荧光引导手术 (FGS)

癌症是数百万人死亡的主要原因。迫切需要开发新的药物来对抗。在这方面，基于光学的工艺在多种癌症的检测中发挥着越来越重要的作用。

传统的手术显微镜利用白光成像来可视化，但对边缘的预测很差，并且可能不够敏感，无法检测到。然而，新的发展已经将荧光成像与传统的成像方式相结合。这种新方法通常称为 FGS 或 FIGS，可用于开放视野或内窥镜检查程序。FGS 使用荧光造影剂，然后在 FGS 期间照射区域。染色后的细胞的发射荧光具有特异性，检测该发射的荧光可以识别存在分子差异的组织。因此，荧光成像提供的主要优势是为操作者提供清晰的视图，从而在 FGS 过程中识别目标组织。与肉眼目视检查和触诊相比，它提供了癌症部位导航、切除和更高的灵敏度。

FGS 系统可用于成像和切除，还扩展到广泛的应用，例如：前哨淋巴结标测、淋巴造影以及输尿管和胆管解剖成像。FGS 可用于保存健康的细胞和组织，例如神经，使用突出这些结构的特殊荧光标签。FGS 还可以帮助对血流和组织灌注进行成像，识别可能导致血流不畅的区域。

FGS 环境

FGS 光学系统的设计目标与荧光成像仪相同：支持高分辨率成像，允许区分荧光标记和未标记组织。然而，与封闭场离体荧光成像相比，在兼容性上，FGS 提出了额外的性能要求。即：照明应限制在荧光团激发波长处的窄光谱带，以减少背景信号和噪声。 因为白光照明为受过训练的操作者提供了好的参考，操作者可以依赖视觉信息来识别解剖标志和组织的原始颜色。 这就需要在单个叠加显示器上实时查看白光和荧光图像并进行联合配准，团队就不必交替查看荧光成像仪显示器和区域。 理论上是在不受控制的环境光下进行荧光模式操作， 但是，因为开放视野的 FGS 步骤实施通常在明亮白光照明下进行 [1]。 鉴于发射荧光信号的强度相对较弱，实现实时荧光成像以及叠加功能给系统设计带来了挑战，但在现代实现中，这一点可以被越来越多地克服。

荧光成像光谱和荧光试剂

FGS 方法成功的核心是使用造影剂。目前，尽管其他一些造影剂已获得批准，包括亚甲蓝 (MB)、5-氨基乙酰丙酸 (5-ALA) 和荧光素钠[2]，吲哚菁绿 (ICG) 是用于 FGS 的常用的近红外（NIR）荧光染剂/荧光团之一。 然而，许多荧光团是市面可售的，并且许多新型 FGS 造影剂正在开发中 [3] [4]。这些新的荧光染剂有望支持如何为决策提供分子信息的范式转变。

生物荧光成像在可见光波长下工作，延伸至近红外（NIR）光谱。大多数荧光探针在可见光范围内发光(∼ 400 - 650 nm），这不是好的选择，因为伴随的组织自体荧光和可见光的高吸收率将穿透深度限制在几毫米以内。 近红外荧光团更适合体内成像，对 FGS 具有潜力。700 至 900 nm 的“NIR-I窗口”允许更深入的组织成像和更高的灵敏度，因为在 NIR 波长的低组织自发荧光和减少的光散射进一步简化了滤除背景信号的任务。 第二个近红外波长窗口（NIR-II，1000 至 1700 nm）可以进一步使用 FGS[5]。然而，目前很少有 NIR-II 探针允许动态成像，而那些可用的 NIR-II 探针可能需要使用对应的相机。

表 1：FGS 中常用的荧光探针列表和仪器原型设计的滤光片推荐选型。滤光片的选择取决于整个系统设计，尤其是激发光源。

FGS 环境中背景信号和噪声的挑战

高检测灵敏度是 FGS 成像的关键性能要求之一。这种高灵敏度允许成像系统显示与生物组织背景区分开来的可用图像，即使在低浓度荧光团的情况下，例如非常小的对象。这种敏感性提高了诊断准确性和结果。然而，对微弱荧光发射进行成像具有挑战性，并且需要增加信号背景比以区分组织，或识别要保存的重要结构，例如神经、输尿管和胆管。

滤光片使 FGS 成为可能

由于很强的环境照明，在 FGS 环境中实现高信号和低背景在开放视野中是复杂的。有几个因素会影响荧光检测的效率，因此成像系统中的所有组件都需要仔细设计和优化。例如，用于激发光源、光束组合和分离分色镜以及发射光的滤光片。这些滤光片对于通过限制背景光来增加检测灵敏度至关重要。光谱过滤可减少不希望的信号，例如激发或环境光泄漏，同时增加荧光信号收集。

Semrock 处于 FGS 发展的前沿。由于 FGS 的关键性质，必须使用提供高亮度的滤光片。除了现成的目录滤光片外，我们还可以帮助定制滤光片，以实现荧光可视化，并具有很高的灵敏度和分辨率。定制滤光片的好处包括：

• 透射带：与感兴趣的荧光团的斯托克斯位移对齐
• 具有陡峭边缘和精确通带定位的高透过率
• 有效的背景抑制深度带外阻挡
• 针对您的特定要求进行优化，例如锥半角 (CHA) 不敏感或宽入射角 (AOI) 容差
• 同时多重荧光团成像
• 特定波长的精确衰减
• 用于高分辨率成像的波前控制（TWE 和 RWE）
• 精密制造和质量控制 (ISO 9001)，以满足生产过程中的需求

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参考文献
[1] DSouza AV, Lin H, Henderson ER, Samkoe KS, Pogue BW. 回顾 FGS 系统：确定吲哚菁绿成像以外的关键性能。 J Biomed Opt. 2016;21(8):80901. doi:10.1117/1.JBO.21.8.080901.
[2] Pogue BW, Rosenthal EL. 审查在开放场FGS中获得监管批准的成功途径。 J Biomed Opt. 2021;26(3):030901. doi:10.1117/1.JBO.26.3.030901.
[3] Nagaya T, Nakamura YA, Choyke PL, Kobayashi H. FGS。 Front Oncol. 2017;7:314. Published 2017 Dec 22. doi:10.3389/fonc.2017.00314.
[4] Barth CW, Gibbs SL. FGS - 造影剂开发的观点。 Proc SPIE Int Soc Opt Eng. 2020;11222:112220J. doi:10.1117/12.2545292.
[5] Cao J., Zhu B., Zheng K., He S., Meng L., Song J., Yang H. 用于生物成像的 NIR-II 造影剂的进展。 Front. Bioeng. Biotechnol. 2020

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