外周神经识别的偏振成像:一种术中辅助手段

使用偏振成像技术辅助术中外周神经识别:一项前沿研究

外周神经对人体的感知和控制网络起着至关重要的作用,其完整和正常的功能对我们的生活质量至关重要。然而,外科手术中意外损伤外周神经的事件并不少见,这不仅可能导致功能障碍和疼痛,还会带来不良的手术预后。在某些解剖复杂的区域(如手部、腕部和颈部),外周神经与其他组织紧密分布,使得手术过程中神经与其他组织难以明确区分,从而增加了神经受伤的风险。目前,外科医生主要依靠术前成像技术(如MRI和超声)及自身的临床经验来避免术中损伤外周神经。然而,这些方法在识别小神经时具有局限性,同时术前成像也是静态的,难以支持实时的术中决策。因此,开发一种直观、非侵入、实时增强神经识别的方法,具有重要意义,能够显著改善手术效果并降低神经损伤的发生率。

为了解决这一问题,来自University of Rochester的研究团队,包括Haolin Liao、David J. Mitten和Wayne H. Knox,提出了一种创新性的术中外周神经识别方法。有关研究成果发表于2025年2月的《Biomedical Optics Express》期刊(Vol. 16, No. 2)。研究展示了一种基于旋转交叉偏振成像(Rotating Crossed Polarization Imaging, RXPI)系统的实时设备,该技术通过结合偏振光与先进的锁定放大数据处理分析,在术中实现神经自动识别。以下是对该研究工作的全面解读。


研究流程及实验设计

1. 研究背景与样本选择:鸡腿模型

研究团队最初选用新鲜鸡腿的坐骨神经(sciatic nerve)作为实验模型。鸡腿模型因其易于获取、经济性及操作简便性,广泛用于外科显微操作训练。研究者通过慎重的解剖过程,暴露鸡腿神经及其周围的动脉、静脉、肌肉和脂肪组织。这为后续的偏振成像验证提供了生物组织差异的理论基础。鸡腿坐骨神经表现为稍微透明的黄色束,与脂肪组织的肉眼颜色及其邻近分布特点相似,使其成为研究神经增强识别的理想对象。

2. 多波段交叉偏振成像(Multispectral XPI)

研究人员搭建了一个多波段交叉偏振成像系统(XPI),该系统使用线性偏振器(偏振灭光比为1000:1)组成交叉线性偏振配置。图像采集时的实验程序包括:

  • 建立交叉偏振配置:偏振状态发生器(PSG)和偏振状态分析仪(PSA)置于正交排列。
  • 光源:采用白光LED,同时配备线性变波段滤光片,以探索最优光谱波长。
  • 图像采集与分析:对比不同波长的图像,发现神经组织在545 nm至620 nm波长段具有较强的偏振信号依赖性。
  • 数据标准化:通过最小-最大归一化处理图像亮度,以确保不同波段光源带来的亮度差异对结果的影响最小化。

实验还通过差值计算图像(不同角度的XPI图像间的像素差值),进一步增强了神经和其他组织的对比度,为接下来的旋转交叉偏振成像奠定了基础。

3. 旋转交叉偏振成像系统(RXPI)

为了实现全角度的神经组织识别,研究团队设计了一种由驱动电机控制的旋转交叉偏振成像系统(RXPI)。该系统包括:

  • 关键部件:包含一对正交配置的偏振器,安置在由3D打印齿轮支撑的旋转平台上。
  • 旋转特性:电机以恒定160转/分钟的速度驱动系统旋转,同时通过相机以240帧/秒的频率记录视频,从而捕捉神经组织在不同角度下的偏振信号变化。
  • 数据采集:对5种不同类型组织的旋转信号强度进行测量,发现神经信号以显著的正弦周期波动形式表现,其周期性变化幅度高于静脉和动脉等其他双折射组织。

数据处理:锁定放大方法提高神经识别

锁定放大的工作原理

锁定放大(Lock-in Detection)是一种常用于从噪声中提取周期信号的技术。由于神经组织的偏振信号具有可预测的周期变化,研究团队借助锁定放大技术进一步增强了神经的信号检测效果。具体步骤如下:

  1. 参考信号生成:根据RXPI系统的旋转速度和摄像帧率,生成与神经信号频率一致的正弦参考信号。
  2. 信号混合与输出AC值计算:通过将参考信号与每个像素的强度信号混合并计算混合输出的DC(直流)偏移量,得到AC值(表明周期性信号变化强度)。
  3. 像素级处理:对每个像素进行锁定放大处理,绘制AC值图(AC Value Map),高值区域对应神经组织。

实验发现,神经组织的AC值显著高于其他组织,进一步证实了锁定放大的分类准确性。ROC曲线的结果显示,AC值分类器在鸡腿模型中具有93%的AUC(曲线下面积)。


主要结果与发现

  1. 神经增强对比:通过AC值图,神经组织在灰度图像中被显著增强,这一结果验证了RXPI系统对神经组织偏振特性的高灵敏度。
  2. 实时神经自动遮罩:研究团队设计了一个便携式原型设备,其总重仅525 g,可与智能手机结合实现实时数据采集与锁定放大处理。实时输出的AC值图在1秒刷新一次,为外科手术提供可靠的神经遮罩辅助。
  3. 尸体实验验证:在新鲜冷冻的人类尸体前臂模型中,RXPI系统同样成功增强了神经对比度,且表现最佳的光源波长为较短波长的460 nm。这表明该系统在不同生物组织间能具有广泛的适用性。

研究意义与展望

本研究展示了一种便携、低成本、自动化的术中外周神经成像方法,其科学价值和应用价值体现在以下几个方面:

  1. 科学意义:通过结合旋转交叉偏振成像和锁定放大技术,本研究深入挖掘了神经组织的偏振特性,为偏振光技术在生物医学领域的应用提供了新思路。
  2. 应用前景:该系统具备显著的便携性和实时性能,可广泛用于术中神经损伤的预防以及外科医生培训。同时,这一成果为进一步开发与智能设备(如智能眼镜或手术导航系统)的集成提供了可能性。
  3. 创新性与实用性:研究引入了自设计的RXPI系统,并结合创新的数据处理手段,成功实现自动化、实时的神经识别。

未来的研究方向包括在人类活体神经上的实验验证,进一步优化设备与软件,并结合深度学习算法,以实现更高效的组织识别和分类。此外,可开发直接投影系统,将增强的神经图像实时投影到手术区域,进一步提高外科医生的操作效率。


此项研究不仅推进了生物医学光学领域的技术发展,还在外科手术辅助工具的设计上开辟了新路径,极大地增加了临床应用的潜力。