新研究
脊髓作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)運動、感覺與自主反應(yīng)功能。脊髓腫瘤的發(fā)生可能導(dǎo)致嚴(yán)重神經(jīng)損傷，顯著影響患者的生存質(zhì)量。
手術(shù)是脊髓腫瘤的主要治療手段，但由于脊髓空間狹小、功能密集，如何在保護正常組織的同時精準(zhǔn)切除腫瘤，始終是神經(jīng)外科領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。現(xiàn)有術(shù)中影像技術(shù)（如MRI、CT、超聲）雖在一定程度上輔助了手術(shù)，但在分辨率、實時性和功能成像能力方面仍存在明顯局限。
針對這一重大需求，北京清華長庚醫(yī)院神經(jīng)中心主任王貴懷教授團隊聯(lián)合清華大學(xué)物理系薛平課題組，成功研發(fā)了術(shù)中快速自適應(yīng)焦點追蹤機器人光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)（FACT-ROCT），如圖1所示。該系統(tǒng)融合了光學(xué)相干層析（OCT）、機器人智能控制與自適應(yīng)聚焦技術(shù)，首次實現(xiàn)了人體脊髓腫瘤術(shù)中高分辨率實時成像。FACT-ROCT不僅能夠準(zhǔn)確識別神經(jīng)根、束和灰質(zhì)等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，還可實現(xiàn)術(shù)中原位微血管成像，為腫瘤分級判斷及減少術(shù)中出血提供了重要支持。
圖 1. FACT-ROCT系統(tǒng)在脊髓腫瘤術(shù)中的成像示意圖及應(yīng)用。A) FACT-ROCT系統(tǒng)示意圖，插圖顯示MRI掃描中的脊髓腫瘤及感興趣區(qū)域。B) 術(shù)中使用FACT-ROCT系統(tǒng)的照片。C) FACT-ROCT系統(tǒng)的大規(guī)模自動掃描機制示意圖。RC: 反射準(zhǔn)直器; ETL: 電調(diào)焦鏡頭。D) 快速橫截面掃描及運動校正過程示意圖。E)脊髓腫瘤的OCTA圖像，顏色表示不同深度。F) 快速自適應(yīng)聚焦追蹤方法示意圖。G) FACT-ROCT在適應(yīng)彎曲及傾斜表面和軸向移動方面的能力示意圖。
OCT通過光學(xué)相干原理，可以實現(xiàn)高分辨率三維快速層析成像，目前已廣泛應(yīng)用于眼科、心血管等領(lǐng)域。近年來，OCT在神經(jīng)腫瘤手術(shù)中的應(yīng)用逐漸成為研究熱點，但截至目前尚未見OCT在脊髓腫瘤手術(shù)中的研究報道。術(shù)中OCT成像需要更廣泛的成像范圍以覆蓋整個腫瘤區(qū)域。此外，為實現(xiàn)多功能的體內(nèi)OCT成像，成像系統(tǒng)必須高度穩(wěn)定，并克服由心跳等活體組織運動引起的偽影。
因此，合作團隊提出一種基于OCT圖像深度信息的閉路反饋自適應(yīng)變焦系統(tǒng)，通過前一個位置自適應(yīng)驅(qū)動下一個位置的快速變焦，焦點追蹤速度達10ms量級，很好地解決了術(shù)中人體心跳抖動的問題。此外，基于目標(biāo)驅(qū)動的機械臂自動掃描、交叉運動補償?shù)燃夹g(shù)，該系統(tǒng)可以穩(wěn)定實現(xiàn)高速大范圍的OCT結(jié)構(gòu)和微血管成像。在進行大量動物膠質(zhì)瘤實驗后，其可行性和安全性得到驗證。同時由于其非接觸、快速成像的優(yōu)勢，順利得以推進臨床實驗，截止目前已經(jīng)歷了近兩年多的臨床探索。
研究團隊使用FACT-ROCT對22例脊髓腫瘤患者進行了術(shù)中成像，首次展示了OCT在脊髓腫瘤手術(shù)中的應(yīng)用潛力。結(jié)果表明，利用光學(xué)衰減系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差作為實時物理生物標(biāo)志物，該系統(tǒng)能夠以90.2%的準(zhǔn)確率實時區(qū)分不同級別的脊髓膠質(zhì)瘤，并在短時間內(nèi)提供詳細的血管成像，揭示了不同級別脊髓膠質(zhì)瘤在微血管結(jié)構(gòu)存在的巨大差異，如圖2所示。
這項研究不僅提升了脊髓腫瘤手術(shù)的安全性，也為該領(lǐng)域的臨床應(yīng)用開辟了新的方向。FACT-ROCT作為一種無接觸、無標(biāo)記、高分辨率、實時成像技術(shù)，有望成為神經(jīng)外科術(shù)中導(dǎo)航的重要組成部分，在臨床精準(zhǔn)治療和術(shù)后功能恢復(fù)評估中發(fā)揮越來越重要的作用。
圖2. FACT-ROCT脊髓腫瘤不同分級及正常組織的血管成像結(jié)果。A)正常小腦半球OCTA圖像顯示顯著的引流靜脈和較小血管分布。B)正常胸段脊髓OCTA圖像展示沿長軸排列的有序血管網(wǎng)絡(luò)。C、D)WHO I級與II級脊髓膠質(zhì)瘤OCTA圖像顯示血管分布較規(guī)則、密度中等。E、F)WHO III級脊髓膠質(zhì)瘤OCTA圖像顯示血管密度增高、異質(zhì)性增強，提示血管新生活躍。G)WHO IV級脊髓膠質(zhì)瘤OCTA圖像顯示高度致密且異質(zhì)性顯著的血管網(wǎng)絡(luò)，伴隨廣泛微血管增生及不規(guī)則血管分布。H)低級別膠質(zhì)瘤（I、II級）放大圖揭示血管排列規(guī)則、密度中等、異質(zhì)性較低。I)高級別膠質(zhì)瘤（III、IV級）放大圖顯示血管致密、不規(guī)則且異質(zhì)性顯著。J–L)量化分析顯示高低級別膠質(zhì)瘤在血管曲度、軌跡變異性及節(jié)點密度上存在顯著差異。
光學(xué)成像與機器人智能技術(shù)的深度結(jié)合，使得FACT-ROCT不僅在脊髓腫瘤手術(shù)中展現(xiàn)出巨大潛力，還可推廣到腦腫瘤、脊髓血管病變等其他高精度神經(jīng)外科手術(shù)中。未來，結(jié)合熒光分子成像、光聲成像等多模態(tài)技術(shù)，F(xiàn)ACT-ROCT有望進一步拓展功能，提升術(shù)中分子與功能成像能力，推動精準(zhǔn)醫(yī)療的發(fā)展。
圖3. 本領(lǐng)域權(quán)威網(wǎng)站OCT news 將本研究成果作為Featured Articles 進行報道
相關(guān)成果以Intraoperative Fast Adaptive Focus Tracking Robotic OCT Enables Real-Time Tumor Grading and Large-Area Microvascular Imaging in Human Spinal Cord Surgery（《術(shù)中快速自適應(yīng)聚焦跟蹤機器人光學(xué)相干斷層掃描在人類脊髓手術(shù)中實現(xiàn)實時腫瘤分級和大面積微血管成像》）為題，發(fā)表于Advanced Science（《前沿·科學(xué)》）上。北京清華長庚醫(yī)院神經(jīng)中心王貴懷主任與清華大學(xué)物理系薛平教授為該論文的共同通訊作者。清華大學(xué)物理系2024屆博士何濱（現(xiàn)新加坡國立大學(xué)博士后）、清華大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院與物理系聯(lián)合培養(yǎng)博士生應(yīng)雨哲和物理系在讀博士生石葉炅為該工作的共同第一作者。該工作發(fā)表后，迅速被本領(lǐng)域權(quán)威網(wǎng)站OCT news (https://octnews.org/) 作為Featured Articles 進行報道。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃專項、國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金和清華大學(xué)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)基金的資助。
文章鏈接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202503566
來源 | 清華大學(xué)物理系
責(zé)任編輯 美編排版 | 宣傳中心
審核 | 韓冬野
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