研究进展：偏振敏感光学相干层析术的脑胶质瘤成像

脑胶质瘤是一种极具侵袭性的原发性恶性脑肿瘤。其侵袭性生长致使肿瘤边界与正常脑组织界限模糊，手术难以完全切除，复发率高，患者中位生存期短（如高级别胶质母细胞瘤患者中位生存期约14个月，5年生存率仅5.5%），在切除肿瘤同时保护脑神经功能完整性也极具挑战，故术中精准定位检测肿瘤极为关键。

PS-OCT作为OCT功能拓展，通过检测光偏振态变化获取偏振特性，为复杂各向异性组织检测增添对比度，在提升组织检测特异性与定量分析精准度方面潜力巨大。此前已有研究利用其对神经纤维束成像及评估脑胶质瘤细胞迁移动力学，为本研究奠定基础。

南开大学现代光学研究所王玮珂团队发表综述文章，使用自行开发的高分辨PS-OCT系统对离体鼠脑和人源脑胶质的小鼠模型进行成像，并通过比对PS-OCT图像、荧光图像和病理学切片，研究了鼠脑中正常和肿组织的振特性：基于鼠脑各组织的偏振特性，研究了光轴标准差对正常和肿瘤组织的区分效果。结果表明,高分辨PSOCT技术具有区分脑胶质瘤和脑正常组织的临床应用潜力，光轴标准差可以更直观有效地区分脑肿和脑组织。

一、PS-OCT系统构建

精心自行搭建的谱域PS-OCT系统，其核心宽谱光源采用中心波长840nm、3dB带宽约100nm的超发光二极管（SLD），经优化设计，在空气中达成4μm的横向分辨率以及3.4μm的纵向分辨率。该系统运行原理精妙复杂，宽谱光源发射的低相干光束率先穿过线偏振片POL后转变为沿竖直方向的线偏光，接着经非偏振敏感的分束器BS精准分割为振幅均等的参考光与样品光。

参考光依次穿越快轴方向与竖直方向夹角为22.5°的1/4波片QWP1和色散补偿器DC抵达参考镜，反射后偏振方向巧妙转变为45°；样品光则先经过快轴方向与竖直方向夹角为45°的1/4波片QWP2转换为圆偏振光，再经扫描振镜和物镜精准聚焦于样品之上，反射后的背向散射光原路折返至分束器。于检测臂内，参考光以45°偏振方向进入，样品光携带丰富的样品偏振信息以任意偏振态进入，二者发生干涉，随后干涉光由偏振分束器PBS精确分离为两种正交偏振态，并分别由两个高灵敏度光谱仪完成检测与记录流程，确保获取全面准确的光学信息。

PS-SD-OCT系统示意图

二、实验样本准备

鉴于小鼠基因组与人类基因组高度同源（超过80%的基因具有直系同源物关系），本研究明智地选用小鼠构建脑胶质瘤模型。通过向小鼠脑内精准注射U87-GFP人胶质瘤细胞，历经5周精心培育后，对小鼠实施安乐死并妥善固定，从而获取实验样本。针对样本，依次开展绿色荧光蛋白（GFP）荧光成像、PS-OCT成像以及组织切片处理等一系列严谨操作。其中，PS-OCT成像系统构建的三维视野精确设定为6mm×3mm×2.3mm，此视野内的三维图像由1000帧B扫描图像有序组合而成，每帧B扫描图像以2000 pixel×2000 pixel（x-z方向）的高分辨率清晰呈现，为后续从三维图像中精确截取x-y方向图像、获取样品横截面精准 “正面” 图像奠定坚实基础。

一、正常鼠脑成像

结构特征清晰：

PS-OCT成像技术在呈现正常鼠脑冠状面结构时表现卓越，能够清晰可辨地展示出不同方向的纤维束及其精确走向。在皮层区域，呈现出显著的保偏特性，双折射现象无迹可寻；内囊结构作为皮层与内部脑区的关键连接部分，双折射特性明显，致使相位延迟产生显著变化，为精准识别提供关键线索；海马体结构则保持保偏特质，相位延迟值较低，这些特性在强度、相位延迟以及光轴图像中协同呈现，相互印证，为深入了解鼠脑微观结构提供多维度视角。

正常鼠脑冠状面的典型PS-OCT图像。（a）边缘区域正面图像；（b）边缘区域B扫描图像；（c）中央区域正面图像；（d）中央区域B扫描图像。从左至右分别为强度图、累积相位延迟图和累积光轴图

成像多维度呈现：

通过对鼠脑冠状面的边缘与中央区域进行全方位扫描成像，巧妙结合正面图像与B扫描图像，多维度、多层次地完整呈现脑区微观结构及光学特性差异。这种成像策略如同搭建起一座信息桥梁，将不同区域、不同深度的结构信息紧密相连，为深入剖析正常鼠脑内部结构提供丰富、立体、精准的影像资料，使研究者得以从微观层面深入探究各区域结构与功能的紧密联系。

正常鼠脑冠状面的PS-OCT正面图像。（a）鼠脑照片；（b）鼠脑HE染色切片；（c）强度图；（d）累积相位延迟图；（e）累积光轴图

二、胶质瘤鼠脑成像

肿瘤区域特性：

在对胶质瘤鼠脑成像研究中，以荧光成像精准定位肿瘤区域为对照基石，深入探究OCT图像特性。结果清晰显示，肿瘤组织区域内双折射变化微乎其微，偏振图像色彩趋于均匀一致。究其根源，在于癌细胞的肆意浸润致使纤维结构遭受严重破坏，在光轴图像中线性结构难觅踪影，与正常组织形成鲜明对比，为肿瘤组织的精准识别提供关键诊断依据。

两个脑区都存在肿瘤浸润情况下胶质瘤鼠脑冠状面的OCT正面图像

肿瘤浸润一半脑区的情况下胶质瘤鼠脑冠状面的OCT正面图像

光轴信息区分有效：

光轴直方图作为揭示组织结构差异的有力工具，清晰呈现出正常脑组织与胶质瘤组织截然不同的分布特征。正常脑组织的光轴在-π/2rad至π/2rad区间均匀分布，宛如均匀排列的精密阵列；而胶质瘤区域的光轴则高度聚集于0rad附近，呈现出独特的集中趋势。通过严谨计算空间窗内光轴值的标准差，成功构建起光轴标准差这一精准评估参数，其结果令人瞩目：正常脑组织的光轴标准差在范围与均值上远超胶质瘤组织，以量化数据有力证明两者偏振信息存在本质差异，为临床鉴别诊断开辟全新途径。

鼠脑冠状面的累积光轴信息分析。（a）脑正常区的累积光轴图；（b）脑胶质瘤区的累积光轴图；（c）累积光轴直方图；（d）脑正常区的光轴标准差图；（e）脑胶质瘤区的光轴标准差图；（f）光轴标准差箱型图

三、空间窗影响及优化方向

空间窗对标准差影响：

在深入探究空间窗大小对光轴标准差影响的进程中发现，于脑正常区和胶质瘤区，伴随空间窗尺寸逐步增大，光轴标准差的均值与中位数呈上升态势。然而，胶质瘤区因其独特的组织结构特性，光轴变化范围极为有限，噪声分布均匀且杂乱无序，致使空间窗增大对其标准差离散程度几无影响，如同平静湖面泛起微小涟漪，难以改变整体格局。

空间窗大小与光轴标准差的关系。（a）脑正常区的光轴标准差箱型图；（b）脑胶质瘤区的光轴标准差箱型图

临床应用策略与优化：

基于上述特性，在临床实践中针对不同肿瘤发展阶段制定差异化成像策略意义深远。在肿瘤发生早期微小病变阶段，宜选用较小空间窗进行成像检测，凭借其高灵敏度精准捕捉细微病变信号；当肿瘤大规模侵袭时，较大空间窗则成为理想选择，有助于全面统计相关指标，宏观把握肿瘤整体态势。

展望未来研究方向，为进一步提升光轴标准差计算的准确性与可靠性，拟引入复数运算优化算法，全力攻克数值跳变误差难题，为脑胶质瘤精准诊断注入强大技术动力。

基于自行开发的高分辨率PS-OCT系统对离体正常鼠脑和人源脑胶质瘤的小鼠模型进行了成像，结果表明，从正面图像能观察到鼠脑的大脑皮层、内囊、海马体及海马伞等结构信息，在由偏振参数计算出的累积相位延迟、累积光轴图像中，大脑内部内囊、神经纤维束等双折射组织的位置和取向清晰可见。

胶质瘤鼠脑原本的对称型结构被破坏，边缘的脑皮质被侵蚀，内部的纤维结构也仅部分区域可见。利用光轴标准差参数可以直观有效地区分正常与胶质瘤鼠脑。在脑胶质瘤识别临床应用前景广阔，有望变革现有脑胶质瘤诊断模式，提升诊断效率与精准度。

研究证明了高分辨PS-OCT技术有望通过神经纤维束等双折射组织的变化来监测胶质瘤的浸润过程。虽取得阶段性突破，但征程未竟。后续研究将从扩充样本数量与丰富度、拓展研究对象范畴、深化临床应用探索三大维度持续发力。

广泛纳入更多数量及不同发展阶段的胶质瘤组织样本，全面覆盖肿瘤演变全周期；稳步拓展至体内动物样本及离体人体标本研究，模拟真实生理病理环境；深度挖掘PS-OCT技术在脑胶质瘤识别、切除边界精准界定、手术导航辅助等多场景应用潜力，矢志不渝地推动该技术在脑胶质瘤综合诊疗领域从前沿探索迈向临床普及应用，为全球脑胶质瘤患者点亮生命新希望。

声明：本文仅用作学术目的。文章来源于：王玮珂, 胡慕芸, 杨迪, 袁卓群, 贾晓花, 杨建凯, 梁艳梅. 基于偏振敏感光学相干层析术的脑胶质瘤成像[J]. 中国激光, 2024, 51(9): 0907020.