荧光造影手术原理及技术流程的科普性图文展示
项目负责人：曾剑平
项目组成员：许康立 沈建 黄凯源
指导教师：詹仁雅
摘要：荧光造影手术是医学上重要的新型手术方式，可以显著提高手术的准确度，降低术后并发症。本项目通过制作简明卡通图文，对荧光造影手术技术的物理原理及操作流程进行科普讲解。同时利用简易材料和设备对临床荧光造影显微镜进行仿制，并进一步利用小龙虾、鸡蛋、鸡翅等生活中常见食材进行独创的模拟手术及荧光造影，展示荧光造影手术效果。最后结合实际临床荧光造影手术资料，探讨荧光造影技术的临床应用现状，深入浅出地对荧光造影手术技术进行科普讲解。
一 概述
（一）研究缘起
颅内动脉瘤是指动脉壁因脑动脉内腔的局限性异常扩大而造成的一种瘤状突出。颅内动脉瘤多是因脑动脉管壁局部的先天性缺陷和腔内压力增高而引起的囊性膨出，是造成蛛网膜下腔出血的首位病因。颅内肿瘤又称脑肿瘤、颅脑肿瘤，是指发生于颅腔内的神经系统肿瘤，包括起源于神经上皮、外周神经、脑膜和神经胶质的肿瘤，淋巴和造血组织肿瘤，蝶鞍区的颅咽管瘤与颗粒细胞瘤，以及转移性肿瘤。
目前的流行病学统计结果显示，颅内动脉瘤及颅内肿瘤二者的发病率均呈现逐年上升的趋势。而且由于二者的发生、发展均伴随极高的致残率和致死率，一旦出现动脉瘤破裂或者肿瘤进展等情况，将对患者家庭和社会造成巨大损失。而荧光造影成像技术对提高该类疾病的治愈率起着极其重要的作用，通过对荧光造影技术的科普化宣传，有利于提升民众对这该类疾病的理解水平，促进医患沟通，建立更好的医患关系，为预防和治疗此类疾病打下良好的基础。
吲哚菁绿（Indocyanine Green，ICG）是一种感光染料，是美国食品药品监督管理局（FDA）唯一批准的体内应用染料。它注入血液后会迅速与清蛋白及α1-脂蛋白结合，随血液经过肝脏时，有90%以上被肝细胞摄取，再以原形由胆道排泄。它不参与体内化学反应，无肠肝循环、无淋巴逆流，不从肾脏等肝外脏器排泄，无辐射、无毒副作用，且排泄快，健康人20分钟内约有97%的吲哚菁绿从血液中排出。ICG在近红外光谱范围内能被较强吸收，而且具有与血浆蛋白结合率高、不被肝外组织吸收的特点，现已经应用于生物医学成像、光动力治疗、病理组织检测等领域。近年来，吲哚菁绿荧光造影技术在脑血管病手术中的广泛应用和推广，极大降低了围手术期发生动脉瘤破裂出血、无法夹闭，瘤颈残留，载瘤血管狭窄甚至闭塞等并发症的概率。ICG术中荧光血管造影因其近红外视频摄像头整合于显微镜内，术中造影时无须移开显微镜，从注药开始，2分钟内可获得影像，术者可根据造影结果，迅速调整动脉瘤夹的位置，并可在短时间内再次进行造影检查，检验调整结果。因终末支血管缺血15分钟即可发生不可逆性改变，而术中DSA经历时间较长，当获得血管闭塞或损伤信息时，脑组织缺血时间已经较长，术后出现神经功能障碍的机会增加。与术中DSA相比，术中荧光血管造影的另一个优势在于它有较高的空间分辨率。术者在显微镜术野中能看到的血管，荧光血管造影均能显示，甚至直径小于0.5mm的血管都可显现。因此，用DSA无法显示的微小穿通血管可以用荧光血管造影观察其通畅性。荧光造影则可根据术中的临时需要进行造影，提供即时诊断。
荧光素钠是一种橙红色粉末，无气味，有吸湿性；易溶于水，溶液呈黄红色，并带极强的黄绿色荧光，酸化后消失，中和或碱化后又出现，微溶于乙醇；其吸收光谱在465～490nm（蓝色光），发射光谱在520～530nm（黄绿色光）。荧光素钠进入血液后，有80%以上和血液中的蛋白（主要是白蛋白）结合，而我们所见的荧光主要来自血浆中未结合的荧光素。近年来，研究发现高级别胶质瘤、脑转移瘤、脑脓肿和脑挫裂伤等病变会导致血脑屏障的完整性受损，局部通透性增加，使血管中的部分物质易渗透至脑组织间隙。而静脉内注射的荧光素钠可通过上述原理，在局部血脑屏障破坏部位通过渗透作用进入脑组织，从而使血脑屏障受损脑区有荧光着色。这一原理与MRI增强扫描中的钆对比剂相似，因此，荧光素钠通常在MRI上呈现明显强化的高级别胶质瘤中同样具有良好的显示效果。因此，荧光素钠血管造影技术在提高脑胶质瘤切除率和改善患者无进展生存期方面具有广阔的应用前景。
（二）研究过程
2018年10月：实验设备材料准备及设备调试。
2018年11～12月：制作关于荧光造影技术的物理原理及操作流程的卡通图文。
2019年1～2月：实验条件摸索及优化。
2019年3～4月：实验的数据采集及分析。
2019年5月：临床荧光造影手术的资料采集及处理。
2019年6月：论文撰写及成果推广。
（三）主要内容
1.制作荧光造影手术原理卡通图文
总结荧光造影技术资料及相关专家意见，对荧光造影手术原理进行卡通化，便于大众对该技术的科学原理的初步理解。
2.仿制荧光造影手术显微镜
参考德国蔡司双荧光手术显微镜（OPMI-PENTERO-900）的设计图思路，利用普通家用电器设备元件及网购相关部件对其进行仿制，实现家庭环境的临床荧光造影剂的激发和采集。通过使用LED灯代替激光、摄像头代替显微镜CCD/COMS等方法，利用普通家庭环境中可取得的材料对医学手术荧光进行简单模拟，实现家庭环境下的荧光造影剂激发。同时对自制的简易荧光造影显微镜进行调试，利用多种激发波段（460nm、480nm、500nm、520nm、760nm、780nm、800nm、810nm）的LED灯及相应不同波段的窄、宽带滤光片，对不同浓度的吲哚菁绿及荧光素钠进行激发，探索最佳激发波长、最佳滤过波段、最佳荧光剂浓度及激发时间、影像采集设备参数等，达到最佳的荧光造影效果。
3.荧光造影模拟手术
利用普通家庭环境中可取得的食材，模拟实际临床手术中的荧光造影过程。
（1）鸡蛋荧光造影
利用小钻头或小螺丝刀在其蛋壳顶端钻出一大小约0.5～1mm的破口，利用小注射器抽吸出一部分蛋清，并将事先配好的荧光素钠/吲哚菁绿注入鸡蛋，破口用薄胶带封闭。将蛋壳置入特定波长的LED灯，进行荧光激发，并通过手机/改造后的摄像头进行拍摄。
（2）鸡翅血管荧光造影
在鸡翅的断端处找到鸡翅血管的残端，利用小注射器将事先配好的荧光素钠/吲哚菁绿缓缓注入鸡翅的血管，直至造影剂满溢反流。将鸡翅置入特定波长的LED灯，进行荧光激发，并通过手机/改造后的摄像头进行拍摄。
（3）鸡翅血管手术及荧光造影
用小工具刀在鸡翅的中间部位划一个小切口，找到鸡翅中的血管。在放大镜下利用小针小线对血管进行缝合，模拟临床血管缝合手术。后利用小注射器将事先配好的荧光素钠/吲哚菁绿缓缓注入鸡翅的血管，直至造影剂满溢反流。将鸡翅置入特定波长的LED灯，进行荧光激发，并通过手机/改造后的摄像头进行拍摄。
（4）小龙虾荧光激发
将活的小龙虾放到含有吲哚菁绿的水中养育过夜，倒掉废水后反复冲洗小龙虾3次，将小龙虾放置在780nm左右波长的LED灯下，进行荧光激发，并通过改造后的摄像头进行拍摄。
（5）小龙虾心脏的荧光造影
取已自然死亡的小龙虾，利用镊子将小龙虾心脏上方的虾壳去除一部分，利用小注射器向小龙虾的心脏内注射少量事先配好的荧光素钠，并将注射后的小龙虾置入特定波长的LED灯，进行荧光激发，并通过手机进行拍摄。
4.荧光造影手术资料收集
收集荧光造影手术资料及相关荧光造影手术文献，筛选典型清晰的手术图片、视频并整理归纳，最后利用深入浅出的图文，对临床手术及荧光造影技术进行讲解。
5.科普推广及专利申请
对项目中的荧光造影显微镜改造技术及荧光手术方法进行总结，通过微信公众号、模拟手术视频、课堂教学等方式在医学生及医学科普领域进行科普推广。对项目成果进行总结并申请相关专利，进一步产生经济效益。
二 成果
（一）方案
项目技术路线见图1。
图1 项目技术路线
（二）作品
1.荧光造影手术原理卡通图文
完成荧光造影技术相关卡通图文，对荧光造影手术原理进行卡通化，便于大众对该技术的科学原理的初步理解（见图2）。
图2 荧光造影手术原理：光的波长与可见光
2.荧光造影模拟手术
利用小龙虾、鸡蛋、鸡翅等生活中的常见食材进行模拟手术及荧光造影，展示荧光造影的实际效果（见图3、图4）。
图3 荧光造影模拟手术：模拟开颅手术（鸡蛋）
3.荧光造影手术
搜集并整理相关荧光造影手术文献，利用深入浅出的图文对临床手术及荧光造影技术进行讲解（见图5）。
图4 荧光造影模拟手术
注：（a）、（b）：模拟血管造影（荧光素钠——小龙虾）（c）、（d）：模拟血管造影（吲哚菁绿——鸡翅）。
图5 吲哚菁荧光造影手术
三 观点结论与建议
本项目通过卡通图文、趣味实验等多种方式深入浅出地介绍了荧光造影手术原理及应用，具有一定的科普价值。但是项目着重探讨的荧光激发原理及手术显微镜技术原理部分相对深奥，虽经过项目组的总结及卡通画的展示，但仍需具有一定的物理、化学知识储备才可理解，不利于对低年龄层次儿童的科普宣传，但可作为受过高等教育及医学相关方向人群的科普资料。
四 创新点
科学结合生活，趣味实验所用器材及研究对象均为普通家庭常见事物，易操作，科普效果好。同时在研究方法上，本项目通过参考临床手术显微镜原理，创新性地对其进行仿制简化，并独创多种还原度极高的模拟手术及趣味荧光造影手术的方式，达到良好的寓教于乐效果，相关荧光造影模拟手术技术为国内首创。同时可进一步总结相关模拟手术方式及显微镜改造方法并申请发明专利。
五 应用价值
本项目具有较大的进一步研究价值及产品转化潜能。其中对手术荧光显微镜的模拟方法可进一步用来设计低成本的荧光显微镜产品，进行生产和销售，弥补市场空缺，产生经济效益。同时本项目对家庭常见食材进行荧光激发的方法可在家庭及学校中进行推广，帮助青少年理解与荧光激发相应的科学问题。本项目利用家庭素材进行荧光造影手术实验的方法，可作为医学教育的补充，通过低成本的模拟手术，增加低年资医生的手术经验，提高其临床手术技巧。
参考文献
1.Brown R J，Broderick J P. Unruptured Intracranial Aneurysms：Epidemiology，Natural History，Management Options，and Familial Screening［J］. Lancet Neurol，2014，13（4）：393-404.
2.Ajiboye N，et al. Unruptured Cerebral Aneurysms：Evaluation and Management［J］. ScientificWorld Journal，2015.
3.Gusyatiner O，Hegi M E. Glioma Epigenetics：From Subclassification to Novel Treatment Options［J］. Semin Cancer Biol，2018，51：50-58.
4.Chen R，et al. Glioma Subclassifications and Their Clinical Significance［J］. Neurotherapeutics，2017.14（2）：284-297.
5.寿涛涛，孙晓阳，丁涟沭.颅内动脉瘤形成的相关因素研究［J］.临床神经外科杂志，2019，16（4）：362-366.
6.Reinhart M B，et al. Indocyanine Green：Historical Context，Current Applications，and Future Considerations［J］. Surg Innov，2016，23（2）.
7.Pandey A，et al. Usefulness of the Indocyanine Green （ICG） Immunofluorescence in Laparoscopic and Robotic Partial Nephrectomy［J］ .Arch Esp Urol，2019，72（8）：723-728.
8.Egloff-Juras C，et al. NIR Fluorescence-guided Tumor Surgery：New Strategies for the Use of Indocyanine Green［J］. Int J Nanomedicine，2019，14：7823-7838.
9.Yanagi Y，et al. The Outcome of Real-time Evaluation of Biliary Flow Using Near-infrared Fluorescence Cholangiography with Indocyanine Green in Biliary Atresia Surgery［J］. J Pediatr Surg，2019.
10.Kim M，et al. Anaphylactic Shock Followed by Indocyanine Green Videoangiography in Cerebrovascular Surgery［J］. World Neurosurg，2019.
11.Catapano G，et al. Fluorescein-Guided Surgery for High-Grade Glioma Resection：An Intraoperative “Contrast-Enhancer”［J］. World Neurosurg，2017，104：239-247.