导语

在神经肿瘤手术中，如何精准区分肿瘤与健康脑组织、同时保护白质纤维束，是神经外科医生面临的核心挑战。偏振成像作为一种无标记、实时的光学技术，近年来在脑组织成像中展现出巨大潜力。然而，手术过程中常见的脑水肿是否会影响偏振成像效果？温度变化又是否构成干扰？来自瑞士伯尔尼大学附属医院 Omar Rodríguez-Núñez教授研究团队发现：水肿显著改变偏振参数，而温度影响极小，为术中偏振成像的临床应用提供了关键参考。

Éléa Gros, Ardit Sakiri, Stefano Moriconi, Arnas Jankauskas, David Hasler, Théotim Lucas, Richard McKinley, Theoni Maragkou, Tatiana Novikova, Philippe Schucht, and Omar Rodríguez-Núñez.Brain tissue polarimetry under simulated intraoperative conditions: Effects of edema and temperature.J. Innov. Opt. Health Sci., Online Ready.

https://doi.org/10.1142/S1793545826500045

正文

研究背景

脑胶质瘤手术中，肿瘤边界模糊是导致切除不彻底或神经损伤的主要原因。宽场成像Mueller偏振术（IMP）可基于白质纤维束的双折射特性，实现对纤维走向的可视化。然而，术中环境复杂，生理变化如脑水肿和温度波动可能成为干扰因素。本研究系统评估了这两者对偏振参数的影响。

实验方法

研究采用新鲜牛脑离体样本，模拟术中环境，设置三大实验方案：

●水肿模拟：将脑片浸入蒸馏水，测量T0（基线）至T5（90分钟）的偏振参数变化。

●温度影响：分别在冷藏温度（6-7°C）、室温（22°C）和体温（37°C）下成像。

●可逆性验证：浸泡后让样本自然风干210分钟，观测参数恢复情况。

主要分析参数包括：去偏振系数（Δ）、线性延迟（R）、光轴方位角（φ） 及其局部变异性。

主要结果

水肿显著改变偏振参数

●线性延迟下降约25%（白质），灰质下降约15%，导致灰白质对比度减弱（图2c、图3a-b）。

●去偏振在白质中稳定，在灰质中增加约8%（图3c-d）。

●光轴方位角局部变异性增加200%，纤维追踪几乎失效（图3e-f、图2d-e）。

●图像模糊，血液痕迹消失，组织边界不清。

图2：模拟水肿对脑组织偏振参数的渐进影响。（a）灰度强度图像；（b）去偏振图；（c）线性延迟图；（d）光轴方位角图；（e）方位角局部变异性图。样本为牛脑冠状切片，依次为基线（T0）和浸水后五个时间点（T1-T5）。可见随着水肿加重，灰白质边界逐渐模糊，线性延迟显著下降，方位角局部变异性急剧上升，纤维走向信息在T1后基本丢失。

温度影响极小

●三种温度下，灰白质对比度保持稳定，纤维结构清晰（图4）。

●仅体温下白质线性延迟略有上升（约15%），去偏振几乎无变化。

●光轴方位角差异在5-10°之间，不影响纤维追踪。

图4：不同温度下脑组织偏振成像对比。（a）灰度强度图像；（b）去偏振图；（c）线性延迟图；（d）光轴方位角图；（e）方位角局部变异性图。分别在冷藏温度（FT, 6-7°C）、室温（RT, 22°CC）和体温（BT, 37°C）下成像。灰白质对比度保持稳定，纤维走向清晰可辨，说明温度变化对偏振参数影响极小。

水肿效应可部分恢复

●浸泡后质量增加约12%，风干后逐步恢复。

●线性延迟、方位角局部变异性在风干210分钟后回归接近基线。

●纤维结构重新显现（图6d-e）。

图6：风干过程中偏振参数的逐步恢复。（a）灰度强度图像；（b）去偏振图；（c）线性延迟图；（d）光轴方位角图；（e）方位角局部变异性图。依次为室温基线（RT）、浸水1小时后（IM）、以及风干过程中四个代表性时间点（T1-T4）。可见浸水后纤维结构消失，风干后逐步恢复，至T4时已接近基线水平，说明水肿引起的偏振变化具有可逆性。

主要创新点

●首次系统评估水肿对脑组织偏振成像的影响，揭示了水肿是术中偏振成像的关键混淆因素。

●验证了温度（6-37°C）对偏振参数无显著影响，为离体与在体研究之间的数据迁移提供了依据。

●发现了水肿效应的可逆性，并通过质量变化与偏振恢复的对应关系验证了水含量对偏振信号的调控作用。

●提出“水肿感知”信号处理策略的必要性，为未来术中实时偏振导航系统提供了设计方向。

应用前景

●术中肿瘤边界识别：在脑水肿存在下，偏振成像需要校正策略，否则可能误导纤维束追踪。

●术中导航系统优化：结合机器学习与多波长成像，可开发抗水肿干扰的成像算法。

●基础研究：为脑水肿对光学信号的影响机制提供了实验模型与数据支持。

结语

本研究明确指出：脑水肿是术中偏振成像的“隐形干扰源”，而温度变化几乎不构成影响。未来，开发水肿感知的图像处理算法与多参数融合策略，将是推动偏振成像真正进入神经外科手术室的关键一步。

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