腦膠質(zhì)瘤是一種極具侵襲性的原發(fā)性惡性腦腫瘤。其侵襲性生長(zhǎng)致使腫瘤邊界與正常腦組織界限模糊，手術(shù)難以完全切除，復(fù)發(fā)率高，患者中位生存期短（如高級(jí)別膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者中位生存期約14個(gè)月，5年生存率僅5.5%），在切除腫瘤同時(shí)保護(hù)腦神經(jīng)功能完整性也極具挑戰(zhàn)，故術(shù)中精準(zhǔn)定位檢測(cè)腫瘤極為關(guān)鍵。

PS-OCT作為OCT功能拓展，通過(guò)檢測(cè)光偏振態(tài)變化獲取偏振特性，為復(fù)雜各向異性組織檢測(cè)增添對(duì)比度，在提升組織檢測(cè)特異性與定量分析精準(zhǔn)度方面潛力巨大。此前已有研究利用其對(duì)神經(jīng)纖維束成像及評(píng)估腦膠質(zhì)瘤細(xì)胞遷移動(dòng)力學(xué)，為本研究奠定基礎(chǔ)。

南開(kāi)大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)研究所王瑋珂團(tuán)隊(duì)發(fā)表綜述文章，使用自行開(kāi)發(fā)的高分辨PS-OCT系統(tǒng)對(duì)離體鼠腦和人源腦膠質(zhì)的小鼠模型進(jìn)行成像，并通過(guò)比對(duì)PS-OCT圖像、熒光圖像和病理學(xué)切片，研究了鼠腦中正常和腫組織的振特性：基于鼠腦各組織的偏振特性，研究了光軸標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)正常和腫瘤組織的區(qū)分效果。結(jié)果表明,高分辨PSOCT技術(shù)具有區(qū)分腦膠質(zhì)瘤和腦正常組織的臨床應(yīng)用潛力，光軸標(biāo)準(zhǔn)差可以更直觀有效地區(qū)分腦腫和腦組織。

研究方法

一、PS-OCT系統(tǒng)構(gòu)建

精心自行搭建的譜域PS-OCT系統(tǒng)，其核心寬譜光源采用中心波長(zhǎng)840nm、3dB帶寬約100nm的超發(fā)光二極管（SLD），經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在空氣中達(dá)成4μm的橫向分辨率以及3.4μm的縱向分辨率。該系統(tǒng)運(yùn)行原理精妙復(fù)雜，寬譜光源發(fā)射的低相干光束率先穿過(guò)線偏振片POL后轉(zhuǎn)變?yōu)檠刎Q直方向的線偏光，接著經(jīng)非偏振敏感的分束器BS精準(zhǔn)分割為振幅均等的參考光與樣品光。

參考光依次穿越快軸方向與豎直方向夾角為22.5°的1/4波片QWP1和色散補(bǔ)償器DC抵達(dá)參考鏡，反射后偏振方向巧妙轉(zhuǎn)變?yōu)?5°；樣品光則先經(jīng)過(guò)快軸方向與豎直方向夾角為45°的1/4波片QWP2轉(zhuǎn)換為圓偏振光，再經(jīng)掃描振鏡和物鏡精準(zhǔn)聚焦于樣品之上，反射后的背向散射光原路折返至分束器。于檢測(cè)臂內(nèi)，參考光以45°偏振方向進(jìn)入，樣品光攜帶豐富的樣品偏振信息以任意偏振態(tài)進(jìn)入，二者發(fā)生干涉，隨后干涉光由偏振分束器PBS精確分離為兩種正交偏振態(tài)，并分別由兩個(gè)高靈敏度光譜儀完成檢測(cè)與記錄流程，確保獲取全面準(zhǔn)確的光學(xué)信息。

PS-SD-OCT系統(tǒng)示意圖

二、實(shí)驗(yàn)樣本準(zhǔn)備

鑒于小鼠基因組與人類(lèi)基因組高度同源（超過(guò)80%的基因具有直系同源物關(guān)系），本研究明智地選用小鼠構(gòu)建腦膠質(zhì)瘤模型。通過(guò)向小鼠腦內(nèi)精準(zhǔn)注射U87-GFP人膠質(zhì)瘤細(xì)胞，歷經(jīng)5周精心培育后，對(duì)小鼠實(shí)施安樂(lè)死并妥善固定，從而獲取實(shí)驗(yàn)樣本。針對(duì)樣本，依次開(kāi)展綠色熒光蛋白（GFP）熒光成像、PS-OCT成像以及組織切片處理等一系列嚴(yán)謹(jǐn)操作。其中，PS-OCT成像系統(tǒng)構(gòu)建的三維視野精確設(shè)定為6mm×3mm×2.3mm，此視野內(nèi)的三維圖像由1000幀B掃描圖像有序組合而成，每幀B掃描圖像以2000 pixel×2000 pixel（x-z方向）的高分辨率清晰呈現(xiàn)，為后續(xù)從三維圖像中精確截取x-y方向圖像、獲取樣品橫截面精準(zhǔn) “正面” 圖像奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

一、正常鼠腦成像

結(jié)構(gòu)特征清晰：

PS-OCT成像技術(shù)在呈現(xiàn)正常鼠腦冠狀面結(jié)構(gòu)時(shí)表現(xiàn)卓越，能夠清晰可辨地展示出不同方向的纖維束及其精確走向。在皮層區(qū)域，呈現(xiàn)出顯著的保偏特性，雙折射現(xiàn)象無(wú)跡可尋；內(nèi)囊結(jié)構(gòu)作為皮層與內(nèi)部腦區(qū)的關(guān)鍵連接部分，雙折射特性明顯，致使相位延遲產(chǎn)生顯著變化，為精準(zhǔn)識(shí)別提供關(guān)鍵線索；海馬體結(jié)構(gòu)則保持保偏特質(zhì)，相位延遲值較低，這些特性在強(qiáng)度、相位延遲以及光軸圖像中協(xié)同呈現(xiàn)，相互印證，為深入了解鼠腦微觀結(jié)構(gòu)提供多維度視角。

正常鼠腦冠狀面的典型PS-OCT圖像。（a）邊緣區(qū)域正面圖像；（b）邊緣區(qū)域B掃描圖像；（c）中央?yún)^(qū)域正面圖像；（d）中央?yún)^(qū)域B掃描圖像。從左至右分別為強(qiáng)度圖、累積相位延遲圖和累積光軸圖

成像多維度呈現(xiàn)：

通過(guò)對(duì)鼠腦冠狀面的邊緣與中央?yún)^(qū)域進(jìn)行全方位掃描成像，巧妙結(jié)合正面圖像與B掃描圖像，多維度、多層次地完整呈現(xiàn)腦區(qū)微觀結(jié)構(gòu)及光學(xué)特性差異。這種成像策略如同搭建起一座信息橋梁，將不同區(qū)域、不同深度的結(jié)構(gòu)信息緊密相連，為深入剖析正常鼠腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供豐富、立體、精準(zhǔn)的影像資料，使研究者得以從微觀層面深入探究各區(qū)域結(jié)構(gòu)與功能的緊密聯(lián)系。

正常鼠腦冠狀面的PS-OCT正面圖像。（a）鼠腦照片；（b）鼠腦HE染色切片；（c）強(qiáng)度圖；（d）累積相位延遲圖；（e）累積光軸圖

二、膠質(zhì)瘤鼠腦成像

腫瘤區(qū)域特性：

在對(duì)膠質(zhì)瘤鼠腦成像研究中，以熒光成像精準(zhǔn)定位腫瘤區(qū)域?yàn)閷?duì)照基石，深入探究OCT圖像特性。結(jié)果清晰顯示，腫瘤組織區(qū)域內(nèi)雙折射變化微乎其微，偏振圖像色彩趨于均勻一致。究其根源，在于癌細(xì)胞的肆意浸潤(rùn)致使纖維結(jié)構(gòu)遭受?chē)?yán)重破壞，在光軸圖像中線性結(jié)構(gòu)難覓蹤影，與正常組織形成鮮明對(duì)比，為腫瘤組織的精準(zhǔn)識(shí)別提供關(guān)鍵診斷依據(jù)。

兩個(gè)腦區(qū)都存在腫瘤浸潤(rùn)情況下膠質(zhì)瘤鼠腦冠狀面的OCT正面圖像

腫瘤浸潤(rùn)一半腦區(qū)的情況下膠質(zhì)瘤鼠腦冠狀面的OCT正面圖像

光軸信息區(qū)分有效：

光軸直方圖作為揭示組織結(jié)構(gòu)差異的有力工具，清晰呈現(xiàn)出正常腦組織與膠質(zhì)瘤組織截然不同的分布特征。正常腦組織的光軸在-π/2rad至π/2rad區(qū)間均勻分布，宛如均勻排列的精密陣列；而膠質(zhì)瘤區(qū)域的光軸則高度聚集于0rad附近，呈現(xiàn)出獨(dú)特的集中趨勢(shì)。通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)計(jì)算空間窗內(nèi)光軸值的標(biāo)準(zhǔn)差，成功構(gòu)建起光軸標(biāo)準(zhǔn)差這一精準(zhǔn)評(píng)估參數(shù)，其結(jié)果令人矚目：正常腦組織的光軸標(biāo)準(zhǔn)差在范圍與均值上遠(yuǎn)超膠質(zhì)瘤組織，以量化數(shù)據(jù)有力證明兩者偏振信息存在本質(zhì)差異，為臨床鑒別診斷開(kāi)辟全新途徑。

鼠腦冠狀面的累積光軸信息分析。（a）腦正常區(qū)的累積光軸圖；（b）腦膠質(zhì)瘤區(qū)的累積光軸圖；（c）累積光軸直方圖；（d）腦正常區(qū)的光軸標(biāo)準(zhǔn)差圖；（e）腦膠質(zhì)瘤區(qū)的光軸標(biāo)準(zhǔn)差圖；（f）光軸標(biāo)準(zhǔn)差箱型圖

三、空間窗影響及優(yōu)化方向

空間窗對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差影響：

在深入探究空間窗大小對(duì)光軸標(biāo)準(zhǔn)差影響的進(jìn)程中發(fā)現(xiàn)，于腦正常區(qū)和膠質(zhì)瘤區(qū)，伴隨空間窗尺寸逐步增大，光軸標(biāo)準(zhǔn)差的均值與中位數(shù)呈上升態(tài)勢(shì)。然而，膠質(zhì)瘤區(qū)因其獨(dú)特的組織結(jié)構(gòu)特性，光軸變化范圍極為有限，噪聲分布均勻且雜亂無(wú)序，致使空間窗增大對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)差離散程度幾無(wú)影響，如同平靜湖面泛起微小漣漪，難以改變整體格局。

空間窗大小與光軸標(biāo)準(zhǔn)差的關(guān)系。（a）腦正常區(qū)的光軸標(biāo)準(zhǔn)差箱型圖；（b）腦膠質(zhì)瘤區(qū)的光軸標(biāo)準(zhǔn)差箱型圖

臨床應(yīng)用策略與優(yōu)化：

基于上述特性，在臨床實(shí)踐中針對(duì)不同腫瘤發(fā)展階段制定差異化成像策略意義深遠(yuǎn)。在腫瘤發(fā)生早期微小病變階段，宜選用較小空間窗進(jìn)行成像檢測(cè)，憑借其高靈敏度精準(zhǔn)捕捉細(xì)微病變信號(hào)；當(dāng)腫瘤大規(guī)模侵襲時(shí)，較大空間窗則成為理想選擇，有助于全面統(tǒng)計(jì)相關(guān)指標(biāo)，宏觀把握腫瘤整體態(tài)勢(shì)。

展望未來(lái)研究方向，為進(jìn)一步提升光軸標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算的準(zhǔn)確性與可靠性，擬引入復(fù)數(shù)運(yùn)算優(yōu)化算法，全力攻克數(shù)值跳變誤差難題，為腦膠質(zhì)瘤精準(zhǔn)診斷注入強(qiáng)大技術(shù)動(dòng)力。

研究結(jié)論

基于自行開(kāi)發(fā)的高分辨率PS-OCT系統(tǒng)對(duì)離體正常鼠腦和人源腦膠質(zhì)瘤的小鼠模型進(jìn)行了成像，結(jié)果表明，從正面圖像能觀察到鼠腦的大腦皮層、內(nèi)囊、海馬體及海馬傘等結(jié)構(gòu)信息，在由偏振參數(shù)計(jì)算出的累積相位延遲、累積光軸圖像中，大腦內(nèi)部?jī)?nèi)囊、神經(jīng)纖維束等雙折射組織的位置和取向清晰可見(jiàn)。

膠質(zhì)瘤鼠腦原本的對(duì)稱型結(jié)構(gòu)被破壞，邊緣的腦皮質(zhì)被侵蝕，內(nèi)部的纖維結(jié)構(gòu)也僅部分區(qū)域可見(jiàn)。利用光軸標(biāo)準(zhǔn)差參數(shù)可以直觀有效地區(qū)分正常與膠質(zhì)瘤鼠腦。在腦膠質(zhì)瘤識(shí)別臨床應(yīng)用前景廣闊，有望變革現(xiàn)有腦膠質(zhì)瘤診斷模式，提升診斷效率與精準(zhǔn)度。

研究證明了高分辨PS-OCT技術(shù)有望通過(guò)神經(jīng)纖維束等雙折射組織的變化來(lái)監(jiān)測(cè)膠質(zhì)瘤的浸潤(rùn)過(guò)程。雖取得階段性突破，但征程未竟。后續(xù)研究將從擴(kuò)充樣本數(shù)量與豐富度、拓展研究對(duì)象范疇、深化臨床應(yīng)用探索三大維度持續(xù)發(fā)力。

廣泛納入更多數(shù)量及不同發(fā)展階段的膠質(zhì)瘤組織樣本，全面覆蓋腫瘤演變?nèi)芷冢环€(wěn)步拓展至體內(nèi)動(dòng)物樣本及離體人體標(biāo)本研究，模擬真實(shí)生理病理環(huán)境；深度挖掘PS-OCT技術(shù)在腦膠質(zhì)瘤識(shí)別、切除邊界精準(zhǔn)界定、手術(shù)導(dǎo)航輔助等多場(chǎng)景應(yīng)用潛力，矢志不渝地推動(dòng)該技術(shù)在腦膠質(zhì)瘤綜合診療領(lǐng)域從前沿探索邁向臨床普及應(yīng)用，為腦膠質(zhì)瘤患者點(diǎn)亮生命新希望。

聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。文章來(lái)源于：王瑋珂, 胡慕蕓, 楊迪, 袁卓群, 賈曉花, 楊建凱, 梁艷梅. 基于偏振敏感光學(xué)相干層析術(shù)的腦膠質(zhì)瘤成像[J]. 中國(guó)激光, 2024, 51(9): 0907020.