脑癌患者的生存时间有限，不可避免地会复发并随后死亡，手术是一线治疗方法。高级别脑癌患者的中位生存期约为14个月，但个体生存期存在差异。越来越多的证据表明，切除程度是与肿瘤延迟复发和延长生存期相关的最重要的危险因素脑癌切除可以延长生存期和延缓复发。然而，术中区分癌组织和非癌组织是具有挑战性的，特别是在过渡和浸润区。这在大脑语言区和运动区尤为重要。本研究测试了无标记、定量光学相干断层扫描(OCT)在人类脑组织中区分癌与非癌的可行性。从32例II至IV级脑癌患者和5例非癌性脑病理患者中获得新鲜的离体人脑组织。根据体积OCT成像数据，病理证实的脑肿瘤组织(无论是高级别还是低级别)在癌核心和浸润区的光学衰减值均明显低于非癌白质区，OCT对脑癌患者在5.5 mm 1的衰减阈值下具有较高的敏感性和特异性。作者还使用这个衰减阈值来确认术中使用携带人类脑癌的小鼠模型进行oct引导的活体手术的可行性。OCT系统能够以每秒110到215帧的速率实时处理和显示彩色编码的光学属性图，或者对于8到16毫米的组织体积，1.2到2.4秒，从而为癌症和非癌症区域提供直接的视觉线索。本研究证明了OCT在鉴别癌组织和非癌组织方面的翻译和应用潜力。与目前的临床标准相比，术中使用它可以促进安全、广泛地切除浸润性脑癌，从而改善预后。

临床肿瘤区与非肿瘤区(白质)离体OCT成像

使用扫描源OCT (SS-OCT)系统和微型手持成像探头，在给定体积上扫描从37例患者手术切除的新鲜人脑组织，生成深度相关的OCT信号剖面和组织衰减值。为了准确评估衰减特性，我们开发了一种方法来消除光束轮廓的深度依赖效应的影响，其中来自脑组织样本的OCT信号与来自具有已知衰减系数的氧化硅模体的OCT信号进行归一化。在高速设置下[220,000次扫描/秒，每2D帧1024-2048次扫描，或每秒110至215帧2D帧(fps)]，我们的OCT系统需要1.2至2.4次扫描，处理和显示8至16毫米3组织块(电影S1)的OCT图像和组织衰减结果。虽然默认的OCT视场设置为8至16 mm3，但我们可以使用机器人定位设备扩展视场。根据OCT结果和相应的成像组织组织学，建立了一个衰减阈值，用于识别高级别(IV级)和低级别(II级)的人类脑癌，具有较高的检测灵敏度和特异性。最后，为了方便术中使用该技术，OCT图像以直观的3D和彩色编码光学属性图显示，以反映组织衰减特性。

临床肿瘤样本和正常脑组织具有不同的光衰减差异

对训练数据集中的新鲜离体人脑组织(9个高级别、2个低级别和5个非癌症)进行表征，以确定癌症和非癌症白质之间的光衰减差异。为了确保光衰减值的准确性，首先由shenjingbing理学家(F.J.R.)通过组织病理学分析确认所有癌症组织与非癌症组织的诊断。与周围非癌白质相比，癌核心和浸润区癌组织的衰减值都较低(图2,A和C)。对于高级别肿瘤，非癌组织的平均光学衰减值(6.2mm−1)显著高于浸润区(3.5 mm−1)和癌核心(3.9 mm−1);对于低级别，非癌区平均光学衰减值(6.2 mm−1)显著高于浸润区(2.7mm−1)，但不显著高于癌核心(4.0 mm−1)(表1)。然而，浸润区低级别与高级别的衰减差异无统计学意义(2.7±1.0 vs 3.5±0.8;P = 0.45)和癌核(4.0±1.4比3.9±1.6;P = 0.94)。

与OCT衰减图相关的肿瘤核心和浸润区及组织学的敏感性和特异性

从训练数据集中，发现阈值衰减值(定义为具有至少80%特异性灵敏度)为5.5 mm−1。使用这个阈值，我们确定了检测高级别和低级别脑癌的roc(图3A)。例如，脑癌样本的衰减结果与相应的组织学显示(图3B)。值得注意的是，衰减图代表了沿整个成像深度(1.8 mm)的3D组织块的光学特性，而相应的组织学图像则代表了该组织块在特定深度的2D切片。在组织病理学验证过程中，病理学家(F.J.R.)回顾了不同深度的多个切片，得出以下结论:切片显示癌密度高的区域(衰减图中红色区域)，癌密度中等的区域(衰减图中黄色区域)，以及癌密度低的区域，即以白质为主的弥漫性浸润区和一些肿瘤细胞成分(衰减图中绿色区域)。

OCT扫描可以帮助区分患者的脑癌组织和非癌组织

使用统一的数据集(训练和验证)来评估低级别和高级别癌症不同亚组之间的光学衰减差异。发现无论采用何种治疗方法，脑癌与非肿瘤白质相比具有明显较低的衰减，并且新诊断的脑癌和复发的脑癌之间的衰减没有显着差异。癌核与浸润区有相当的衰减(高级别P = 0.51，低级别P = 0.80, Welch st检验)。最后，与高级别和低级别癌核相比，非癌灰质的衰减明显较低，但与高级别或低级别浸润区相比则没有明显的衰减。除了光学衰减分析外，OCT成像还能够识别显微结构，这可以补充鉴别癌与非癌白质的衰减数据。虽然作者的研究主要集中在高级别(IV级)和低级别(II级)脑癌的衰减结果，但由于III级的鉴别传统上困难且经常存在争议，也研究了3例III级脑癌患者的衰减结果。非癌与III级脑癌组织的光学衰减值分布存在中度至显著的重叠(癌核心和浸润区分别有24%和77%的重叠)。组织学证实浸润区显示弥漫性癌浸润，主要由非癌性白质和一些肿瘤细胞成分组成。总体而言，III级脑癌的癌组织和非癌组织之间存在更大的重叠(与II级相比)，这可能归因于III级的样本量有限。

小鼠脑肿瘤模型体内OCT检测

为了测试OCT在术中检测肿瘤和非肿瘤的能力，作者研究了5只移植了两种不同级别人类脑癌的小鼠。小鼠被植入U87细胞系或患者来源的细胞系GBM272(图S4)。术中获取并显示切除腔上的OCT衰减图，可以在0.004 mm 3的尺度上分辨癌与非癌。OCT衰减图帮助使用者在手术前后识别癌症与非癌症(白质)区域，甚至对于使用患者来源的GBM272细胞系表现出更多浸润性脑癌特征的小鼠。成像后，切除小鼠大脑，由shenjingbingli学家(F.J.R.)检查相应的组织学切片，以验证OCT结果。这些组织学切片按照与OCT横截面图像相同的方向切片[即垂直于组织表面或垂直于OCT衰减图，沿图5 (B和C)中的虚线切片]。在术后和对照图像中，在组织学图像中可以看到残余的癌症(约占图像面积的5%至10%)。

总之，OCT在脑癌切除中具有巨大的转化潜力。除了脑癌，这种模式也可用于区分其他脑实质内脑癌(包括转移性脑癌)的癌变组织和非癌变组织。这项研究为未来的临床试验和技术改进奠定了基础，最终将导致一种能够快速有效地检测脑癌的技术，增加切除的范围，从而提高患者的生存率。