腦腫瘤切除需要高精度的手術設備，對損傷范圍控制有極高的要求。美國研究人員Nitesh Katta等使用激光手術系統結合OCT圖像指導，對小鼠異體移植腦腫瘤模型進行了腫瘤切除手術。此外對比激光凝固和/或消融前、中、后的腫瘤區域、殘余腫瘤區域以及活體區域OCT血管造影圖像，結合共聚焦顯微分析和組織學分析，發現OCT檢測腫瘤邊緣及大小結果與組織學一致，且相比于共聚焦顯微技術，OCT對腫瘤深處邊緣的觀測范圍更大，可達約250μm。證實了該OCT圖像指導下的精確無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”為題發表于Theranostics。


 

研究背景
 

在顱內腫瘤切除過程中，鑒于腦結構的精密性，需要能提供亞毫米成像和切割的外科工具和程序。目前外科手術中存在非特異性損傷范圍相對較大，以及缺乏術中微米級分辨率的深度分辨圖像引導等問題，而光學斷層成像（optical tomographic imaging）和光纖激光技術（fiber laser technology）設備能夠解決成像和切割限制，改善手術方法和精度。
 

光學相干斷層掃描（OCT）根據組織的固有光學散射特性實現可視化，組織穿透深度為2 mm，分辨率可達5-10 μm。Swept-source OCT系統結合GPU數據處理，能夠在幾秒鐘內顯示斷層圖像（10-20 mm³），可提供準實時術中成像。除標準的結構圖像外，通過記錄組織散射隨時間的變化，OCT還能顯示高分辨率和高對比度的血管造影圖像，而無需外源性造影劑。此外，有研究通過表征光學衰減、紋理或雙折射，使用OCT且在無外源造影劑的情況下，成功對切除的人腦癌標本以及活體異種移植小鼠模型中的腫瘤邊緣進行了成像。傳統術中成像平臺如磁共振成像（MRI）和X射線CT，分辨率有限且圖像采集時間長，無法觀察到在腫瘤切除期間發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能力，使其成為術中指導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，可以在腫瘤切除過程中為醫生提供詳細的逐時斷層圖像。
 

傳統外科手術中，依靠電灼術的凝血和止血方法經常會造成幾毫米大的附帶損傷區。基于激光的外科手術方法極大改善了腫瘤消融和血管凝固技術的精確度。Tm激光在組織中的吸收深度（125 μm）可以凝結大多數鼠腦血管，同時非特異性熱損傷邊緣緊密。Er:YAG激光輻射的發射波長（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擴散。然而Er:YAG激光一般不用于外科手術（皮膚美容表面重修除外），在腦微循環凝固中也不作為備選方法。
 

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

 

圖1 OCT指導的激光手術系統，帶有共準直的Tm/Er光束。

 

結果與討論

 

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度Z-投影，展示了脈管系統（綠色）和腫瘤區域（紅色）。OCT血管造影的MIP顯示了腫瘤（綠色）和脈管系統（紅色）區域（圖2B），其中藍色框內為低衰減系數的區域，該區域被認為是腫瘤。

 OCT血管造影中的血管特征與共聚焦熒光顯微圖像結果大致相匹配，而OCT圖像中展示的腫瘤區域（綠色），較共聚焦熒光顯微圖像中顯示的腫瘤區域（紅色）大。經組織學證實在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的成像深度（250 μm），并不能完全看到。圖2C為小鼠皮質表面以下0.55 mm處，5 μm厚的橫向組織切片（H&E染色），顯示了一個細胞核密度較高的區域，表明是腫瘤。根據組織學估計，該深度的腫瘤寬度為0.81 ± 0.2 mm，OCT測定寬度為0.75 ± 0.1 mm，與組織學結果一致。此外根據組織學估計腫瘤延伸至1.15 ± 0.2 mm深度，OCT測量深度為1.30 ± 0.1 mm。另一只小鼠的熒光血管造影和OCT血管造影結果對比類似（圖2D和E）。圖2F為E中水平虛線位置的B-scan圖像，藍色為腫瘤區域，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），可見表達RFP的腫瘤細胞（紅色）和脈管系統（綠色）。B. OCT血管造影（紅色）、腫瘤Z-projection（綠色，距皮質表面2 mm）。C.距皮質表面550μm處的組織學橫切面切片。D.共聚焦熒光顯微術Z-projection（距皮質表面250 μm）。E. OCT血管造影（紅色）、腫瘤Z-projection（綠色，距皮質表面2 mm）。F.腫瘤區域（藍色）的B-scan（E中水平虛線處）。

 02-OCT圖像指導下的精確凝血
 

對小鼠異體移植腦腫瘤進行成像（圖2E），并激光凝固脈管系統（圖3）。MIP圖像紅色圓圈為凝固前的目標脈管系統區域（圖3A）。激光凝固后，血管造影圖像顯示目標區域血流停止（圖3B）。計算后發現止血深度可達約500 μm（圖3C）。對比激光凝固前后血管造影間的差異，發現凝固區域形狀呈圓錐形并指向組織，錐頂角與入射Tm光束的數值孔徑（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），標記區域深度的去相關值。
 

 

03-OCT指導下的精確激光消融
 

將目標腫瘤切除一部分，使用OCT確定殘余腫瘤大小，并將其與組織學測定結果進行比較，來估計治療期間OCT的邊緣檢測能力。

 

圖4A為處理前的脈管系統（紅色）和腫瘤區域（綠色），使用衰減系數閾值處理過的三維渲染圖（圖4B，衰減系數小于5.7 mm^-1）指導消融手術。在所有成像的小鼠（5/5）中，都觀察到腫瘤在針跡中呈細長狀（圖4B單星號），并沿胼胝體/海馬體變寬（雙星號）。Tm激光使所有滋養腫瘤的表面血管都凝固（圖4C）。血管造影證實血流停止后，直接在針跡上方和中心重復進行一系列Er:YAG激光消融、成像和Z-translation步驟。試驗發現，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重復頻率）。偶爾在新形成的消融坑底部會形成一個小凝塊，但這個凝塊從未發生破裂，而且切割也不流血。對比觀察手術前后的OCT圖像，觀察到切割后的殘余損傷（圖4D），表現為一圈凸起的組織，圍繞燒蝕坑邊緣而逐漸衰減（圖4E，B-scan穿過燒蝕坑中心）。目視檢查發現燒蝕坑周圍有一圈凸起的邊緣區域，且有干燥和輕度碳化的組織。隨著燒蝕區域加深，凸起的干燥邊緣的寬度增加。組織學圖像（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域（圖4E），很可能是由于結構脆弱而在組織學加工過程中無意脫落了。組織表面附近的干燥區域產生陰影偽像（圖4E）。在陰影中觀察到圓錐形，認為這是活體組織和受損組織之間的界面（圖4E，紅色虛線）。OCT測得殘余損傷區內的燒蝕坑直徑為940 ± 100 μm，活體區內的燒蝕直徑為1940 ± 200 μm。組織學測量的燒蝕直徑為1890 ± 200 μm（圖F）。未消融的腫瘤區域（圖E，藍色）在組織學切片中也顯示為核密度增加的區域（圖F，深紫色）。OCT測量未消融腫瘤區域的深度為840 ± 100 μm，寬度為830 ± 100 μm，與組織學確定值（深度890 ± 100 μm，寬度650 ± 100 μm）相當。

 

 

圖4 A. 術前的OCT圖像（距皮質表面2.5 mm），顯示出脈管系統（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（藍色）的消融后B-scan（灰色）。F. E中B-scan區域的HE染色切片。

  

小結
 

本研究提出的系統將激光凝固和消融技術與OCT血管造影術結相結合，可以實現對腦腫瘤無出血精確消融。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），非常適合凝結直徑小于100 μm的血管；OCT成像空間分辨率高、成像時間短（約90s），使得該系統特別適用于需要極高精度的手術操作中，如關鍵腦區域附近腫瘤切除手術，能夠避免對周圍正常腦組織造成附帶損傷。


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