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

瀏覽次數(shù):430 發(fā)布日期:2023-7-19  來源:本站 僅供參考,謝絕轉(zhuǎn)載,否則責(zé)任自負(fù)

腦癌患者的生存時(shí)間有限,不可避免地會(huì)復(fù)發(fā)并隨后死亡,手術(shù)是一線治療方法。高級(jí)別腦癌患者的中位生存期約為14個(gè)月,但個(gè)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(xiǎn)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(dòng)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(jí)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(shí)的腦腫瘤組織(無論是高級(jí)別還是低級(jí)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(duì)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(gè)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(shí)時(shí)處理和顯示彩色編碼的光學(xué)屬性圖,或者對(duì)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。

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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(hào)剖面和組織衰減值。為了準(zhǔn)確評(píng)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(hào)與來自具有已知衰減系數(shù)的氧化硅模體的OCT信號(hào)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(gè)最佳的衰減閾值,用于識(shí)別高級(jí)別(IV級(jí))和低級(jí)別(II級(jí))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。

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臨床腫瘤樣本和正常腦組織具有不同的光衰減差異

對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中的新鮮離體人腦組織(9個(gè)高級(jí)別、2個(gè)低級(jí)別和5個(gè)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(duì)于高級(jí)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(duì)于低級(jí)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(jí)別與高級(jí)別的衰減差異無統(tǒng)計(jì)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)。

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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(gè)指定的閾值,我們確定了檢測高級(jí)別和低級(jí)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(gè)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(yàn)證過程中,病理學(xué)家(F.J.R.)回顧了不同深度的多個(gè)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)。

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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(yàn)證)來評(píng)估低級(jí)別和高級(jí)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p(高級(jí)別P = 0.51,低級(jí)別P = 0.80, Welch st檢驗(yàn))。最后,與高級(jí)別和低級(jí)別癌核相比,非癌灰質(zhì)的衰減明顯較低,但與高級(jí)別或低級(jí)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(shí)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(jí)別(IV級(jí))和低級(jí)別(II級(jí))腦癌的衰減結(jié)果,但由于III級(jí)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(jí)腦癌患者的衰減結(jié)果。非癌與III級(jí)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(shí)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(jí)腦癌的癌組織和非癌組織之間存在更大的重疊(與II級(jí)相比),這可能歸因于III級(jí)的樣本量有限。

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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(jí)別人類腦癌的小鼠。小鼠被植入U(xiǎn)87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(shí)別癌癥與非癌癥(白質(zhì))區(qū)域,甚至對(duì)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(yàn)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(duì)照?qǐng)D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%)。

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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(shí)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(xiàng)研究為未來的臨床試驗(yàn)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。

來源:北京心聯(lián)光電科技有限公司
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