尽管在手术，进步放射治疗，和全身治疗在肺癌具有改善的存活率，在诊断临床分期仍然存活治疗后的主要决定因素。使用低剂量计算机断层扫描筛查肺癌是一种高度敏感的非侵入性成像模式，通过早期发现疾病可以降低死亡率。计算机断层扫描成像也被用于通过可变形图像配准来描绘肺部病变，以便更准确地进行放射治疗计划和治疗。然而，计算机断层扫描作为筛查工具的关键挑战是区分恶性和非恶性肺结节的特异性有限，导致高的假阳性率。
　　 成像，特别是超声，基于乳腺癌的机械特性，转移性黑色素瘤，头颈癌等，提高了区分恶性和良性肿瘤的能力，结直肠癌。轨迹畸变的差异可以检测恶性和非恶性肿瘤之间机械性质的细微变化。然而，由于肺部空气的不透明性，超声成像在技术上对肺组织具有挑战性。此外，基于磁共振成像的成像技术评估肝纤维化的组织硬度也容易受到肺部空气中的假象的影响。
　　研究人员之前开发了一种非侵入性计算机断层扫描成像方法，可以区分恶性肺结节的体积变化与周围肺组织的体积变化。与静态成像相比，高分辨率动态计算机断层扫描成像捕获呼吸周期期间肺和肺结节体积的时间变化。假设在呼吸循环中的各个点获得的动态计算机断层扫描图像可以基于作为肺结节的体积变化的差异揭示的机械特性来区分肺结节。各种器官中的恶性肿瘤具有较高的间质液压使它们相对于周围组织“更硬”。直观地说，他们应该从一个呼吸阶段到另一个呼吸阶段进行明显更小的体积变化。相反，较少“僵硬”的非恶性结节预计会发生明显较大的体积变化。
　　 本研究旨在证明具有不同成分的肺结节的体积比可以通过呼吸门控动态计算机断层扫描成像非侵入性地确定，并且这些比率与肺结节'刚度'的直接物理测量相关。研究人员使用原子力显微镜来测量恶性和良性肺部病变的弹性。通过原子力显微镜测量产生力-距离曲线，其中悬臂压缩样品并测量偏转以在局部尺度上探测组织弹性。此技术以前用于确定杨氏生物组织的模量。该研究特别重要，因为它允许直接物理比较。在临床前模型中的肺结节特性的非侵入性成像测量，这是在人类受试者中不能进行的过程。
　　 本研究寻求通过在原位人肺癌和非恶性结节的大鼠模型中的非侵入性成像来确定具有不同组成和物理特征的肺结节中的体积比，以及确定是否基于成像体积比与单个结节刚度的直接物理测量相关。研究人员证明了原理的证据，即可以确定和分析呼吸循环期间肺结节体积的微小变化，并且它们与从原子力显微镜FD测量获得的刚度的物理测量值相关联。
　　 恶性实体瘤具有与非恶性肿瘤不同的机械特性和组织特征。与良性病变相比，由于恶性细胞的不受控制的增殖以及基质细胞对细胞外基质重组和沉积的贡献而增加的应力已经显示出增强肿瘤微环境的刚度。此外，机械性能的差异可归因于乳腺癌，转移性黑色素瘤报道的恶性肿瘤中间质液压增加。虽然潜在的机制尚未完全阐明，但它们被认为涉及血管渗漏，淋巴管异常，间质纤维化以及间质成纤维细胞介导的间质空间收缩，所有这些都是癌症的标志。这导致整个结节中心的压力均匀，然后向周边急剧下降。虽然恶性肺肿瘤没有直接显示增加的间质液压，但假设它们会表现出相似的特性。
　　 虽然之前已经证明患者的动态计算机断层扫描原则上可以用于确定与肺结节弹性相关的参数，但是在人类患者中没有实际的方法来通过直接物理测量结节硬度来验证成像测量。因此，转向具有多种机械特性的植入肺结节的临床前模型。这些细胞是恶性的，并且预期产生的肿瘤比周围的正常肺组织更硬。为了制造非恶性模型，基质胶是从小鼠中提取的溶解的基底膜制剂肉瘤和富含多种生长因子，被注入大鼠肺部。在37°C时，基质胶在肺内形成凝胶，在计算机断层扫描成像时表现为结节，与恶性结节无法区分。假设基质胶的性质与恶性肿瘤结节不同，因此间质压力和所得刚度将显着降低。第三个动物模型涉及使用滑石来形成肺结节。与基质胶或A549肺癌细胞不同，这些细胞始终导致具有相似组织特征的结节，来自滑石的结节范围从硬质晶体聚集体的沉积物到较软的凝胶状肉芽肿。因此，预计它们的体积变化将表现出比恶性或基质胶肺结节更大的变异性。使用原子力显微镜离体测量每个结节成像后的杨氏模量，并通过动态计算机断层扫描与非侵入性确定的体积比显着相关。
　　 该研究的主要局限性在于产生非恶性结节。临床上，良性结节是肿瘤，炎症或其他软组织病变的异质组。这些包括但不限于肉芽肿，错构瘤，脂肪瘤，囊肿和肺内淋巴结。研究人员无法创建跨越所有品种和非恶性结节来源的动物模型。此外，该实验系统的技术复杂性限制了整体样本量实际上可以研究。第二个限制是肺结节类型的每个亚组内的大鼠样本量小。然而，12个不同类型和机械特征的结节足以证明研究人员假设成像结节体积变化与原子力显微镜僵硬之间相关性的原理证明。
　　 目前对肺癌的计算机断层扫描筛查的限制是有限的特异性，其导致高的假阳性率，促使随后的成像或侵入性诊断程序。研究结果可以通过添加有关肺结节机械特性的信息通过对现有扫描方案的简单修改来临床转化。该信息可以提高筛查的特异性，从而导致早期诊断或减少侵入性程序。此外，在确定的肺癌诊断中，肿瘤僵硬程度可能与生物侵袭性有关，这种非侵入性成像技术可以添加可以改善个性化治疗的个体预后或预测信息。这些概念可以在前瞻性临床试验中轻松测试。
　　 研究人员证明了通过非侵入性动态计算机断层扫描测量的肺结节体积变化的概念证据与原子力显微镜在临床前模型中测量的结节刚度的直接物理测量相关。这些结果可以在临床上转化为改善肺癌计算机断层扫描筛查的特异性或基于肺肿瘤硬度改善个体预后评估的手段。未来的目标涉及使用这种方法来区分大型动物和人类的恶性肺结节和良性肺结节。