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《第三军医大学》 2014年
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脑缺血和脑胶质瘤的高光谱成像研究

傅楚华  
【摘要】:背景与目的: 神经外科手术中实时评估脑组织的血液灌注状态、分辨恶性肿瘤的边界对指导手术、改善预后具有重要意义。而术者肉眼观察和目前的影像检查技术(如CT、MRI等)往往难以达到这一要求。高光谱成像技术不仅能实时获取所测物体的空间图像,而且能通过光谱分析提取物质的本征信号,可能成为实时引导手术、实现精准切除的新方法。 为了探讨生物组织在可见近红外波段的漫反射光谱特性,本研究测量了不同吸收和散射性质溶液的光谱,分析了其变化规律;为了探寻缺血脑组织及脑胶质瘤的高光谱成像方法,本课题测量了缺血脑组织和胶质瘤组织的特征光谱,分析了二者与正常脑组织光谱的差异,筛选了可有效辨别缺血脑组织及脑胶质瘤的高光谱成像参数,建立了图像处理算法。以期为高光谱成像的临床应用奠定基础。 材料与方法: 1.采用光纤光谱仪测量了血液和脂肪乳混合溶液的可见近红外漫反射光谱,分析了不同血红蛋白浓度、不同血氧饱和度及不同脂肪乳浓度的光谱曲线变化规律。 2.建立了SD大鼠右侧大脑中动脉阻塞(MCAO)模型,采用光纤光谱仪在体测量了正常及缺血1h、3h、6h、12h、24h脑组织的可见近红外漫反射光谱,分析了缺血脑组织与正常脑组织的特征性光谱差异。 3.采用高光谱成像仪结合手术显微镜对离体正常脑组织及缺血1h、3h、6h、12h、24h脑组织进行了光谱成像研究,提取了正常和缺血脑组织光谱,分别用主成分分析(PCA)及光谱比值算法处理高光谱图像,并与TTC染色和HE染色进行对照。 4.建立了裸鼠皮下C6、GL261、U87胶质瘤移植模型,C57小鼠颅内GL261胶质瘤移植模型,采用光纤光谱仪在体测量了裸鼠正常脑组织、皮下C6、GL261、U87胶质瘤组织、C57小鼠颅内GL261胶质瘤组织及临床手术病人胶质瘤的可见近红外漫反射光谱,分析了胶质瘤组织与正常脑组织的特征性光谱差异。 5.采用高光谱成像仪结合手术显微镜对离体和在体颅内GL261胶质瘤组织进行了光谱成像研究,提取了正常脑组织和胶质瘤的光谱,用光谱比值算法处理高光谱图像,并与HE染色、MRI成像、RGB成像进行了比较。 主要结果: 1.血红蛋白在542nm和577nm波段具有特征的吸收峰,500~600nm波段光谱曲线的变化可反映血红蛋白浓度、血氧饱和度的变化;700~900nm波段光谱曲线可反映样本的散射性质。 2.缺血后1h开始,梗塞区脑组织在400~900nm波段的光谱特征与正常脑组织便存在明显差异,且缺血时间越长(3h、6h、12h、24h)差异越显著。 3.基于主成分分析的高光谱成像可有效识别缺血后1h、3h、6h、12h、24h脑组织;基于R545/R560光谱比值的高光谱成像可清晰显示缺血6h、12h、24h脑组织区域,计算面积(28.09±4.81、50.80±5.31、60.95±6.27mm2)与TTC染色(26.06±4.26、48.68±4.31、60.29±5.96mm2)高度吻合。 4.裸鼠皮下C6、GL261、U87胶质瘤,C57小鼠颅内GL261胶质瘤以及手术中人胶质瘤在400~900nm波段的光谱曲线均与正常脑组织存在明显差异。 5.基于R700/R545光谱比值的高光谱成像能清晰显示离体与在体颅内GL261胶质瘤区域,与HE染色显示的肿瘤区域比较,光谱比值R700/R545高光谱成像对肿瘤的识别精度最高(92.40±2.50%)、高于MRI T2成像(84.39±4.69%)和RGB成像(肉眼,81.93±4.47%)。 结论: 1.可见近红外漫反射光谱可鉴别不同组织血红蛋白浓度、血氧饱和度、结构成分等的差异,从而有效识别缺血脑组织与胶质瘤组织。 2.基于主成分分析的高光谱成像可探测脑组织的早期缺血;基于R545/R560光谱比值的高光谱成像可实现缺血区域的精确定位;基于R700/R545光谱比值的高光谱成像可有效辨别脑胶质瘤边界。 3.高光谱成像可能成为神经外科术中实时、无标记、在体探测与成像缺血脑组织和胶质瘤的新方法。
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