太赫兹技术在脑胶质瘤检测中的应用

脑胶质瘤是最常见且死亡率最高的神经性脑胶质瘤,而且很难治疗[62]。肿瘤一般进行侵犯性生长,肿瘤与正常区域界限不清晰。即使是经验丰富的外科医生也不能仅使用白光显微镜将脑胶质瘤完全切除率提高到20%以上。目前用于脑胶质瘤区域识别的方法很多,用的最多且最有效的是核磁共振成像[63]和苏木精-伊红(HE)染色[64]。通常,肿瘤标记物可以用合适的染色方法在光学显微镜下观察到,这被称为金标准。HE染色能准确识别肿瘤区域,但需要将样品固定切片等,制作复杂,仅适用于体外病理分析。目前,基于术前磁共振成像(MRI)和正电子发射型计算机断层显像(PET)[65]的神经导航系统可以在体内识别胶质瘤。然而,由于发生脑转移,MRI在手术过程中往往无法追踪肿瘤边缘,且核磁共振的仪器庞大且耗资较大。与MRI相比,PET不仅分辨率较低(约2~3 mm),而且需要向体内注射正电子发射核素。荧光成像也被用于在手术中检测胶质瘤,但这种方法需要术前使用染料,如5-氨基酮戊酸(5-aminolevulinic acid,5-ALA)。这不仅增加了病人的负担,有时还会污染肿瘤周围的正常组织。太赫兹波成像技术,基于太赫兹波的低能特性、对水的高吸收特性和指纹等特性,已被作为医学成像的候选技术之一。太赫兹波成像技术已被广泛应用于牙科、皮肤科、神经学、肿瘤学等多个医学领域,特别是在肿瘤检测方面,已从身体表面的皮肤癌、乳腺癌和淋巴癌等,逐渐应用到脑肿瘤的太赫兹波检测。

目前对新鲜离体和石蜡包埋脑胶质瘤模型的太赫兹波谱及成像研究,表明水含量的差异和细胞密度是导致肿瘤区域和正常组织之间太赫兹波特性差异的主要原因。2014年,韩国延世大学的S.J.Oh等[66]首次采用太赫兹波成像,实现新鲜离体和石蜡包埋大鼠9L/lacZ脑胶质瘤区域识别。他们采用太赫兹时域光谱反射式成像系统,通过峰-峰值成像研究了频率在0.3~1.3 THz内的太赫兹波脑胶质瘤成像特性,如图7 13所示。实验结果表明,肿瘤区域的反射率高于白质和灰质,太赫兹波的高反射率区域为脑胶质瘤区域,低反射率区域为白质和灰质区域,分别如图7-13中的红色区域、绿色区域和蓝色区域所示。核磁成像中的白色区域为肿瘤区域,且与太赫兹图像中肿瘤区域的大小和位置一致。

图7-13　新鲜离体脑组织的白光、太赫兹和核磁成像图

通过对石蜡包埋样品的染色和太赫兹波成像,得到肿瘤区域的细胞密度高于正常组织且正常与肿瘤组织的细胞密度差异性可用于太赫兹成像识别肿瘤区域,如图7-14所示。石蜡包埋脑组织图中的肿瘤区域因细胞密度较正常区域增多而呈现深紫色,正常组织区域的染色图呈现红色。石蜡包埋脑组织样品的肿瘤区域为太赫兹波反射图中的高反射区域,而正常区域的反射率相对较低。

图7-14　石蜡包埋脑组织的苏木精-伊红染色和太赫兹成像图

与正常脑组织相比,神经胶质瘤区域,因有丝分裂活性增强,不仅细胞核异型性增加,而且细胞为了维持正常的生命体征,脑胶质瘤区域的水分也会增多[67]。细胞的核异型性和水分增加,又将影响脑组织的折射率和吸收系数。2014年,中国工程物理研究院流体物理研究所的K.Meng等[68]首次研究了石蜡包埋的小鼠GL261脑胶质瘤模型的太赫兹波光谱特性。他们采用透射式太赫兹时域光谱仪实现频率为0.2~2 THz内的石蜡包埋脑胶质瘤和正常组织的折射率和吸收系数测量,如图7-15所示。实验结果表明,去除水影响的脑组织中的肿瘤区域的折射率、吸收系数都高于正常组织。石蜡脑组织样品的胶质瘤区域和正常组织的折射率随频率的变化不大,其数值都在1.5左右。石蜡脑组织样品的胶质瘤区域和正常组织的吸收系数随频率的增大呈下降趋势,且因功率和信噪比影响,频率大于1.5 THz后,胶质瘤区域和正常组织的折射率交叠严重。

2016年,日本的S.Yamaguchi等[69]首次研究了新鲜离体大鼠C6脑胶质瘤模型的太赫兹波光谱特性。他们采用频率为0.8~1.5 THz的太赫兹时域光谱反射式成像系统,首先研究了脑组织的光谱特性,然后将脑组织的复折射率值通过主成分分析法重构出脑组织的太赫兹波图。脑组织的太赫兹波光谱结果显示,脑组织的肿瘤区域和正常区域在0.8~1.5 THz内有明显的差异,肿瘤区域的折射率和吸收系数都高于正常组织,如图7-16所示。脑组织的折射率随频率的增大呈下降趋势,而吸收系数随频率的增大呈上升趋势,且脑组织的太赫兹波谱图没有明显的特征峰出现。通过重构后的脑组织图,可清楚地识别胶质瘤区域且肿瘤区域的大小与位置和苏木精-伊红(HE)染色图的肿瘤区域与位置一致,如图7-17所示。

图7-15　石蜡包埋脑组织正常和肿瘤区域的(a)折射率和(b)吸收系数图

图7-16　新鲜离体脑组织的(a)折射率和(b)吸收系数图(www.xing528.com)

图7-17　新鲜离体脑组织的(a)主成分法重构图和(b)苏木精-伊红染色图

2016年,S.Yamaguchi等[70]又采用相同的成像装置系统,通过研究新鲜离体、石蜡和染色脑组织样品,定量、定性地分析了脑组织中肿瘤和正常组织太赫兹波反射率差异的原因。实验结果显示,因为肿瘤区域的含水量和细胞密度增长量不同,导致石蜡样品的肿瘤与正常组织的太赫兹波反射率差异大于新鲜脑组织。通过采用频率为0.8~1.5 THz的太赫兹时域光谱仪检测新鲜离体脑组织样品,得到肿瘤组织含水量比正常组织增加大约5%,如表7-1所示。通过将染色样品切成同样的厚度并进行细胞密度查数得到肿瘤组织区域的细胞密度比正常组织增加约15%以上,如表7 2所示。

表7-1　组织中水分的估计百分比

表7-2　组织中细胞密度的估计百分比

近年来,研究人员一直致力于太赫兹波脑胶质瘤区域识别的研究,促进了太赫兹成像在临床及实际中的应用。已有关于在体鼠脑胶质瘤和离体人脑胶质瘤的报道。2016年,韩国延世大学的Y.B.Ji等[71]首次尝试性地实现了离体人脑低级和高级的胶质瘤识别,并成功实现了体小鼠在体脑胶质瘤识别,如图7 18所示。实验结果表明,人脑胶质瘤的肿瘤区域和灰质与白质的反射率有明显差别,肿瘤区域的反射率高于灰质,且灰质区域的反射率高于白质。通过将在体小鼠进行核磁、荧光和太赫兹成像得到,在体小鼠的脑肿瘤区域可被太赫兹反射成像清楚地识别,且太赫兹波图像的肿瘤区域与荧光成像的位置和区域一致。为了进一步证明太赫兹波可识别在体脑组织的肿瘤区域,将同一个样品的新鲜离体脑组织进行再次的荧光和太赫兹波成像。结果表明,太赫兹波图像的肿瘤区域与荧光图像的肿瘤区域和大小一致。

图7-18　各类小鼠组织不同成像方式结果对比

2017年,N.V.Chernomyrdin等[72]首次初步研究了石蜡包埋体外人脑胶质瘤的光谱特性。此实验通过采用0.1~1.1 THz的太赫兹时域光谱仪反射式系统,研究了健康完整的脑组织、1例脑膜瘤和2例脑胶质瘤样品的太赫兹光谱特性共4种样本。4种样本的太赫兹波折射率和吸收系数如图7-19所示。实验结果表明,胶质瘤区域的折射率和吸收系数高于完整组织,4种样本的折射率随频率的增大而降低、吸收系数随频率的增大而增大,折射率和吸收系数在检测波段没有出现明显的特征峰。