利用对比增强型多光谱光声断层扫描技术对儿科患者进行非侵入性测量，以评估胃肠道传输速度的加速情况

《npj Imaging》：Non-invasive measurement of accelerated gastrointestinal transit in pediatric patients using Contrast-enhanced Multispectral optoacoustic tomography

　　**摘要**

功能性肠道疾病很常见，然而目前的成像方法存在局限性。增强型多光谱光声成像（CE-MSOT）是一种新型的非侵入性、无辐射的成像技术，它通过使用口服造影剂来评估胃肠道的转运时间。这有助于胃肠疾病的症状评估和诊断 clarifying。进行了一项临床初步研究（注册号：ClinicalTrials.gov，TRN：NCT06617364，注册日期：2024年9月24日），该研究涉及10名有胃肠不适症状的儿科患者，这些患者接受了乳糖氢呼气试验。在口服吲哚菁绿（ICG）作为造影剂后，进行了CE-MSOT检查。在末端回肠和乙状结肠中，通过光谱分离技术提取出ICG特异性信号。利用这些信号来估计胃肠道的转运时间。ICG在末端回肠中的信号最早在口服后13分钟就被检测到（中位数：80分钟），在乙状结肠中最早在41分钟被检测到（中位数：125分钟）。

**引言**

儿科胃肠病学涵盖了影响儿童胃肠道功能的多种疾病，包括炎症性肠病（IBD）、乳糖不耐受和乳糜泻等已知的临床病症。尽管功能性腹痛疾病（FAP）也较为常见，但其临床评估具有挑战性。FAP不仅发病率高，还给患者带来经济负担，并显著降低生活质量。许多儿科患者虽然有持续的、原因不明的胃肠道症状（如腹痛和腹泻），但经过广泛的诊断评估仍未能得到明确诊断。这凸显了深入理解和客观分析这些症状的重要性。传统的诊断方法在缺乏结构或生化变化时往往无法检测出功能异常，使得临床医生在评估症状严重程度和病因时手段有限。胃肠道转运时间是功能性评估的合理目标，但现有的测量方法要么具有侵入性，要么让患者暴露于辐射中，要么在常规临床实践中不可行。多光谱光声成像（MSOT）为这一诊断难题提供了有前景的非侵入性解决方案。MSOT是一种结合光学和超声技术的成像方式，可以实时可视化胃肠道组织成分和动态过程。其有效性已在成人及儿童炎症性肠病等临床场景中得到验证。结合使用口服造影剂时，MSOT能够记录健康成年人的肠道转运时间。特别是在儿科领域，增强型MSOT（CE-MSOT）的测量可作为有价值的诊断工具，以更好地描述、理解并分析个体的胃肠道症状。

**结果**

从2023年10月到2024年8月，埃尔朗根大学医院儿童与青少年医学部共有10名患者参与了这项研究。患者的基本特征见表1。

**临床试验与可行性**

患者平均年龄为10.9岁（范围：7-16岁），其中8名患者至少在过去四个月内出现腹痛症状，3名患者症状持续至少4年但未确诊。其他症状包括恶心、腹泻和便秘。3名患者的氢（H2）呼气试验结果呈阳性，但只有1名患者在检测期间出现症状。CE-MSOT检查顺利融入了临床流程，未干扰H2呼气试验的测量。医护人员反馈该过程易于实施，且不会影响常规护理。在整个研究期间，未观察到任何不良反应或安全问题。即使在床边检查时，也能在肠道段中观察到ICG的可见信号（图1）。

**进一步分析**

我们实施了定量阈值判断标准：以口服ICG前的最高基线测量值为基准，乘以2，得到0.001 a.u.的阈值。随后验证了视觉上被分类为阳性的测量结果是否超过这一阈值，所有情况下均得到确认。同样，未观察到ICG信号的测量结果均低于该阈值。

**结论**

增强型MSOT测量了个体患者的胃肠道转运时间：**

- 末端回肠的转运中位时间为80分钟（范围：13–146分钟，四分位数范围：68分钟）。
- 乙状结肠的转运中位时间为125分钟（范围：41–163分钟，标准差：36.02分钟）。
- 四名患者在研究期间未在乙状结肠检测到ICG信号（乙状结肠转运时间超过123–150分钟）。

总体而言，ICG信号强度逐渐增强，末端回肠在第五个时间点达到峰值，乙状结肠在第六个也是最后一个时间点达到峰值。尽管便秘患者通常会认为转运延迟，但需要区分小肠和大肠的转运情况。例如，两名便秘患者（患者2和5）的回肠转运时间相对较快（分别为124分钟和76分钟），而在乙状结肠转运时间较慢（相应测量期间未检测到信号）。

**异常的CE-MSOT发现**

尽管患者存在差异，但仍观察到一些共同点：患者的症状主要表现为非特异性腹部不适和胀气，并且在检查过程中逐渐出现。这些患者的转运时间中位数分别为末端回肠74分钟、乙状结肠94分钟，而无症状患者的转运时间中位数分别为末端回肠99.5分钟、乙状结肠130分钟。ICG信号在这些患者中更早且更明显地增强，尤其是在末端回肠。这与患者的临床表现一致。

**讨论**

MSOT是一种新兴的成像技术，正在逐渐进入临床常规应用。它已被用于评估肠道炎症、心血管疾病和肿瘤疾病。因此，有必要在儿童中进行初步研究，以实现这项技术的临床应用。本研究首次证明了CE-MSOT在儿童中评估胃肠道转运时间的可行性和有效性。先前仅有限的研究展示了CE-MSOT在成人和临床前模型中的应用。在我们的研究中，发现某些患者的肠道转运时间异常短：末端回肠为80分钟（范围：13–146分钟），结肠为125分钟（范围：41–163分钟）。与健康儿童群体的参考值相比，这些数据存在显著差异。这些差异可能反映了患者的具体状况，也可能受检查前禁食和ICG液体摄入的影响。虽然之前的CE-MSOT研究中转运时间更为一致（即使参与者为成人），但在本研究中发现更多差异。例如，健康成人末端回肠的ICG信号增强通常在4.0–5.5小时后出现，而在囊性纤维化患者中这一时间缩短至2.0小时。现有的诊断工具包括无线运动胶囊（智能药丸）、闪烁扫描和MRI，但这些方法存在侵入性或适用限制。相比之下，CE-MSOT测量可在5分钟内完成。由于其非侵入性和用户友好的特性，CE-MSOT对患者的负担显著降低，这对于儿科患者尤为重要。通过测量末端回肠和乙状结肠的传输时间，我们能够评估特定肠段的功能，即使在形态学没有变化的情况下也能如此，并将功能障碍定位到小肠或结肠，从而分别评估小肠和大肠的传输情况。另一个观察结果是，在检查过程中有症状的患者肠道传输速度更快，反映了肠道动力的增加。此外，我们定义了一个临界值，这使得测量结果的解释更加快速和直接，有助于将这一新的诊断方法整合到临床护理中。这促进了实时协议的调整，并允许患者在不同时间点之间以及同一患者内部的比较。由于非特异性胃肠道异常在儿科护理中很常见，CE-MSOT方法有望用于未来的诊断中，通过功能性成像来客观评估以前不清楚的症状。由于这些疾病的非客观性质，即使是对医生和护理人员来说，有不明原因的胃肠道症状的患者也常常受到歧视。CE-MSOT可能会减少这种歧视，同时促进医生对症状病理生理学的更深入理解。

然而，这项研究存在一些局限性。例如，研究只针对一个小而异质性的患者群体进行，只有三名患者的乳糖呼吸测试呈阳性。此外，观察期相对较短，最长为163分钟。结果，在一名患者的回肠中未检测到信号，在四名患者的乙状结肠中也没有检测到信号。另一个局限性是，测量仅在胃肠道的两个部位进行，即末端回肠和乙状结肠。也不能排除禁食状态加上ICG液体脉冲给药可能会改变乳糖的渗透效应，从而可能加速胃肠道传输。虽然与现有的传输评估方法（如闪烁显像、智能药丸和MRI）进行比较是可取的，但由于儿科伦理原因，这难以评估。

这项初步研究证明了CE-MSOT在评估儿童肠道传输时间方面的可行性、安全性和潜力。通过建立临界值，这种方法可以整合到临床工作流程和未来的研究中。胃肠道传输时间可以作为消化功能的生物标志物——例如，作为对有不明原因胃肠道症状或功能性腹痛患者的诊断工具，或者将功能紊乱定位到特定的肠段。我们的方法可能有助于客观化以前不清楚的症状，从而为患者和医生提供对潜在原因的更好理解。然而，需要未来进行更大规模的双盲研究来评估这种创新方法的诊断准确性。

**伦理声明**
该研究获得了埃尔朗根大学医院（24-280-Bm）当地伦理委员会的批准，并按照《赫尔辛基宣言》进行。同时，该研究也在一个公开可访问的主要注册库中注册，该注册库参与了世界卫生组织国际临床试验注册平台：ClinicalTrials.gov，TRN：NCT06617364，注册日期：2024年9月24日。所有研究参与者及其法定监护人都在与医生充分咨询后提供了书面知情同意书。

**研究设计和流程**
2024年10月至2025年2月期间，因胃肠道问题就诊于埃尔朗根-纽伦堡弗里德里希-亚历山大大学儿科和青少年医学系胃肠科的患者，如果需要进行H2呼吸测试，则被邀请参加本研究。患者表现为多种胃肠道症状，最常见的是腹痛（表2）。

在这些情况下，进行了H2呼吸测试以排除乳糖不耐受。这使我们能够将这种新的测量方法集成到已经建立的临床工作流程中，并在实际临床条件下评估其实用性。一般的排除标准包括怀孕、哺乳期母亲、检查区域有纹身以及皮下脂肪组织厚度超过3厘米。关于ICG，已知对其、碘化钠或碘过敏、甲状腺功能亢进、局部或弥漫性甲状腺自主功能亢进，或者在研究前后两周内摄入放射性碘以检查甲状腺功能的情况也被排除在外。肾功能受损或使用以下药物也会导致排除：β-阻滞剂、抗惊厥药、环丙烷、亚硫酸盐化合物、氟哌啶醇、海洛因、哌替啶、甲哌唑酮、美沙酮、吗啡、硝呋妥因、鸦片生物碱、苯巴比妥、苯丁唑酮、丙磺舒、利福平以及任何含有亚硫酸钠的注射液。

**数据采集**
在检查前一天晚上10点到次日上午8点，所有受试者都需禁食。所有参与者都接受了肠道的混合MSOT/反射超声计算机断层扫描作为基线测量。随后，根据体重不同，参与者接受了12.5毫克（体重<30公斤）或25毫克（体重≥30公斤）的ICG，这些ICG溶解在500毫升富含乳糖的水中。摄入后立即进行了一次测量，之后至少又进行了四次额外的MSOT测量，每次间隔20至30分钟（图1）。H2呼吸测试的单独测量也每隔20至30分钟进行一次，从而可以在中断期间进行肠道传输时间的评估，而不会给参与者带来额外的时间负担。成像的解剖位置是末端回肠和乙状结肠（图1）。为了确保每次测量都记录相同的位置，检查者使用了末端回肠和乙状结肠的解剖标志作为参考。此外，几乎所有测量过程中，检查者都是同一人。

**MSOT设备**
多光谱光声断层扫描（MSOT）使用的是Acuity ECHO CE系统（iThera Medical GmbH，德国慕尼黑）来可视化肠段。该系统结合了超声（B模式）和光声成像，以提高解剖定位的准确性（图1）。使用手持式2D探测器和透明超声凝胶（Aquasonic Clear，MDSS GmbH，德国汉诺威）来捕捉每个位置至少三张图像。在成像过程中，受试者和所有医护人员都佩戴了激光安全护目镜。通过B模式成像识别解剖区域（末端回肠和乙状结肠），同时记录700、730、760、800、850和900纳米波长下的光声信号。在图像采集后立即使用B模式引导在肠腔内定义感兴趣区域（ROI），并由经过认证的超声检查员验证以确保扫描结果的一致性。肠道腔内存在粪便作为解剖标志。分析使用iLabs软件（V 1.3.25，iThera Medical GmbH，德国慕尼黑）进行。为了量化单个波长和未混合的ICG信号水平（来自700、730、760、800、850和900纳米波长），采用批量模式分析每个ROI中最高10%像素的平均值。ICG的线性光谱解混基于先前研究，使用6.5微米等离子体参考光谱进行。

**统计**
使用GraphPad Prism软件（版本10.2，GraphPad Software Inc., 圣地亚哥，美国）进行统计评估。描述性数据以数字和百分比的形式总结，表示为平均值和标准差（SD）或中位数和四分位数范围（IQR）。没有假设数据服从正态分布。ICG数据既以绝对值形式也经过基线归一化后进行评估。在测量过程中实时可视化了肠道腔内口服给药的ICG的存在（图1）。此外，在定义感兴趣区域（ROI）后，可以显示相应的光谱数据，显示出约800纳米处的特征性ICG峰值。为了定量评估，确定了ICG信号的临界值，设定为所有测量值的两倍基线值，得到临界值为0.001任意单位（图1、图2）。然后通过量化未混合的ICG信号来比较各组。除了将量化值与预定义的临界阈值进行比较外，我们还直观评估了每个患者的信号，并将测量光谱与参考光谱进行比较，以确定信号是否代表真正的ICG吸收或潜在的伪影。