紅外熱成像在乳腺疾病檢測的應用研究

曾靚妮，鄧方閣

紅外熱成像在乳腺疾病檢測的應用研究

曾靚妮，鄧方閣

（廣州醫科大學附屬第一醫院廣州呼吸健康研究院呼吸疾病國家重點實驗室國家呼吸系統疾病臨床醫學研究中心，廣東 廣州 510120）

乳腺疾病已嚴重危害女性身心健康，其中乳腺癌更位居全球范圍內女性癌癥發病率和死亡率首位，因此乳腺癌的早期發現意義重大。傳統結構影像學早期檢測疾病具有一定局限性，而紅外熱成像作為功能成像技術可為乳腺癌的早期篩查提供有效線索。因此本文主要就紅外熱成像在乳腺疾病的早期檢測及預后評估的應用價值進行綜述。

紅外熱成像；乳腺疾?。辉缙诎l現；預后評估

0 引言

乳腺疾病是危害女性健康的常見疾病類型之一，隨著生活方式、社會環境等因素的變化，乳腺疾病的發病人數逐漸增多。近年來，據多項統計數據顯示乳腺癌發病率和死亡率逐年上升，且發病年齡呈年輕化趨勢[1]。國際癌癥研究機構數據顯示，2018年全球乳腺癌發病率和死亡率仍居女性癌癥首位[2]。乳腺惡性疾病的早期發現、早期診斷意義重大，更是降低其死亡率及改善預后的關鍵。

乳腺疾病的影像學檢查方法主要分為結構性影像和功能影像兩種，前者主要包括乳腺X線鉬靶（mammography，MG）、核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）、超聲（ultrasound，US），后者主要為紅外熱成像技術（infrared thermal imaging，IRTI）。乳腺X線鉬靶對致密型乳腺病灶的檢出敏感性較差，并可帶來一定的輻射暴露風險，同時在檢查過程中需壓迫乳房會給患者帶來不適感。MRI的特異性相對較低且價格較昂貴、檢查耗時長，不作為常規影像檢查。超聲是目前國內乳腺檢查最常用的影像方法，在判斷病灶的性質、位置、大小、數目及血流情況等方面具有獨有優勢，但極依賴于設備及操作醫生的熟練度和診斷經驗。紅外熱成像技術是近幾十年興起的功能成像技術，具有無創、無輻射、快速、靈敏等優點，已被應用于多種疾病的臨床輔助診斷，本文主要就紅外熱成像在乳腺疾病的早期檢測及預后評估價值進行綜述。

1 IRTI在乳腺成像的應用基礎

一般來說，機體任何部位出現病變都是先出現局部組織的代謝異常，而對于惡性腫塊或炎癥病變，由于糖代謝增快、局部血流量增加、新生血管的形成以及一氧化氮（nitric oxide，NO）和雌激素的生成，局部熱輻射也因此出現相應變化，在人體體表表現為溫度的升高。在過去的幾十年里，越來越多的研究集中于利用紅外熱像圖來獲得熱生理學和皮膚溫度之間的相關性，皮膚表面溫度信息已被用于輔助診斷人體的各種疾病，包括外周血管疾病、乳腺癌、糖尿病神經病變、發熱篩查、疼痛、皮膚病、婦科疾病、針灸治療及法醫學等[3-4]。IRTI是通過捕捉人體主動輻射的紅外能量進而轉換成可視的溫度圖像來反映機體組織器官血供及代謝情況，基于病灶及其周圍組織的代謝活性與正常組織不同從而溫度不同的原理來判別疾病[5-6]。現代紅外熱像儀的靈敏度已經可以檢測到0.025℃的溫差，IRTI作為安全可靠的功能成像方法檢測乳腺疾病，其適用人群廣，包括所有年齡段女性、孕婦、哺乳期婦女、假體植入者及術后患者，也可用于監測疾病治療及了解腋窩情況[7]。

2 IRTI檢測乳腺疾病的臨床應用價值

乳腺疾病嚴重危害女性身心健康，包括乳腺纖維瘤、乳腺增生、乳腺炎、乳腺囊腫、乳腺癌等。乳腺腫塊按性質可分為囊性腫塊及實性腫塊，因內部成分不同二者的代謝率不同，囊性病變缺乏血液供應不會額外產生熱量因此可區分于實性病變。Zare I.和Zadeh等人[8-9]通過對60名疑有乳腺疾病患者的熱像圖結果與超聲、活檢結果對比研究，發現IRTI識別實性腫塊和囊性腫塊的準確性分別為91.89%、92.30%，認為熱像圖可區分實性低回聲腫塊和囊性腫塊。

乳腺實性腫塊中以乳腺癌危害最為嚴重，癌癥細胞的生長不受控制，當癌前細胞及癌細胞快速生長時，為了滿足對營養物質及氧氣的需求，癌癥組織會產生新生血管、局部代謝加快導致相應部位組織溫度升高。1956年Lawson首次將IRTI用于乳腺癌的檢測，發現病變組織處的皮膚溫度高于正常乳腺組織[10]。1963年Lawson和Chughtai分析這是由于癌性組織代謝活動增加產熱增多及新生血管生成增加的緣故[11]?；诖嗽恚袑W者就IRTI對乳腺癌發生的預警作用進行了研究。Gautherie等[12]的研究發現約35%熱像圖異常的健康女性在5年內罹患乳腺癌，認為異常熱像圖在預測乳腺癌發生中的作用比一級家族史更重要，異常的熱像圖是未來患乳腺癌風險的最重要的標志。Amalric等人[13]在長達10年的時間里，使用熱像儀對61000名女性進行了篩查，結果發現對于60%的病例而言熱像圖最早提供乳腺癌的信息。也有報道稱熱像圖能夠比乳腺X線鉬靶提早8～10年預警乳腺癌的發生[14]。以上研究表明，IRTI在預測乳腺癌發生中有一定價值。由于IRTI對乳腺血管成像的獨特能力，長期隨訪可得到非常早期的預警信息，熱像圖是目前已知最早預測乳腺癌進展的指標。

乳腺癌最常見的熱像圖特征為乳房溫度分布明顯不對稱，可見局灶性熱區，血管形態不規則增粗迂曲，溫度梯度可區分良惡性腫瘤，目前多數認為較高的溫度梯度（＞1℃）可作為惡性腫瘤的判斷指標，較低的溫度與乳腺良性疾病有關。圖1和圖2為經活檢證實的乳腺癌患者的紅外熱像圖[15-16]。迄今，越來越多的研究證明IRTI可用于乳腺惡性疾病的早期篩查、良惡性判斷及輔助診斷。Rassiwala等[17]對1008例20～60歲未診斷為乳腺癌的女性進行IRTI檢查，發現IRTI對局部溫差超過3℃的乳腺癌具有較高的敏感度和特異度（分別達97.6%、99.17%），陽性預測值和陰性預測值分別為83.67%、99.89%，認為IRTI可作為乳腺癌篩查的有用工具。Sarigoz等[18]將54例觸診有乳腺腫塊的患者的IRTI結果與超聲、活檢結果進行對比，認為IRTI可用于鑒別乳腺腫塊的良惡性，其靈敏度和特異度分別為95.24%、72.73%，在乳腺浸潤性導管癌、纖維腺瘤及囊腫的鑒別中亦具有一定作用。隨著IRTI在乳腺的應用，近年來學者們致力于對圖像處理進行技術突破以提高其乳腺癌篩查的能力，Morales-Cervantes等人[19]利用計算機輔助診斷來研究IRTI檢測乳腺癌的有效性，提出了利用自動化程序對熱像圖進行圖像分類評分的方法，該研究共納入206例疑似乳腺癌患者，通過分析病灶處與對側鏡像處乳房的溫度差及乳房的血管密度，對比病理結果，發現IRTI的靈敏度可達100%，特異度為68.68%，陽性預測值為11.42%，陰性預測值為100%，再次證實IRTI是一種較好的乳腺癌篩查工具。Ekici等[20]利用貝葉斯算法優化的卷積神經網絡（Convolutional Neural Networks，CNNs）對140例乳腺癌女性進行數據分析，將乳腺熱像圖分為正?；蚩梢蓛深?，其篩查準確率達到98.95%。以上研究均表明IRTI早期篩查乳腺癌的靈敏度較高，可作為乳腺癌輔助篩查工具用于臨床。

圖1 58歲女性右乳腺癌（乳暈下區）熱像圖

圖2 54歲左乳腫塊女性，熱像圖顯示左乳外上象限溫度高于右乳，活檢證實為惡性腫瘤

同時不少學者將IRTI與超聲、乳腺X線鉬靶對乳腺疾病的診斷有效性進行對比研究來明確其臨床實際應用效能。Yao等[21]對2036例乳腺疾病患者行乳腺X線鉬靶、超聲及IRTI檢查，以術后病理結果為標準，發現對于2cm以下的病灶IRTI的準確性高于超聲和鉬靶（分別為97.1%、95.8%、96.1%），而＞2cm的病灶IRTI與超聲準確性相當，高于X線鉬靶的準確性，因此認為IRTI在乳腺癌大規模人群的早期篩查中具有較高應用價值。Alikhassi等[5]對78例女性患者進行乳腺IRTI與超聲對比研究，發現IRTI的靈敏度、特異度和準確率依次為85.7%、78.5%、78.8%，超聲的靈敏度、特異度和準確率依次為100%、95.3%、95.5%，在診斷效能上IRTI仍低于超聲，認為IRTI僅可作為診斷乳腺惡性病變的輔助手段。Omranipour等[22]則對132名擬行乳腺穿刺活檢的患者進行鉬靶及IRTI檢查，發現二者的靈敏度相差不大（鉬靶、IRTI分別為80.5%、81.6%），但鉬靶的特異度、陽性預測值、陰性預測值及準確性較IRTI稍高（鉬靶依次為73.3%、85.4%、66%、76.9%，IRTI依次為57.8%、78.9%、61.9%、69.7%），認為IRTI雖可用于乳腺癌的早期輔助診斷但不能代替乳腺X線鉬靶。而在Kolaric等[23]的研究中IRTI的靈敏度已到達100%，高于X線鉬靶的靈敏度（85%）。以上研究雖對IRTI與超聲、鉬靶的診斷有效性報道不一，但均表明IRTI可用于乳腺惡性病變的輔助診斷，但仍不能作為其他檢查方法的替代手段，幾種方法聯合應用更是有望提高診斷準確率。

目前紅外熱成像技術作為乳腺癌篩查或輔助診斷工具得到了廣泛認可（表1），但仍有部分學者存在不同意見，這主要是由于不同作者研究所得到的IRTI特異性和靈敏度不一致所致。Vreugdenburg等人[24]對7個生物醫學數據庫進行檢索，觀察到IRTI靈敏度（0.25～0.97）和特異度（0.12～0.85）的異質性較大，因此認為沒有足夠證據支持IRTI作為篩查手段。Sajadi等人[25]也得出相似結論，并認為與其他診斷技術相比，熱成像診斷價值不高。關于這些報道中結果異質性歸因于各項研究中使用的設備性能不同，以及用于將紅外熱圖分類為正?；蚣膊〉乃惴ǖ牟町?，同時作者也指出納入的部分文獻的研究質量或研究方法不理想，另外可能遺漏部分研究，因此需謹慎對待其結果。

3 IRTI在乳腺癌預后評估中的價值

隨著分子生物學研究的不斷進展，乳腺癌發生、發展及預后與各種分子生物學指標的關系已得到證實，乳腺癌相關預后因子在指導個體化診斷、治療方案選擇、療效檢測及預后判斷方面有重要意義。其中，最常用的預后因子是雌激素受體（estrogen receptor, ER）、孕激素受體（progesterone receptor, PR）和人類表皮生長因子受體-2（human epidermal growth factor receptor-2, HER-2）。ER陰性、PR陰性和HER-2陽性的腫瘤侵襲性較強，生長速度快，需要更多新生血管生成供應其生長，從而導致局部溫度升高。同時雌激素及孕激素可擴張周圍血管，并可通過增加NO的生成調節血管舒張，引起整個乳房溫度的改變。國外學者已經就乳腺癌的紅外熱成像與組織病理學、免疫組化因子的相關性展開了研究以明確IRTI在預測乳腺癌預后的價值。Wang J.等[26]通過對163名乳腺癌患者共171例病灶的紅外熱像圖特征與激素受體表達情況關系的研究發現，乳腺癌病灶區與鏡像部位的溫差與ER、PR表達呈負相關，同側乳房病灶部位與相鄰正常乳腺組織溫差與PR表達呈負相關，而HER-2與熱像圖特征無相關性。Zore等人[27-29]的幾項研究表明ER-、PR-、HER-2+腫瘤病灶部位的溫度較ER+、PR+、HER-2-腫瘤高，ER陰性對乳房整體溫度升高的影響較小，ER+患者患側乳房的溫度高于ER-患側乳房。Mance等人[30]的研究也發現ER+和PR+腫瘤的溫度較高，而HER-2與乳腺溫度無相關性。以上研究表明激素受體表達情況與熱像圖之間有一定相關性，可通過熱像圖表現初步評估患者預后。然而，另外有研究卻認為激素受體表達情況與紅外熱像圖之間并無關聯，但與生長速度相關的預后指標與熱圖密切相關[31-32]。Ohsumi等[33]利用IRTI對340例無遠處轉移的單側浸潤性乳腺癌患者進行預后評估，分析腫瘤部位與其對側鏡像部位的溫差D與各因素的關系，發現D雖與雌激素受體表達情況無關，但卻與腫瘤大小、組織學狀態、核分級顯著正相關，對于淋巴結陽性的乳腺癌患者，D可作為判斷預后的有用指標。以上多項研究表明乳腺癌激素受體表達情況與熱像圖的關系尚無一致結論，但由于目前該方面相關研究文獻較少，因此紅外熱成像技術是否可用于評估乳腺癌預后尚需更多的深入研究以明確其臨床應用價值。

表1 IRTI檢測乳腺癌效能結果

4 乳腺腫瘤特點對IRTI成像的影響

體表溫度易受環境和個體因素影響，如血管及生物活性的變化、組織傳導的改變、內分泌因素。目前研究認為在對檢測環境和受檢人員進行質控后，乳腺腫瘤的紅外熱像圖主要受腫瘤自身特性影響，如腫瘤的大小、深度、血流豐富程度和組織學特征等。Yan Zhou和Herman[34]利用COMSOL軟件評估了二維乳腺模型中不同腫瘤位置和大小的表面熱對比度，發現腫瘤的大小和深度是影響熱成像最大熱對比度的最主要因素。Mance等[30]對50名經活檢確診為乳腺導管癌的女性分析發現，病變乳腺溫度與腫瘤體積呈正相關，與腫瘤深度呈負相關。Gonzalez等[35]通過建立乳腺及癌性腫瘤簡化模型表明IRTI可檢測到距離皮膚7cm以上的3cm的腫瘤，而對于小于0.5cm的腫瘤僅距離皮膚表面較近時才能被檢測到。Jiang等人[36]的研究則發現皮膚溫度的改變通常只能在深度小于20mm的淺表腫瘤中發現。腫瘤深度小于20mm時可使健乳與患乳溫差增加1.5℃，深度在20mm以上時其引起的表面溫度差異不明顯，相對于腫瘤直徑，深度對溫度的影響更大。也有研究證實IRTI對直徑2cm以下的腫瘤靈敏度高于其他影像學方法[21]。Kandlikar等[37]也得出相似結論認為腫瘤深度是影響表面溫度的主要因素。而皮膚溫度受皮膚血流量的影響，腫瘤周圍組織溫度也與腫瘤微血管密度正相關[38]。這些研究說明乳腺病灶表面溫度主要與腫瘤位置和大小有關，相對于腫瘤直徑，腫瘤深度對乳腺表面溫度的影響更大，對于一定深度的腫瘤，紅外熱像圖對其顯示不佳，隨著腫瘤靠近體表，皮膚表面的熱對比度增大。

5 總結及展望

作為功能成像技術，紅外熱成像已成為乳腺疾病檢查的新方法，可較早發現異常病變，在一定程度上彌補了結構影像學的不足。盡管紅外熱成像作為乳腺疾病早期篩查的工具具有較高臨床應用價值，但仍不能代替現有的乳腺疾病檢查技術。與此同時，因其具有操作簡單、價格便宜、成像直觀易于解讀、精確靈敏等優點，適用于大規模的人群乳腺癌篩查，而我國人口基數大、人均收入普遍較低，許多基層醫院診斷手段不足導致乳腺癌患者不能早期得到有效治療而延誤病情，紅外熱成像的應用可以提高基層醫院的醫療診斷水平，幫助乳腺癌的早期發現，尤其對經費不足但同時需要提高醫療水平的中、小型醫院更是值得推廣。

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Application of Infrared Thermal Imaging in Breast Disease Detection

ZENG Jingni，DENG Fangge

(National Clinical Research Center for Respiratory Disease, State Key Laboratory of Respiratory Disease, Guangzhou Institute of Respiratory Health, The First Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University, Guangzhou 510120, China)

Breast diseases are a threat to the physical and mental health of women. The occurrence of breast cancer and mortality resulting from it ranks the highest among cancer cases in women. Hence, early detection and diagnosis of breast cancer becomes extremely important. Traditional structural imaging has some limitations in early detection of diseases, while infrared thermal imaging, as a functional imaging technology, can provide effective clues for early screening of breast cancer. This work mainly reviews the usefulness of employing infrared thermal imaging in the early detection and prognosis evaluation of breast diseases.

infrared thermal imaging, breast disease, earlydetection, prognosis evaluation

R445.7；R737.9

A

1001-8891(2020)05-0501-05

2019-12-17；

2020-05-01.

曾靚妮（1993-），女，湖南省邵陽市人，碩士研究生，主要從事超聲診斷及紅外熱成像臨床應用，E-mail：1197141269@qq.com。

鄧方閣（1971-），女，博士后，教授，主要從事紅外熱成像與臨床應用，E-mail：parisdeng256@163.com。