腦缺血和腦膠質(zhì)瘤的高光譜成像研究.pdf

1、背景與目的:
　　神經(jīng)外科手術(shù)中實(shí)時(shí)評(píng)估腦組織的血液灌注狀態(tài)、分辨惡性腫瘤的邊界對(duì)指導(dǎo)手術(shù)、改善預(yù)后具有重要意義。而術(shù)者肉眼觀(guān)察和目前的影像檢查技術(shù)(如CT、MRI等)往往難以達(dá)到這一要求。高光譜成像技術(shù)不僅能實(shí)時(shí)獲取所測(cè)物體的空間圖像,而且能通過(guò)光譜分析提取物質(zhì)的本征信號(hào),可能成為實(shí)時(shí)引導(dǎo)手術(shù)、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)切除的新方法。
　　為了探討生物組織在可見(jiàn)近紅外波段的漫反射光譜特性,本研究測(cè)量了不同吸收和散射性質(zhì)溶液的光譜,分析了其變

2、化規(guī)律;為了探尋缺血腦組織及腦膠質(zhì)瘤的高光譜成像方法,本課題測(cè)量了缺血腦組織和膠質(zhì)瘤組織的特征光譜,分析了二者與正常腦組織光譜的差異,篩選了可有效辨別缺血腦組織及腦膠質(zhì)瘤的高光譜成像參數(shù),建立了圖像處理算法。以期為高光譜成像的臨床應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
　　材料與方法:
　　1.采用光纖光譜儀測(cè)量了血液和脂肪乳混合溶液的可見(jiàn)近紅外漫反射光譜,分析了不同血紅蛋白濃度、不同血氧飽和度及不同脂肪乳濃度的光譜曲線(xiàn)變化規(guī)律。
　　2.建

3、立了SD大鼠右側(cè)大腦中動(dòng)脈阻塞(MCAO)模型,采用光纖光譜儀在體測(cè)量了正常及缺血1h、3h、6h、12h、24h腦組織的可見(jiàn)近紅外漫反射光譜,分析了缺血腦組織與正常腦組織的特征性光譜差異。
　　3.采用高光譜成像儀結(jié)合手術(shù)顯微鏡對(duì)離體正常腦組織及缺血1 h、3 h、6 h、12 h、24 h腦組織進(jìn)行了光譜成像研究,提取了正常和缺血腦組織光譜,分別用主成分分析(PCA)及光譜比值算法處理高光譜圖像,并與TTC染色和HE染色進(jìn)行對(duì)

4、照。
　　4.建立了裸鼠皮下C6、GL261、U87膠質(zhì)瘤移植模型,C57小鼠顱內(nèi)GL261膠質(zhì)瘤移植模型,采用光纖光譜儀在體測(cè)量了裸鼠正常腦組織、皮下 C6、GL261、U87膠質(zhì)瘤組織、C57小鼠顱內(nèi)GL261膠質(zhì)瘤組織及臨床手術(shù)病人膠質(zhì)瘤的可見(jiàn)近紅外漫反射光譜,分析了膠質(zhì)瘤組織與正常腦組織的特征性光譜差異。
　　5.采用高光譜成像儀結(jié)合手術(shù)顯微鏡對(duì)離體和在體顱內(nèi) GL261膠質(zhì)瘤組織進(jìn)行了光譜成像研究,提取了正常腦組織

5、和膠質(zhì)瘤的光譜,用光譜比值算法處理高光譜圖像,并與HE染色、MRI成像、RGB成像進(jìn)行了比較。
　　主要結(jié)果:
　　1.血紅蛋白在542 nm和577 nm波段具有特征的吸收峰,500~600 nm波段光譜曲線(xiàn)的變化可反映血紅蛋白濃度、血氧飽和度的變化;700~900 nm波段光譜曲線(xiàn)可反映樣本的散射性質(zhì)。
　　2.缺血后1 h開(kāi)始,梗塞區(qū)腦組織在400~900 nm波段的光譜特征與正常腦組織便存在明顯差異,且缺血時(shí)間

6、越長(zhǎng)(3 h、6 h、12 h、24 h)差異越顯著。
　　3.基于主成分分析的高光譜成像可有效識(shí)別缺血后1h、3h、6h、12h、24h腦組織;基于R545/R560光譜比值的高光譜成像可清晰顯示缺血6 h、12 h、24 h腦組織區(qū)域,計(jì)算面積(28.09±4.81、50.80±5.31、60.95±6.27 mm2)與TTC染色(26.06±4.26、48.68±4.31、60.29±5.96 mm2)高度吻合。
　　

7、4.裸鼠皮下C6、GL261、U87膠質(zhì)瘤,C57小鼠顱內(nèi)GL261膠質(zhì)瘤以及手術(shù)中人膠質(zhì)瘤在400~900 nm波段的光譜曲線(xiàn)均與正常腦組織存在明顯差異。
　　5.基于R700/R545光譜比值的高光譜成像能清晰顯示離體與在體顱內(nèi)GL261膠質(zhì)瘤區(qū)域,與HE染色顯示的腫瘤區(qū)域比較,光譜比值R700/R545高光譜成像對(duì)腫瘤的識(shí)別精度最高(92.40±2.50％)、高于MRI T2成像(84.39±4.69%)和RGB成像(肉眼,

8、81.93±4.47%)。
　　結(jié)論:
　　1.可見(jiàn)近紅外漫反射光譜可鑒別不同組織血紅蛋白濃度、血氧飽和度、結(jié)構(gòu)成分等的差異,從而有效識(shí)別缺血腦組織與膠質(zhì)瘤組織。
　　2.基于主成分分析的高光譜成像可探測(cè)腦組織的早期缺血;基于R545/R560光譜比值的高光譜成像可實(shí)現(xiàn)缺血區(qū)域的精確定位;基于R700/R545光譜比值的高光譜成像可有效辨別腦膠質(zhì)瘤邊界。
　　3.高光譜成像可能成為神經(jīng)外科術(shù)中實(shí)時(shí)、無(wú)標(biāo)記、在體探