結(jié)合OCT圖像指導(dǎo)在異體移植模型中進(jìn)行激光腦腫瘤手術(shù)

腦腫瘤切除需要高精度的手術(shù)設(shè)備，對(duì)損傷范圍控制有極高的要求。美國(guó)研究人員Nitesh Katta等使用激光手術(shù)系統(tǒng)結(jié)合OCT圖像指導(dǎo)，對(duì)小鼠異體移植腦腫瘤模型進(jìn)行了腫瘤切除手術(shù)。此外對(duì)比激光凝固和/或消融前、中、后的腫瘤區(qū)域、殘余腫瘤區(qū)域以及活體區(qū)域OCT血管造影圖像，結(jié)合共聚焦顯微分析和組織學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)OCT檢測(cè)腫瘤邊緣及大小結(jié)果與組織學(xué)一致，且相比于共聚焦顯微技術(shù)，OCT對(duì)腫瘤深處邊緣的觀測(cè)范圍更大，可達(dá)約250μm。證實(shí)了該OCT圖像指導(dǎo)下的精確無(wú)血腫瘤切除的方法的可用性。研究成果以“Laser brain cancer surgery in a xenograft model guided by opticalcoherence tomography”為題發(fā)表于Theranostics。


 

研究背景
 

在顱內(nèi)腫瘤切除過(guò)程中，鑒于腦結(jié)構(gòu)的精密性，需要能提供亞毫米成像和切割的外科工具和程序。目前外科手術(shù)中存在非特異性損傷范圍相對(duì)較大，以及缺乏術(shù)中微米級(jí)分辨率的深度分辨圖像引導(dǎo)等問(wèn)題，而光學(xué)斷層成像（optical tomographic imaging）和光纖激光技術(shù)（fiber laser technology）設(shè)備能夠解決成像和切割限制，改善手術(shù)方法和精度。
 

光學(xué)相干斷層掃描（OCT）根據(jù)組織的固有光學(xué)散射特性實(shí)現(xiàn)可視化，組織穿透深度為2 mm，分辨率可達(dá)5-10 μm。Swept-source OCT系統(tǒng)結(jié)合GPU數(shù)據(jù)處理，能夠在幾秒鐘內(nèi)顯示斷層圖像（10-20 mm³），可提供準(zhǔn)實(shí)時(shí)術(shù)中成像。除標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)圖像外，通過(guò)記錄組織散射隨時(shí)間的變化，OCT還能顯示高分辨率和高對(duì)比度的血管造影圖像，而無(wú)需外源性造影劑。此外，有研究通過(guò)表征光學(xué)衰減、紋理或雙折射，使用OCT且在無(wú)外源造影劑的情況下，成功對(duì)切除的人腦癌標(biāo)本以及活體異種移植小鼠模型中的腫瘤邊緣進(jìn)行了成像。傳統(tǒng)術(shù)中成像平臺(tái)如磁共振成像（MRI）和X射線CT，分辨率有限且圖像采集時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法觀察到在腫瘤切除期間發(fā)生的組織形狀和位置的微小變化。OCT的高速血管造影和腫瘤邊緣檢測(cè)能力，使其成為術(shù)中指導(dǎo)的主要候選成像方式，而較高的空間分辨率和較快的成像速度，可以在腫瘤切除過(guò)程中為醫(yī)生提供詳細(xì)的逐時(shí)斷層圖像。
 

傳統(tǒng)外科手術(shù)中，依靠電灼術(shù)的凝血和止血方法經(jīng)常會(huì)造成幾毫米大的附帶損傷區(qū)�；�于激光的外科手術(shù)方法極大改善了腫瘤消融和血管凝固技術(shù)的精確度。Tm激光在組織中的吸收深度（125 μm）可以凝結(jié)大多數(shù)鼠腦血管，同時(shí)非特異性熱損傷邊緣緊密。Er:YAG激光輻射的發(fā)射波長(zhǎng)（2.94 μm）與水吸收的峰值一致，所以在腫瘤消融中能量效率高且空間上不會(huì)擴(kuò)散。然而Er:YAG激光一般不用于外科手術(shù)（皮膚美容表面重修除外），在腦微循環(huán)凝固中也不作為備選方法。
 

已有研究介紹了圖像指導(dǎo)的激光手術(shù)概念，成功在小鼠模型中將OCT反饋與激光凝固結(jié)合，在離體豬腦組織中結(jié)合OCT反饋來(lái)指導(dǎo)組織樣本消融。因此本研究將OCT圖像指導(dǎo)與Tm激光血管凝固和Er:YAG激光腦腫瘤消融相結(jié)合，通過(guò)使用小鼠腫瘤移植模型探究該雙激光方法在體內(nèi)腦微循環(huán)精確消融和凝固中的適用性。
 

 

圖1 OCT指導(dǎo)的激光手術(shù)系統(tǒng)，帶有共準(zhǔn)直的Tm/Er光束。

 

結(jié)果與討論

 

01-血管造影和腫瘤邊緣成像

 圖2A為距皮層250 μm熒光共聚焦顯微圖像的最大強(qiáng)度Z-投影，展示了脈管系統(tǒng)（綠色）和腫瘤區(qū)域（紅色）。OCT血管造影的MIP顯示了腫瘤（綠色）和脈管系統(tǒng)（紅色）區(qū)域（圖2B），其中藍(lán)色框內(nèi)為低衰減系數(shù)的區(qū)域，該區(qū)域被認(rèn)為是腫瘤。

 OCT血管造影中的血管特征與共聚焦熒光顯微圖像結(jié)果大致相匹配，而OCT圖像中展示的腫瘤區(qū)域（綠色），較共聚焦熒光顯微圖像中顯示的腫瘤區(qū)域（紅色）大。經(jīng)組織學(xué)證實(shí)在0.3 - 1.5 mm深度間觀察到大量腫瘤塊，因此以共聚焦熒光顯微術(shù)的成像深度（250 μm），并不能完全看到。圖2C為小鼠皮質(zhì)表面以下0.55 mm處，5 μm厚的橫向組織切片（H&E染色），顯示了一個(gè)細(xì)胞核密度較高的區(qū)域，表明是腫瘤。根據(jù)組織學(xué)估計(jì)，該深度的腫瘤寬度為0.81 ± 0.2 mm，OCT測(cè)定寬度為0.75 ± 0.1 mm，與組織學(xué)結(jié)果一致。此外根據(jù)組織學(xué)估計(jì)腫瘤延伸至1.15 ± 0.2 mm深度，OCT測(cè)量深度為1.30 ± 0.1 mm。另一只小鼠的熒光血管造影和OCT血管造影結(jié)果對(duì)比類(lèi)似（圖2D和E）。圖2F為E中水平虛線位置的B-scan圖像，藍(lán)色為腫瘤區(qū)域，OCT圖像中可觀察到完整的腫瘤深度，但熒光共聚焦顯微圖像沒(méi)有觀察到。
   

 

圖2 A. 共聚焦熒光顯微Z-projection（距皮層表面 250 μm），可見(jiàn)表達(dá)RFP的腫瘤細(xì)胞（紅色）和脈管系統(tǒng)（綠色）。B. OCT血管造影（紅色）、腫瘤Z-projection（綠色，距皮質(zhì)表面2 mm）。C.距皮質(zhì)表面550μm處的組織學(xué)橫切面切片。D.共聚焦熒光顯微術(shù)Z-projection（距皮質(zhì)表面250 μm）。E. OCT血管造影（紅色）、腫瘤Z-projection（綠色，距皮質(zhì)表面2 mm）。F.腫瘤區(qū)域（藍(lán)色）的B-scan（E中水平虛線處）。

 02-OCT圖像指導(dǎo)下的精確凝血
 

對(duì)小鼠異體移植腦腫瘤進(jìn)行成像（圖2E），并激光凝固脈管系統(tǒng)（圖3）。MIP圖像紅色圓圈為凝固前的目標(biāo)脈管系統(tǒng)區(qū)域（圖3A）。激光凝固后，血管造影圖像顯示目標(biāo)區(qū)域血流停止（圖3B）。計(jì)算后發(fā)現(xiàn)止血深度可達(dá)約500 μm（圖3C）。對(duì)比激光凝固前后血管造影間的差異，發(fā)現(xiàn)凝固區(qū)域形狀呈圓錐形并指向組織，錐頂角與入射Tm光束的數(shù)值孔徑（26度）相匹配。
 

 

圖3 A. 激光凝固前OCT血管造影圖。B.激光凝固后OCT血管造影圖。C.激光凝固前（灰色）、后（紅色），標(biāo)記區(qū)域深度的去相關(guān)值。
 

 

03-OCT指導(dǎo)下的精確激光消融
 

將目標(biāo)腫瘤切除一部分，使用OCT確定殘余腫瘤大小，并將其與組織學(xué)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行比較，來(lái)估計(jì)治療期間OCT的邊緣檢測(cè)能力。

 

圖4A為處理前的脈管系統(tǒng)（紅色）和腫瘤區(qū)域（綠色），使用衰減系數(shù)閾值處理過(guò)的三維渲染圖（圖4B，衰減系數(shù)小于5.7 mm^-1）指導(dǎo)消融手術(shù)。在所有成像的小鼠（5/5）中，都觀察到腫瘤在針跡中呈細(xì)長(zhǎng)狀（圖4B單星號(hào)），并沿胼胝體/海馬體變寬（雙星號(hào)）。Tm激光使所有滋養(yǎng)腫瘤的表面血管都凝固（圖4C）。血管造影證實(shí)血流停止后，直接在針跡上方和中心重復(fù)進(jìn)行一系列Er:YAG激光消融、成像和Z-translation步驟。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不出血移除一層組織（約125 μm）需輸送約七組Er:YAG激光脈沖（1 Hz重復(fù)頻率）。偶爾在新形成的消融坑底部會(huì)形成一個(gè)小凝塊，但這個(gè)凝塊從未發(fā)生破裂，而且切割也不流血。對(duì)比觀察手術(shù)前后的OCT圖像，觀察到切割后的殘余損傷（圖4D），表現(xiàn)為一圈凸起的組織，圍繞燒蝕坑邊緣而逐漸衰減（圖4E，B-scan穿過(guò)燒蝕坑中心）。目視檢查發(fā)現(xiàn)燒蝕坑周?chē)�有一圈凸起的邊緣區(qū)域，且有干燥和輕度碳化的組織。隨著燒蝕區(qū)域加深，凸起的干燥邊緣的寬度增加。組織學(xué)圖像（圖4F）中缺少殘余熱損傷（圖4D中黃色）和燒蝕坑邊緣的凸起表面區(qū)域（圖4E），很可能是由于結(jié)構(gòu)脆弱而在組織學(xué)加工過(guò)程中無(wú)意脫落了。組織表面附近的干燥區(qū)域產(chǎn)生陰影偽像（圖4E）。在陰影中觀察到圓錐形，認(rèn)為這是活體組織和受損組織之間的界面（圖4E，紅色虛線）。OCT測(cè)得殘余損傷區(qū)內(nèi)的燒蝕坑直徑為940 ± 100 μm，活體區(qū)內(nèi)的燒蝕直徑為1940 ± 200 μm。組織學(xué)測(cè)量的燒蝕直徑為1890 ± 200 μm（圖F）。未消融的腫瘤區(qū)域（圖E，藍(lán)色）在組織學(xué)切片中也顯示為核密度增加的區(qū)域（圖F，深紫色）。OCT測(cè)量未消融腫瘤區(qū)域的深度為840 ± 100 μm，寬度為830 ± 100 μm，與組織學(xué)確定值（深度890 ± 100 μm，寬度650 ± 100 μm）相當(dāng)。

 

 

圖4 A. 術(shù)前的OCT圖像（距皮質(zhì)表面2.5 mm），顯示出脈管系統(tǒng)（紅色）和腫瘤（綠色）。B.三維渲染體積式OCT視圖。C.血管凝固后圖像。D.激光消融后圖像。E.疊加了消融前腫瘤邊緣（藍(lán)色）的消融后B-scan（灰色）。F. E中B-scan區(qū)域的HE染色切片。

  

小結(jié)
 

本研究提出的系統(tǒng)將激光凝固和消融技術(shù)與OCT血管造影術(shù)結(jié)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)腦腫瘤無(wú)出血精確消融。Er:YAG激光消融精確高、非特異性熱損傷小；Tm激光穿透深度高（1.94 μm），非常適合凝結(jié)直徑小于100 μm的血管；OCT成像空間分辨率高、成像時(shí)間短（約90s），使得該系統(tǒng)特別適用于需要極高精度的手術(shù)操作中，如關(guān)鍵腦區(qū)域附近腫瘤切除手術(shù)，能夠避免對(duì)周?chē)�正常腦組織造成附帶損傷。


  參考文獻(xiàn)：Katta, N , et al. "Laser brain cancer surgery in a xenograft model guided by optical coherence tomography." Theranostics 9.12(2019):3555.