在今年的BiOS上（美国西部光电展览会的生物医学光学和生物光子学展览），imec（世界领先的纳米电子和数字技术研究和创新中心）展示了一条在体内检测低级别胶质瘤（一类生长缓慢的脑肿瘤）的可行之路。这一突破是通过将imec的SNAPSCAN VNIR 150高光谱相机安装在的标准手术显微镜上实现的。在鲁汶大学医院（KU Leuven）神经外科进行了术中试点测试。具有里程碑意义的是，imec的研究人员发现这种紧凑型装置能够生成准确的临床数据，将其输入神经网络，可以将这些数据转换为可操作的知识。假以时日，这种方法可以帮助外科医生在术中无标记地检测出内在脑肿瘤的确切分界，这将成为一种全新的医疗保健方式。

低级别胶质瘤是一类多样化的（生长缓慢的）脑肿瘤，通常发生在年轻、身体健康的患者中。虽然低级别胶质瘤通常被认为是良性的，但研究表明，低级别胶质瘤会以每年四到五毫米的速度增大，并伴有恶变的风险。尽管即使在手术显微镜的帮助下，体内检测低级别胶质瘤并精确分界非常困难，但在肿瘤早期进行手术切除仍是一种备受青睐的治疗方案。

挖掘高光谱成像在体内检测低级别胶质瘤方面的潜力

“为外科医生提供合适的工具来体内检测这些肿瘤将取得重要突破。高光谱成像（HSI）技术显示出巨大的潜力。”imec现场应用工程师Roeland Vandebriel说。“使用HSI技术，脑组织被照亮，之后其反射光会在许多狭窄的光谱带中被捕获，从而形成健康细胞和异常细胞的不同光谱特征。”

笨重的硬件和集成挑战阻碍了HSI技术在医院手术室中的直接应用。然而，在今年BiOS大会上的两场演讲展示了一条充满希望的发展道路。

Roeland Vandebriel说：“这是我们通过在手术显微镜上安装imec的SNAPSCAN VNIR 150高光谱相机实现的突破。我们发现这种紧凑型设备能够生成准确的临床数据，然后将其输入深度学习神经网络，将数据转换为可操作的知识，使外科医生能够区分健康组织和异常组织。显然，这些学习成果是适应内源性脑肿瘤（如低级别胶质瘤）体内检测的重要第一步。”

兼具小巧外形和高精度

由于其外形小巧（10x7x6.5cm，重645g），以及与标准C型接口法人光学器件兼容，imec的SNAPSCAN VNIR可以轻松地安装在手术显微镜上。与以往研究中使用的笨重系统不同，该系统结构紧凑，可纳入医院严格的临床工作流程。

“Imec的贡献还集中在如何在（无菌）术中环境中获取准确和相关的临床数据。”imec项目负责人Siri Luthman评论道，“这让我们重新思考HSI现有的空间和光谱校准方法，并需要我们将imec的SNAPSCAN直接与手术显微镜的光学元件和光源连接起来。因此，我们生成了第一个可行性数据集，使我们能够评估HSI在内检测低级别胶质瘤体的潜力；这种方法对只需对系统和我们的数据预处理方法进行最小限度的调整。”

“照明是我们研究的其他参数之一。为了避免过大的噪声，我们调整了SNAPSCAN相机的光谱范围，使其与显微镜的内部光源相匹配。我们还研究了系统的积分时间模式，以便在饱和度和噪声之间找到适当的平衡。最后，我们确定了显微镜的理想变焦级别和工作距离，以优化视野。”她补充道。

鲁汶大学医院神经外科医生Steven De Vleeschouwer教授说：“在切除脑部的低级别胶质瘤时，神经外科医生通常会根据解剖学知识、功能边界、触觉和细微的组织变化进行操作。然而，后者通常会在肿瘤外围消失，这些神经胶质瘤在正常大脑中具有高度侵袭性。即使借助高端手术显微镜，用肉眼检测这些肿瘤边界也是不可能的。因此，我们多年来一直在与imec公司进行概念验证研究，以超越当前最先进的技术。利用集成到手术显微镜中的imec VNIR SNAPSCAN相机，我们正在开发一种实时、术中、无标记和宽视野的评估工具，以便在不干扰正常手术流程的情况下区分受侵袭的大脑和正常大脑。我毫不怀疑，这种开创性的努力将在不久的将来成为新的金标准。

下一步：转向用于实时肿瘤分类的视频速率高光谱成像技术

“今天的研究结果表明，在连接高端手术显微镜对低级别胶质瘤进行体内分类时，哪些高光谱带至关重要。虽然在术中使用我们的装置还为时尚早，但迄今为止，比利时鲁汶大学医院已经使用六名患者的临床数据集对该方法进行了验证。展望未来，我们的目标是通过整合我们的SNAPSHOT技术来推进该项目，该技术可进行视频速率高光谱成像。这将使我们能够在手术实践中探索低级别胶质瘤的实时检测。”Roeland Vandebriel总结道。

这项研究是与卡尔蔡司医疗技术股份公司（Carl Zeiss Meditec AG）合作进行的。研究结果将在SPIE BiOS 2023上发表在以下论文中：

· 在现有术中环境中整合高光谱成像以检测内源性脑肿瘤，R. Vandebriel （imec）

· 利用深度学习优化的高光谱成像进行术中脑肿瘤检测，X. Zhang（Carl Zeiss Meditec AG）

BMEN202310140001
来源：比利时微电子研究中心官网
标题：Imec hyperspectral camera paves the way for in-vivo detection of low-grade gliomas