腦膜瘤，作為中樞神經系統常見的腦腫瘤，發病率僅次于膠質瘤，約占顱內腫瘤的15%-20%。其中，血管型腦膜瘤是常見亞型，因其血管異常豐富，手術切除時極易出血，所以術前或術中明確診斷對制定手術方案和判斷預后意義重大。傳統的診斷技術存在諸多局限，而多光子技術的出現，為血管型腦膜瘤的診斷帶來了新希望，它能無標記地研究腫瘤，可視化其微結構，甚至自動定位血管和計算血管數量，有望成為臨床診斷的新技術。

研究背景與技術挑戰
腦膜瘤與血管型腦膜瘤
腦膜瘤起源于蛛網膜細胞及其衍生物，具有間葉性和上皮性特征，臨床上分為16個亞型。血管型腦膜瘤在治療時多采用手術療法，但因其血管豐富，手術中出血風險高，精準診斷對保障手術安全和患者預后至關重要。

技術創新與應用
技術創新原理
多光子（MPM）技術源于其獨特的基于非線性光學和飛秒激光相互作用的原理。當物質受到飛秒激光的照射時，在特定條件下，多個光子能夠同時被吸收，這種現象被稱為多光子吸收。與傳統的單光子激發相比，多光子激發需要更高的光子密度，而飛秒激光恰好具備超短脈沖和高峰值功率的特點，能夠滿足這一條件。

在生物組織中，不同的分子具有特定的吸收光譜。多光子技術利用這一特性，以血管型腦膜瘤為例，細胞內的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）、黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）以及血管內的彈力纖維等內源性熒光團，在強激光的作用下會產生雙光子激發熒光（TPEF）信號。這是因為這些分子吸收兩個光子后，從基態躍遷到激發態，當它們從激發態回到基態時，就會發射出熒光。

同時，血管壁的膠原可以產生大量的二次諧波（SHG）信號。二次諧波產生的原理是基于介質的非線性光學響應，當激光照射到具有非中心對稱結構的膠原分子時，會產生頻率為入射光兩倍的光輻射，即二次諧波。這種特性使得多光子技術能夠特異性地檢測到膠原的存在及其分布情況。由于多光子激發具有較高的空間分辨率，只有在激光焦點處的分子才能夠吸收足夠的光子發生激發，因此可以實現對組織微結構的高分辨率成像，適合實時原位檢測人體組織微結構的變化，為深入研究生物組織的微觀特征提供了有力工具。

研究應用
研究人員首先利用多光子光譜技術，對血管型腦膜瘤組織的內在成分進行分析。通過獲取腦膜瘤樣品的發射光譜，并結合基于Matlab語言的多峰擬合程序，能夠無標記、定量定性地確定組織中不同內源分子的成分和比例。例如，研究發現組織中FAD的占比最大，接下來依次是結構蛋白、NADH、膠原和卟啉衍生物。

多光子顯微成像技術用于展示血管型腦膜瘤的微結構。通過多通道成像模式，選擇特定的通道分別進行TPEF成像和SHG成像，從而實現TPEF/SHG復合成像。這種成像方式能夠清晰地呈現出血管型腦膜瘤組織中血管、細胞以及膠原纖維等結構的分布和形態特征。與傳統的H&E染色技術相比，多光子技術在成像血管方面更具優勢，能夠更清晰地展示血管壁的膠原纖維結構。

研究還結合了圖像分析技術。通過對MPM圖像進行一系列處理，包括轉換顏色空間、圖像增強、去除噪聲、分割處理等步驟，能夠自動定位血管的位置并計算血管的數量。這一應用為評估血管型腦膜瘤的血供情況提供了定量的數據支持，有助于醫生更全面地了解腫瘤的特征，進而制定更精準的治療方案。

成像實驗與結果分析
實驗準備
組織樣品：使用10個血管型腦膜瘤和3個正常硬膜組織樣品。樣品切除后分為兩部分，一部分新鮮樣品用于光譜成像，另一部分按常規病理流程處理，制作10μm厚切片，部分用于多光子多通道顯微成像，部分進行H&E染色對比。

成像方法：實驗采用多光子顯微成像系統，該系統具備多通道成像和光譜成像兩種模式。

實驗結果
光譜分析：對腦膜瘤樣品光譜成像后，得到歸一化發射光譜，顯示5個較強峰值，分別對應不同內源成分。經多峰擬合分析，確定組織中FAD占比最大，其次為結構蛋白、NADH、膠原和卟啉衍生物，表明多光子技術可無標記、定量定性分析腫瘤內在成分。

顯微成像：正常硬膜和蛛網膜組織多光子顯微成像顯示，硬膜富含膠原纖維，在TPEF和SHG疊加圖像呈黃色；蛛網膜組織呈薄膜狀，SHG信號較弱，呈紅黃色。血管型腦膜瘤組織富含血管，血管和細胞形態特征在多光子成像下清晰可見，且血管壁膠原纖維顯示比H&E染色更清晰。

圖像分析：通過對MPM圖像一系列處理，可自動定位組織中的血管，計算并可視化顯示血管數量，為評估腫瘤血供提供數據支持。

總結與展望
目前，H&E快速冰凍切片技術是術中診斷血管型腦膜瘤的“金標準”，但存在耗時久、可能損傷組織影響診斷準確性的問題。MPM技術可提供實時病理學數據，提高診斷率，幫助醫生快速評估患者血供情況，制定更合適的手術方案和治療策略。隨著光纖技術和內窺鏡技術發展，多光子技術有望進一步優化，實現更便捷、更精準的臨床診斷。未來，它可能成為臨床常規診斷手段，為更多血管型腦膜瘤患者帶來更安全、有效的治療，在腦腫瘤診斷和治療領域發揮更大的作用。

論文信息
聲明：本文僅用作學術目的。

方娜, 吳贊藝, 王行富, 林元相, 陳建新. 多光子技術可視化血管型腦膜瘤[J]. 激光與光電子學進展, 2022, 59(6): 0617025. 

DOI:10. 3788/LOP202259. 0617025.