高光谱成像技术：乳腺癌继发性淋巴水肿的客观诊断新工具

《Communications Medicine》：Hyperspectral imaging as an objective diagnostic tool for secondary lymphedema in breast cancer patients

为解决乳腺癌术后继发性淋巴水肿（LE）诊断缺乏客观标准的问题，本研究评估了高光谱成像（HSI）技术的应用价值。研究人员对58例单侧上肢LE患者进行前瞻性多中心研究，对比传统方法（如肢体周径测量、超声）与HSI衍生参数（如脂水比LWR、组织水指数TWI）。结果显示，HSI指标（HSI分期和ΔTWI）与LE分期的相关性（r=0.64/0.63）显著优于传统方法，证实HSI可作为无创、可重复的LE客观诊断工具，为临床精准分期与疗效评估提供新方案。

　　

对于许多乳腺癌幸存者而言，治疗后的继发性淋巴水肿（Lymphedema, LE）是一个令人困扰的长期并发症。这种由于淋巴系统受损导致的慢性疾病，会引起肢体肿胀、疼痛和功能受限，严重影响患者的生活质量。然而，当前诊断LE主要依赖医生的主观临床检查、简单的肢体周径测量以及患者自我报告的症状。这些方法不仅容易受到操作者偏见的影响，而且重复性差，难以精确量化疾病的严重程度和细微变化。尽管超声等影像技术能提供一些客观信息，但其应用常受限于操作者依赖性、耗时以及高昂的成本。因此，临床迫切需要一种能够客观、无创、可重复地评估组织特性的新工具，以改善LE的诊断、分期和治疗监测。

正是在这一背景下，由Martin Weiss和Wiebke Eisler等人领导的研究团队在《Communications Medicine》上发表了一项研究，探索了高光谱成像（Hyperspectral Imaging, HSI）技术作为继发性淋巴水肿客观诊断工具的潜力。HSI是一种能够捕获物体在不同波长下光反射信息的技术，生成包含空间和光谱维度的三维数据立方体（x, y, λ）。不同于普通相机，HSI可以分析组织在可见光和近红外光谱范围内的光学特性，从而无创地推断出皮下组织的化学成分，例如水分和脂质的含量。这种技术快速、无接触且无辐射，在医疗领域的应用正日益广泛。

为了验证HSI在LE诊断中的价值，研究人员在德国三家临床中心进行了一项前瞻性多中心观察性研究。研究招募了58名因乳腺癌治疗导致单侧上肢继发性LE的女性患者。所有参与者都接受了全面的常规评估，包括患侧与健侧肢体的周径测量、两点辨别觉（TPD）测试、关节活动度评估、皮肤及皮下组织超声测量（用于评估皮肤和皮下组织厚度），并完成了淋巴水肿特异性生活质量问卷（LYMPH-ICF-UL）和乳腺癌生活质量问卷（EORTC QLQ-BR23）。同时，研究使用 medically approved 的 TIVITA? Tissue System 采集患者上肢三个标准位置（手背、肘下10厘米、肘上15厘米）的高光谱图像。

研究人员开发了一套算法来自动处理HSI数据：首先，结合组织水指数（TWI）和组织氧合度（StO₂）来区分图像中的肢体区域与背景；然后，在图像中心划定一个直径约4.6厘米的圆形区域，对该区域内所有有效像素的光谱数据进行L1归一化并平均，得到代表该次测量的光谱。基于此，计算了几个关键指标：脂水比（Lipid-to-Water Ratio, LWR，定义为925-935 nm与965-985 nm波段信号的平均值之比）、TIVITA系统定义的组织水指数（TWI）和组织脂质指数（Tissue Lipid Index, TLI）。为了量化患侧与健侧的差异，研究者计算了这些指标的差值（例如ΔLWR = LWR_affected- LWR_unaffected）。此外，他们还基于ΔLWR值进行层次聚类分析，将测量结果分为低、中、高三个HSI分期，以探索其与临床LE分期（依据国际淋巴学会标准）的关系。统计分析主要采用Spearman相关系数评估各测量指标与LE分期的关联性，并使用Mann-Whitney-U检验比较不同LE分期组间的ΔLWR差异。

患者测量结果与LE分期的相关性

研究首先评估了传统测量方法与LE分期的关系。结果显示，肢体周径的增加、两点辨别觉的差异、某些关节活动度的受限以及生活质量问卷中关于手臂症状的评分，均与LE分期呈现低至中度的正相关。其中，超声测量的皮肤和皮下组织厚度的百分比变化显示出与LE分期最强的相关性（Spearman's r分别为0.57和0.56）。然而，这些传统方法的总体相关性最多只能归类为“中度”，表明其在精确反映疾病严重程度方面存在局限。

高光谱成像揭示更强的相关性

相比之下，HSI衍生指标表现出与LE分期更显著的相关性。对患侧与健侧光谱的分析发现，患肢在水的吸收波段（约970 nm）信号降低，而在脂质的吸收波段（约920 nm）信号相对升高，这通过ΔLWR值得以量化。ΔLWR值随着LE临床分期的升高而显著增加。基于ΔLWR的层次聚类所定义的HSI分期，以及ΔTWI（患侧与健侧TWI之差），与临床LE分期的Spearman相关系数分别达到0.64和0.63，超过了所有传统测量方法。值得注意的是，ΔTLI（脂质指数差值）的相关性相对较低（r=0.45），提示组织内水含量的变化可能是驱动HSI指标与LE分期相关性的主要因素。研究还观察到，临床诊断为2期LE的患者，其ΔLWR值分布较广，覆盖了低、中、高三个HSI分期，这表明HSI可能能够识别出传统临床分期未能捕捉到的组织病理生理异质性。

本研究结论明确地支持高光谱成像作为继发性淋巴水肿客观诊断工具的巨大潜力。HSI技术能够无创、快速地量化与淋巴水肿相关的组织成分变化，特别是组织水含量的增加。其测量结果客观、可重复，且与疾病严重程度的关联性优于当前常规方法。这不仅有助于提高诊断的准确性，减少对主观判断的依赖，也为未来实现LE的早期发现、精准分期和疗效动态监测开辟了新途径。研究者也指出了本研究的局限性，如样本量有限、缺乏纵向数据以及未充分考虑体重指数（BMI）、肤色等混杂因素的影响。未来的研究方向包括在更大规模、更多样化的患者群体中验证这些发现，开发更简化、低成本的特异性HSI设备，并探索人工智能辅助分析以进一步提升诊断的自动化水平和精准度。总之，这项原理验证性研究为将高光谱成像这一先进技术转化为临床实用的淋巴水肿管理工具迈出了坚实的一步。