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)中實時評估腦組織的血液灌注狀態(tài)、分辨惡性腫瘤的邊界對指導(dǎo)手術(shù)、改善預(yù)后具有重要意義。而術(shù)者肉眼觀察和目前的影像檢查技術(shù)(如CT、MRI等)往往難以達到這一要求。高光譜成像技術(shù)不僅能實時獲取所測物體的空間圖像,而且能通過光譜分析提取物質(zhì)的本征信號,可能成為實時引導(dǎo)手術(shù)、實現(xiàn)精準切除的新方法。
　　為了探討生物組織在可見近紅外波段的漫反射光譜特性,本研究測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.采用光纖光譜儀測量了血液和脂肪乳混合溶液的可見近紅外漫反射光譜,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變化規(guī)律。
　　2.建

3、立了SD大鼠右側(cè)大腦中動脈阻塞(MCAO)模型,采用光纖光譜儀在體測量了正常及缺血1h、3h、6h、12h、24h腦組織的可見近紅外漫反射光譜,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)顯微鏡對離體正常腦組織及缺血1 h、3 h、6 h、12 h、24 h腦組織進行了光譜成像研究,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染色進行對

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)顯微鏡對離體和在體顱內(nèi) GL261膠質(zhì)瘤組織進行了光譜成像研究,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波段光譜曲線可反映樣本的散射性質(zhì)。
　　2.缺血后1 h開始,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,且缺血時間

6、越長(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高光譜成像對腫瘤的識別精度最高(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腦組織的早期缺血;基于R545/R560光譜比值的高光譜成像可實現(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)中實時、無標記、在體探