光學(xué)相干斷層掃描通過深度學(xué)習(xí)快速識別浸潤性腦腫瘤

腦癌患者的生存時間有限，不可避免地會復(fù)發(fā)并隨后死亡，手術(shù)是一線治療方法。高級別腦癌患者的中位生存期約為14個月，但個體生存期存在差異。越來越多的證據(jù)表明，切除程度是與腫瘤延遲復(fù)發(fā)和延長生存期相關(guān)的最重要的危險因素更徹底的腦癌切除可以延長生存期和延緩復(fù)發(fā)。然而，術(shù)中區(qū)分癌組織和非癌組織是具有挑戰(zhàn)性的，特別是在過渡和浸潤區(qū)。這在大腦語言區(qū)和運(yùn)動區(qū)尤為重要。本研究測試了無標(biāo)記、定量光學(xué)相干斷層掃描(OCT)在人類腦組織中區(qū)分癌與非癌的可行性。從32例II至IV級腦癌患者和5例非癌性腦病理患者中獲得新鮮的離體人腦組織。根據(jù)體積OCT成像數(shù)據(jù)，病理證實的腦腫瘤組織(無論是高級別還是低級別)在癌核心和浸潤區(qū)的光學(xué)衰減值均明顯低于非癌白質(zhì)區(qū)，OCT對腦癌患者在5.5 mm 1的衰減閾值下具有較高的敏感性和特異性。作者還使用這個衰減閾值來確認(rèn)術(shù)中使用攜帶人類腦癌的小鼠模型進(jìn)行oct引導(dǎo)的活體手術(shù)的可行性。OCT系統(tǒng)能夠以每秒110到215幀的速率實時處理和顯示彩色編碼的光學(xué)屬性圖，或者對于8到16毫米的組織體積，1.2到2.4秒，從而為癌癥和非癌癥區(qū)域提供直接的視覺線索。本研究證明了OCT在鑒別癌組織和非癌組織方面的翻譯和應(yīng)用潛力。與目前的臨床標(biāo)準(zhǔn)相比，術(shù)中使用它可以促進(jìn)安全、廣泛地切除浸潤性腦癌，從而改善預(yù)后。

臨床腫瘤區(qū)與非腫瘤區(qū)(白質(zhì))離體OCT成像

使用掃描源OCT (SS-OCT)系統(tǒng)和微型手持成像探頭，在給定體積上掃描從37例患者手術(shù)切除的新鮮人腦組織，生成深度相關(guān)的OCT信號剖面和組織衰減值。為了準(zhǔn)確評估衰減特性，我們開發(fā)了一種方法來消除光束輪廓的深度依賴效應(yīng)的影響，其中來自腦組織樣本的OCT信號與來自具有已知衰減系數(shù)的氧化硅模體的OCT信號進(jìn)行歸一化。在高速設(shè)置下[220,000次掃描/秒，每2D幀1024-2048次掃描，或每秒110至215幀2D幀(fps)]，我們的OCT系統(tǒng)需要1.2至2.4次掃描，處理和顯示8至16毫米3組織塊(電影S1)的OCT圖像和組織衰減結(jié)果。雖然默認(rèn)的OCT視場設(shè)置為8至16 mm3，但我們可以使用機(jī)器人定位設(shè)備擴(kuò)展視場。根據(jù)OCT結(jié)果和相應(yīng)的成像組織組織學(xué)，建立了一個最佳的衰減閾值，用于識別高級別(IV級)和低級別(II級)的人類腦癌，具有較高的檢測靈敏度和特異性。最后，為了方便術(shù)中使用該技術(shù)，OCT圖像以直觀的3D和彩色編碼光學(xué)屬性圖顯示，以反映組織衰減特性。

臨床腫瘤樣本和正常腦組織具有不同的光衰減差異

對訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中的新鮮離體人腦組織(9個高級別、2個低級別和5個非癌癥)進(jìn)行表征，以確定癌癥和非癌癥白質(zhì)之間的光衰減差異。為了確保光衰減值的準(zhǔn)確性，首先由神經(jīng)病理學(xué)家(F.J.R.)通過組織病理學(xué)分析確認(rèn)所有癌癥組織與非癌癥組織的診斷。與周圍非癌白質(zhì)相比，癌核心和浸潤區(qū)癌組織的衰減值都較低(圖2,A和C)。對于高級別腫瘤，非癌組織的平均光學(xué)衰減值(6.2mm−1)顯著高于浸潤區(qū)(3.5 mm−1)和癌核心(3.9 mm−1);對于低級別，非癌區(qū)平均光學(xué)衰減值(6.2 mm−1)顯著高于浸潤區(qū)(2.7mm−1)，但不顯著高于癌核心(4.0 mm−1)(表1)。然而，浸潤區(qū)低級別與高級別的衰減差異無統(tǒng)計學(xué)意義(2.7±1.0 vs 3.5±0.8;P = 0.45)和癌核(4.0±1.4比3.9±1.6;P = 0.94)。

與OCT衰減圖相關(guān)的腫瘤核心和浸潤區(qū)及組織學(xué)的敏感性和特異性

從訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中，發(fā)現(xiàn)最佳閾值衰減值(定義為具有至少80%特異性的最大靈敏度)為5.5 mm−1。使用這個指定的閾值，我們確定了檢測高級別和低級別腦癌的roc(圖3A)。例如，腦癌樣本的衰減結(jié)果與相應(yīng)的組織學(xué)顯示(圖3B)。值得注意的是，衰減圖代表了沿整個成像深度(1.8 mm)的3D組織塊的光學(xué)特性，而相應(yīng)的組織學(xué)圖像則代表了該組織塊在特定深度的2D切片。在組織病理學(xué)驗證過程中，病理學(xué)家(F.J.R.)回顧了不同深度的多個切片，得出以下結(jié)論:切片顯示癌密度高的區(qū)域(衰減圖中紅色區(qū)域)，癌密度中等的區(qū)域(衰減圖中黃色區(qū)域)，以及癌密度低的區(qū)域，即以白質(zhì)為主的彌漫性浸潤區(qū)和一些腫瘤細(xì)胞成分(衰減圖中綠色區(qū)域)。

OCT掃描可以幫助區(qū)分患者的腦癌組織和非癌組織

使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)集(訓(xùn)練和驗證)來評估低級別和高級別癌癥不同亞組之間的光學(xué)衰減差異。發(fā)現(xiàn)無論采用何種治療方法，腦癌與非腫瘤白質(zhì)相比具有明顯較低的衰減，并且新診斷的腦癌和復(fù)發(fā)的腦癌之間的衰減沒有顯著差異。癌核與浸潤區(qū)有相當(dāng)?shù)乃�減(高級別P = 0.51，低級別P = 0.80, Welch st檢驗)。最后，與高級別和低級別癌核相比，非癌灰質(zhì)的衰減明顯較低，但與高級別或低級別浸潤區(qū)相比則沒有明顯的衰減。除了光學(xué)衰減分析外，OCT成像還能夠識別顯微結(jié)構(gòu)，這可以補(bǔ)充鑒別癌與非癌白質(zhì)的衰減數(shù)據(jù)。雖然作者的研究主要集中在高級別(IV級)和低級別(II級)腦癌的衰減結(jié)果，但由于III級的鑒別傳統(tǒng)上困難且經(jīng)常存在爭議，也研究了3例III級腦癌患者的衰減結(jié)果。非癌與III級腦癌組織的光學(xué)衰減值分布存在中度至顯著的重疊(癌核心和浸潤區(qū)分別有24%和77%的重疊)。組織學(xué)證實浸潤區(qū)顯示彌漫性癌浸潤，主要由非癌性白質(zhì)和一些腫瘤細(xì)胞成分組成。總體而言，III級腦癌的癌組織和非癌組織之間存在更大的重疊(與II級相比)，這可能歸因于III級的樣本量有限。

小鼠腦腫瘤模型體內(nèi)OCT檢測

為了測試OCT在術(shù)中檢測腫瘤和非腫瘤的能力，作者研究了5只移植了兩種不同級別人類腦癌的小鼠。小鼠被植入U87細(xì)胞系或患者來源的細(xì)胞系GBM272(圖S4)。術(shù)中獲取并顯示切除腔上的OCT衰減圖，可以在0.004 mm 3的尺度上分辨癌與非癌。OCT衰減圖幫助使用者在手術(shù)前后識別癌癥與非癌癥(白質(zhì))區(qū)域，甚至對于使用患者來源的GBM272細(xì)胞系表現(xiàn)出更多浸潤性腦癌特征的小鼠。成像后，切除小鼠大腦，由神經(jīng)病理學(xué)家(F.J.R.)檢查相應(yīng)的組織學(xué)切片，以驗證OCT結(jié)果。這些組織學(xué)切片按照與OCT橫截面圖像相同的方向切片[即垂直于組織表面或垂直于OCT衰減圖，沿圖5 (B和C)中的虛線切片]。在術(shù)后和對照圖像中，在組織學(xué)圖像中可以看到殘余的癌癥(約占圖像面積的5%至10%)。

總之，OCT在腦癌切除中具有巨大的轉(zhuǎn)化潛力。除了腦癌，這種模式也可用于區(qū)分其他腦實質(zhì)內(nèi)腦癌(包括轉(zhuǎn)移性腦癌)的癌變組織和非癌變組織。這項研究為未來的臨床試驗和技術(shù)改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)，最終將導(dǎo)致一種能夠快速有效地檢測腦癌的技術(shù)，增加切除的范圍，從而提高患者的生存率。