一种用于术中识别人类脑肿瘤的可穿戴荧光成像设备

神经病学 工程学 电气工程 医学 生物工程 医学影像 生命科学 神经外科
术中成像设备 恶性胶质瘤 脑肿瘤 荧光引导手术 可穿戴设备

恶性胶质瘤（Malignant Glioma, MG）是最常见的原发性恶性脑肿瘤类型。手术切除MG依然是治疗的基石，且切除范围与患者生存期高度相关。然而，在手术中很难区分肿瘤组织与正常组织，这极大地限制了手术切除的效果。荧光成像是一项新兴技术，可以在术中实时可视化MG及其边界。然而，现有的临床级荧光成像神经外科显微镜由于成本高、便携性差、操作灵活性有限以及缺乏熟练的专业技术人员，导致应用率较低。为了克服这些限制，研究人员创新性地将微型光源、可翻转滤光片和记录摄像机集成到手术放大镜中，生成了一种可穿戴的荧光眼镜设备，用于术中的荧光成像。

来源

本文由Mehrana Mohtasebi、Chong Huang、Mingjun Zhao、Siavash Mazdeyasna、Xuhui Liu、Samaneh Rabienia Haratbar、Faraneh Fathi、Jinghong Sun、Thomas Pittman和Guoqiang Yu等人撰写，作者分别隶属于肯塔基大学生物医学工程系（University of Kentucky, Department of Biomedical Engineering）、Bioptics Technology LLC和肯塔基大学神经外科系。本文的研究工作受到美国国立卫生研究院小型企业技术转让项目和肯塔基创新配套基金奖励计划的资助，相关研究伦理和实验程序已经得到肯塔基大学伦理委员会的批准。本文发表于2023年12月1日的IEEE Journal of Translational Engineering in Health and Medicine。

研究流程

本研究描述了两个可穿戴荧光设备（Floupe）的开发与测试：Floupe-1用于荧光素成像，Floupe-2用于5-氨基乙酰丙酸（5-ALA）成像。

Floupe-1的开发与测试

Floupe-1基于商用的眼镜放大镜设备（EyeZoom™ 5.0x，Orascoptic）和头灯支架（Halogen III, BFW）开发。研究人员在光纤头灯前安装了一个激发滤光片（MF475-35，Thorlabs），以生成用于荧光素激发的窄带光。然后，将一对发射滤光片（MF530-43，Thorlabs）安装在眼镜放大镜上，以实现荧光素的可视化。

研究人员首先测试了Floupe-1在模拟肿瘤的荧光体模中的表现。固体体模由3D打印机（Gigabot® 3.0）制作，内部包含不同大小的孔，用以测试成像灵敏度和空间分辨率。这些孔填充了不同浓度的荧光素（1至8 mg/kg）、调节散射系数的Intralipid溶液和调节吸收系数的印度墨水。

此外，Floupe-1在一名MG患者中进行了测试。患者在麻醉诱导时接受了5 mg/kg体重的静脉荧光素。在MG切除过程中，使用配备黄色560™滤光片的Pentero® 900显微镜进行MG的术中识别，然后用Floupe-1设备对识别出的MG进行成像。

Floupe-2的开发与测试

为了满足5-ALA成像的需求，研究人员与Surgitel合作开发了Floupe-2。标准的Surgitel产品包括由可充电锂电池供电的白色LED头灯和具有最大10倍放大的手术眼镜放大镜。为实现5-ALA成像，将白色LED更换为窄带高强度蓝光LED（405 ± 5 nm, SST-10-UV, Luminus Devices）。研究人员还设计并制造了一个180度可翻转的滤光片架，并将一个长通光学滤光片（>550 nm, #15-213, Edmund Optics）集成到摄像机前。

Floupe-2在10名MG患者中进行了测试，与配备蓝色400™模块的Pentero® 900显微镜进行了比较。患者在麻醉诱导前四小时接受了20 mg/kg体重的5-ALA（Gliolan, Medac）。

主要结果

在荧光体模测试中，使用配备黄色560™滤光片的Pentero® 900显微镜和Floupe-1对“肿瘤”的荧光成像结果相似，最小直径为2mm的孔和最低浓度为1mg/kg的荧光素均被识别。患者测试中，配备黄色560™滤光片的Pentero® 900显微镜和Floupe-1在差异性肿瘤上的荧光信号相似。

在MG患者中的测试显示，配备蓝色400™模块的Pentero® 900显微镜和Floupe-2的成像结果一致，荧光肿瘤组织在两种设备中的可视化效果相似。

结论与意义

荧光成像在手术中实现对癌症的实时检测，可显著提高患者的生存率。然而，大多数临床级的荧光成像系统由于成本高、便携性差和操作灵活性有限，导致其应用受到限制。与昂贵、庞大且固定的神经外科显微镜相比，可穿戴的Floupe设备具有成本低、便携性高、操作灵活性强的优点，显著提升了更多外科医生进行快速和彻底手术的能力，从而改善患者的安全性和预后。

Floupe设备的开发涉及工程设计、实验优化、体模测试和临床应用等多个环节，是将创新的可穿戴荧光成像技术转化为临床应用的重要步骤。研究结果表明，这些设备在MG的实时荧光成像中具有很高的潜力，可以作为现有大型固定显微镜的有效替代方案，并可能应用于其他手术领域。研究团队计划进一步优化这些设备，并在更多患者中进行验证，通过获得FDA批准，使其广泛应用于临床实践。

研究亮点

  1. 创新性：Floupe设备集成了微型光源、可翻转滤光片和记录摄像机，可实现术中的实时荧光成像。
  2. 成本效益高：与昂贵的固定显微镜相比，Floupe设备具有显著的成本优势。
  3. 操作灵活性强：可穿戴设备允许更大的活动范围，减少了操作阻碍，并加快了手术过程。
  4. 应用潜力大：设备不仅在脑肿瘤手术中展示了其效用，还具有在其他手术环境中应用的潜力。
  5. 可视化能力强：设备在体模和患者中的荧光成像表现与标准显微镜相媲美。