INC國際兒童腦瘤大咖、世界神經外科聯(lián)合會(WFNS)執(zhí)行委員會&顧問委員會成員之一的James T. Rutka教授發(fā)表研究《In situ tissue pathology from spatially encoded mass spectrometry classi?ers visualized in real time through augmented reality》(通過增強現(xiàn)實技術實現(xiàn)實時可視化的原位組織病理學分析)，以下是研究簡述。

　　01. 摘要

　　基于皮秒紅外激光技術(PIRL-MS)的手持式質譜解吸探針與光學手術跟蹤系統(tǒng)的集成，展示了通過點采樣質譜數(shù)據(jù)進行的原位組織病理學分析。空間編碼的病理分類結果以顏色編碼像素的形式顯示在激光采樣的位置，并通過增強現(xiàn)實視頻流實時呈現(xiàn)于手術視野中。這一功能通過定制接口實現(xiàn)了手術導航平臺與質譜數(shù)據(jù)分析平臺之間的雙向通信。該系統(tǒng)性能通過小鼠癌癥模型(模擬人類癌癥)進行了評估，在存在體液的情況下，技術像素誤差為1.0±0.2毫米，表明在不同分子模型中，乳腺、腦、頭頸癌小鼠模型的細胞系分類準確率，分別為84%或92%(排除一個異常值)。此外，通過針對DNA損傷、細胞死亡和神經元活性的終點免疫組化染色驗證，空間編碼的PIRL-MS采樣能夠從活體小鼠腦組織中獲取可分類的質譜數(shù)據(jù)，其神經元損傷程度與手術刀引起的損傷相當。這突出了空間編碼PIRL-MS分析在神經外科手術中的潛在應用價值，例如用于癌癥類型確定或在腫瘤床檢查中進行活體組織定點采樣以評估癌癥切除情況。本文開發(fā)的用于分析和顯示空間編碼PIRL-MS數(shù)據(jù)的接口，可以適應目前可用的其他手持式質譜分析探針。

　　02. 材料與方法

　　GTxEyes和AMX的空間編碼質譜整合。

　　PIRL探針與光學導航系統(tǒng)(NDI Polaris)和定制的3D可視化軟件(GTxEyes)相結合，用于空間編碼質譜分析。光學導航系統(tǒng)使用兩個紅外(IR)攝像機跟蹤由四個被動紅外反射球組成的IR傳感器，該傳感器附著在激光探針上。此外，還將一個四球IR傳感器附著在Logitech C920 USB攝像頭上，以空間關聯(lián)跟蹤探針位置與攝像機的位置關系。光學導航系統(tǒng)和定制軟件此前已有描述，包括在錐形束計算機斷層掃描(CBCT)引導的骨切開術、改善放射治療中淺表病變勾畫的定量內窺鏡，以及CBCT與頭頸部手術內窺鏡的結合中的應用。GTxEyes定制軟件實現(xiàn)了跟蹤器械與成像模式(如CT、MR和光學成像)及參數(shù)信息(結合手術或放射治療計劃數(shù)據(jù))的共同配準和實時可視化。該軟件還對跟蹤和校準的光學攝像機進行偏移校正，附著的IR球與攝像機的光學中心配準。

　　在本研究中，將上述光學導航系統(tǒng)的跟蹤攝像機和Logitech C920攝像機放置在生物安全柜中，使Logitech C920能夠看到激光探針，且激光探針和Logitech C920的IR傳感器均在跟蹤攝像機的可視范圍內。通過光學導航系統(tǒng)跟蹤的預校準指針確定激光探針尖端相對于附著IR傳感器的位置，該指針通過“拾取”其燒灼點追蹤到探針尖端以外的消融點，并通過虛擬指針模型模擬在激光束尖端遠離組織表面處的消融過程。運行GTxEyes軟件的筆記本電腦通過以太網連接連接到光學導航系統(tǒng)、Logitech C920攝像機和質譜數(shù)據(jù)采集與處理計算機。GTxEyes軟件同時收集激光探針和Logitech C920攝像機的跟蹤測量數(shù)據(jù)，進行反投影以確定相應的像素位置，并根據(jù)質譜分析計算機輸出的分類結果對像素進行顏色編碼。質譜圖通過Waters AMX識別軟件中的主成分分析線性判別分析(PCA-LDA)與預訓練模型進行處理。

　　定制的GTxEyes軟件集成了OpenIGTLink客戶端，以輪詢和流式傳輸AMX識別軟件內置OpenIGTLink服務器的分類結果。每個分類幀包含一個組織分類ID和時間戳。然后在GTxEyes軟件中創(chuàng)建顏色查找表，以匹配AMX識別中每個分類的標簽顏色。顏色查找表將接收到的組織分類ID映射到RGB元組。對于跟蹤的激光探針位置，通過Logitech C920攝像機的內在和外在參數(shù)(分別通過攝像機校準和光學導航系統(tǒng)確定)進行反投影，以確定像素坐標中的探針尖端位置。GTxEyes實時計算激光探針和Logitech C920攝像機每個IR傳感器測量的像素位置。在從AMX識別接收分類輸出幀后，GTxEyes軟件根據(jù)查找表中的RGB值對Logitech C920視頻幀的相應像素進行著色。

　　動物模型異種移植物的生成、PIRL-MS分析以及顱骨切開術和組織學分析的更多詳細信息在ESI中提供。

　　03. 結論與討論

　　圖1.增強現(xiàn)實顯示采樣點組織病理的空間編碼質譜結果。本圖展示了(A)在采樣點原位顯示組織病理所需的空間編碼質譜的組件，以及這些組件之間的相互作用。組織采樣通過氣溶膠化方法進行以產生質譜。然后將質譜數(shù)據(jù)與預先存在的多變量病理模型(或庫)進行比較，并進行分類。在我們展示的應用中，采樣是使用PIRL-MS進行的，多變量分析是使用AMX的PCA-LDA完成的。病理分類實時可用，并與從跟蹤數(shù)據(jù)導入到實驗室構建的“集成器”程序GTxEyes中的采樣探針的位置信息(坐標)相結合。通過定制的鏈接將分類器從AMX傳輸?shù)紾TxEyes，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)導入。然后，利用軟件中之前集成的采樣視野攝像機饋送，GTxEyes軟件可以實現(xiàn)實時顯示彩色編碼的病理信息。

　　(B)圖A中系統(tǒng)組件的示意圖及其相互作用。在適當?shù)牡胤剑覀円勋@得重用圖形的許可。NDI Polaris跟蹤攝像機監(jiān)測探針位置以及提供采樣事件實時視頻饋送的Logitech跟蹤攝像機的位置。質譜信號經過處理，并使用AMX進行多變量分析。所有組件向GTxEyes平臺提供數(shù)據(jù)，該平臺反過來將質譜分析的分子信息與定位數(shù)據(jù)整合，以增強現(xiàn)實的方式顯示空間編碼質譜分類器。在此，小鼠異種移植物的原位采樣使得質譜的組織類型分類能夠以假彩色顯示在增強現(xiàn)實屏幕上。使用部分先前發(fā)布的圖形文件，概念性地展示了空間編碼質譜的輸出顯示(經皇家化學學會和美國癌癥研究協(xié)會許可)。圖形文件經過修改后在此處重現(xiàn)，說明了使用PIRL-MS和異種移植物組織的輸出顯示。

　　圖2.空間編碼PIRL-MS采樣用于原位病理學確定，并實時顯示結果。通過增強現(xiàn)實顯示了基于質譜讀數(shù)(PIRL-MS)的PCA-LDA建模的假彩色組織病理分類器，每個分類(即病理評估)在采樣點(激光尖端)處以假彩色編碼，并在攝像機饋送的采樣視野中顯示。該圖提供了癌癥邊界評估應用(使用體外組織)和原位病理學(使用攜帶腫瘤的小鼠)的示例結果。

　　(A)通過將小鼠異種移植物髓母細胞瘤腫瘤塊放置在正常小鼠腦組織旁邊，創(chuàng)建了一個人工組織邊界，用于評估空間編碼PIRL-MS結果。PIRL-MS探針以連續(xù)的速度掃描并跨越組織邊界(綠色軌跡)，每5秒對平均數(shù)據(jù)進行分類，使用先前數(shù)據(jù)建立的包含健康小鼠腦和Med8A癌癥的兩組分PCA-LDA模型。該分類顯示在5秒采樣周期結束時的空間編碼位置，并在跨越邊界時從健康組織變?yōu)榘┌Y。實時視頻顯示了連續(xù)掃描和增強現(xiàn)實顯示的分類結果，已作為ESI提供。

　　(B)使用攜帶腫瘤的小鼠驗證原位病理學應用(總結在表1中)。在這里，髓母細胞瘤的Med8A和DAOY亞組的細胞被皮下雙側注射，形成了小的1 mm³和3.3 mm³腫瘤，用圓圈標記以指導讀者找到它們的位置。這些亞組先前已被證明可以通過PIRL-MS進行分類，本研究中使用包含DAOY、Med8A和肌肉組織特征的三組分模型對它們進行空間編碼PIRL-MS分類。在采樣點(激光尖端)處得到了這些小腫瘤的預期假彩色空間編碼分類結果。類似的方法也被用來評估表1中總結的其他癌癥類型的表現(xiàn)，報告了良好的指標。

　　圖3.使用小鼠模型在實際使用場景下評估PIRL-MS對神經組織的損傷。通過顱骨切開術使激光探針和手術刀能夠接觸腦組織。在麻醉狀態(tài)下，使用PIRL-MS(n=8)采集質譜數(shù)據(jù)時進行表面“切口”，并使用手術刀(不采集質譜數(shù)據(jù))進行切口。

　　(A)使用先前結果中新鮮或冷凍體外組織的混合物對小鼠器官數(shù)據(jù)進行PCA-LDA建模，顯示在活體小鼠麻醉下獲取的體內數(shù)據(jù)點按預期分類為器官類型，表明血液或體液的存在并未妨礙分類。

　　(B)實驗設置：小鼠麻醉并固定在立體定位裝置中，進行局部顱骨切開術，并應用PIRL探針或手術刀創(chuàng)建表面切口。

　　(C)組織病理學工作流程示意圖。如實驗部分所述，使用數(shù)字病理學通過TUNEL(DNA損傷)、Caspase-3(細胞死亡)和NeuN(神經元活性)染色陽性細胞量化損傷程度。每個組織切片在終點時被分為4個象限，如“分割”面板所示，利用腦組織的生物對稱性，比較受損象限(激光探針或手術刀與腦組織接觸處)與對照象限(未與激光或手術探針接觸處)的探針損傷程度。對照象限的任何損傷均來自犧牲后從顱骨中提取腦組織的過程。如本面板所示，受損象限的探針損傷(箭頭標記)是表面性的，并與顱骨切開術本身造成的損傷疊加。因此，報告并比較的激光和手術刀之間的所有損傷值均報告為“探針+顱骨切開術”損傷。報告對照象限值以說明敏感性。然而，面板(A)中呈現(xiàn)的PIRL-MS分類光譜表明，在實驗條件下造成了一定程度的神經損傷。

　　圖4.小鼠模型中激光誘導的神經組織損傷的組織病理學分析表明，PIRL與手術刀相比具有非劣效性。如正文所述，通過數(shù)字病理學方法對19只小鼠的76張組織病理學切片(激光組n=9.手術刀組n=10)進行分析，評估了DNA損傷(TUNEL染色)、細胞死亡(Caspase 3染色)和神經元活性(NeuN染色)。分別在24小時(評估即時神經損傷)和兩周(評估長期損傷)兩個時間點進行測量。每個柱狀圖中的對照測量值指的是根據(jù)圖3C所示示意圖中對照象限的染色陽性細胞測量值。誤差條表示均值的標準誤差。即使在對照組和實驗組測量值未見顯著差異的情況下，組織病理學切片的目視檢查表明受損象限可能有部分物質缺失(見圖3C)?？紤]到“缺失”的物質可能包含一些受損細胞，這些細胞不會出現(xiàn)在分析中，從而引入偏差，我們確認小鼠在PIRL-MS采樣后存活。星號表示與對照組相比，每個隊列中統(tǒng)計學上顯著的測量值。除了Caspase 3染色外，其他情況下對照組和實驗組測量值之間觀察到統(tǒng)計學上顯著的差異。然而，激光和手術刀之間的損傷程度并無差異，表明PIRL具有非劣效性。這一觀察結果在三種染色中均成立。激光和手術刀(主要由于顱骨切開術本身的侵入性)引起的即時DNA損傷(TUNEL染色)在兩周內大多恢復(圖S4)。為了比較激光和手術刀的損傷，在24小時和兩周時對激光和手術刀損傷區(qū)域進行了雙樣本t檢驗(假設方差不等，α=0.05)。與兩周手術刀損傷組相比，兩周激光損傷組的TUNEL染色顯著減少(p=0.035)。在所有其他情況下，差異均不顯著。因此，我們的測試表明，PIRL-MS采樣在神經組織損傷方面與手術刀相比具有非劣效性。

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• 更新時間：2025-04-11 13:34:29

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