改进和提高图像质量，让我们看到组织越来越小的细节，”de la Zerda解释道。“我们意识到，我们创建的 OCT 图像在展示内容方面确实与 H&E 非常相似。”

人工智能的帮助

OCT图像的更高分辨率为使用该方法诊断疾病而不产生H&E打开了大门。但de la Zerda和他的同事们认为，如果这些图像看起来很熟悉，临床医生会更倾向于使用OCT。

“医院的每位医生都非常习惯于阅读 H&E，对我们来说，重要的是将 OCT 图像翻译成医生已经熟悉的东西，而不是一种全新的图像类型，”de la Zerda 说。

Winetraub 求助于人工智能，帮助将 OCT 扫描转换为类似于 H&E 幻灯片的平面图像。

对于在斯坦福医院收集的 199 份皮肤活检，Winetraub 在病理学家创建 H&E 切片之前进行了 OCT 扫描。他和他的同事们开发了一种将分子标签放在活检表面的方法，这样他们就可以确定每个H&E切片在OCT扫描中的确切位置。然后，Winetraub 将其中 1,005 张 H&E 图像与相应的 OCT 图像配对，并将它们输入到人工智能算法中，该算法可以学习如何从原始 OCT 数据中创建准确的 H&E。

“这项工作的独特之处在于我们开发了对齐OCT和H&E图像对的方法，让机器学习算法在真实的组织切片上进行训练，并为临床医生提供更准确的虚拟活检，”Winetraub说。

研究人员通过向人工智能程序展示额外的 553 对 H&E 和 OCT 图像，然后在新的 OCT 图像上进行测试，从而对其进行了微调。当三位斯坦福大学皮肤科医生分析随机分类的真实 H&E 图像和由 OCT 扫描创建的图像时，他们可以以相似的速度检测细胞结构。可以从单个 OCT 图像创建任意数量的 H&E 图像，几乎可以在任何方向上切片三维重建。

迈向无创活检

当皮肤科医生注意到一个人的皮肤上有一个不寻常的斑点时，他们目前有两种选择来确定它是否构成风险：等待，看看它是否变大，或者将其切掉并发送给病理学家进行测试。

De la Zerda 和 Winetraub 现在看到了第三条道路——用 OCT 扫描潜在的癌性痣并分析虚拟 H&E 图像。

“想象一下，如果我们能让医生有能力，就在病人的房间里，拿出一个OCT相机，而不是在几十个地方对病人进行成像，”de la Zerda说。

同样，切除乳腺肿瘤的外科医生目前将切除的组织发送给病理学家进行几天的处理，并确定是否遗漏了任何癌细胞。大约 20% 的乳腺癌患者需要第二次手术来切除更多细胞。如果手术室的OCT摄像机可以生成H&E图像，以即时检测癌细胞是否残留，则可以避免随后的手术。

需要做更多的工作来推动这些应用，但研究人员相信他们的方法将为临床医生提供一种进行活检的新方法。

这项研究的资金由美国空军、美国国立卫生研究院（DP50D012179 和 K23CA211793 拨款）、美国国家科学基金会、Damon Runyon 癌症研究基金会、Claire Giannini 基金、Susan G. Komen 乳腺癌基金会、玫琳凯基金会、Skippy Frank 基金会、Donald E. 和 Delia B. Baxter 基金会提供， 癌症纳米技术卓越与转化中心、陈·扎克伯格生物中心、皮尤慈善信托基金、亚历山大和玛格丽特·斯图尔特信托基金、达蒙·鲁尼恩癌症研究基金会和斯坦福 Bio-X。