Cпектроскопия спонтанного комбинационного рассеяния для ex vivo диагностики внутричерепных опухолей

Neurosurgery of intracranial tumors, especially of glial origin, is a non-trivial task due to their infiltrative growth. In recent years, optical methods of intraoperative navigation have been actively used in neurosurgery. However, one of the most widely used approaches based on the selective accumulation of fluorescent contrast medium (5-ALA-induced protoporphyrin IX) by the tumor cannot be applied to a significant number of tumors due to its low accumulation. On the contrary, Raman spectroscopy, which allows analyzing the molecular composition of tissues while preserving all the advantages of the method of fluorescence spectroscopy, does not require the use of an exogenous dye and may become a method of choice when composing a system for intraoperative navigation or optical biopsy. This work presents the first results of using the principal component method to classify Raman spectra of human glioblastoma with intermediate processing of spectra to minimize possible errors from the fluorescence of both endogenous fluorophores and photosensitizers used in fluorescence navigation. As a result, differences were found in the principal component space, corresponding to tissue samples with microcystic components, extensive areas of necrosis, and foci of fresh hemorrhages. It is shown that this approach can serve as the basis for constructing a system for automatic intraoperative tissue classification based on the analysis of Raman spectra.Cпектроскопия спонтанного комбинационного рассеяния для ex vivo диагностики внутричерепных опухолей  Нейрохирургия внутричерепных опухолей, особенно глиального происхождения, представляет нетривиальную задачу в силу их инфильтративного роста. В последние годы в нейрохирургии активно используются оптические методы интраоперационной навигации, однако один из наиболее широко распространенных подходов, основанный на селективном накоплении опухолью флуоресцентного контрастного вещества (5-АЛК индуцированного протопорфирина IX), не может быть применен для значимой части опухолей вследствие его низкого накопления. Напротив, спектроскопия комбинационного рассеяния, позволяющая проводить анализ молекулярного состава тканей с сохранением всех достоинств метода флуоресцентной спектроскопии, не требует при этом введения экзогенного красителя и может быть вариантом выбора при построении системы интраоперационной навигации или оптической биопсии. В настоящей работе представлены первые результаты использования метода главных компонент для классификации спектров комбинационного рассеяния глиобластомы человека с промежуточной обработкой спектров для минимизации возможных ошибок от флуоресценции как эндогенных флуорофоров, так и фотосенсибилизаторов, используемых при флуоресцентной навигации. В результате были обнаружены различия в пространстве главных компонент, соответствующие образцам тканей с микрокистозными компонентами, обширными участками некрозов, фокусами свежих кровоизлияний. Показано, что данный подход может послужить основой для построения системы автоматической интраоперационной классификации тканей на основе анализа спектров комбинационного рассеяния

BOLD ФМРТ КАРТИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНО ЗНАЧИМЫХ ЗОН КОРЫ У ПАЦИЕНТОВ С ОПУХОЛЯМИ ГОЛОВНОГО МОЗГА С ПРИМЕНЕНИЕМ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

Introduction. Preoperative fMRI often shows a reduced BOLD response in the areas located perifocal to brain tumors caused by pathological vasoreactivity as a result of neurovascular uncoupling.The aim of this study was an accurate identification of the eloquent cortical areas near brain tumors by measuring vasoreactivity using the breath holding test.Material and methods. 23 patients with brain tumors located near eloquent cortical areas underwent fMRI mapping of the language and / or motor cortical areas depending on the location of the tumor. Breath hold test was  also included, the design of which coincided with motor and language block paradigms.Results. A statistical dependency between motor, speech tasks and breath-hold BOLD-response was included into the BOLD analysis using coherence. fMRI activation maps generated by this method showed activation in the eloquent areas adjacent to brain tumors which were not detected by the standard analysis. This study shows that neurovascular uncoupling affects the accuracy of BOLD fMRI in brain tumors.Conclusion. The results of fMRI mapping can be partially improved by the incorporating vasoreactivity measurements into a standard analysis.Введение. Предоперационные BOLD фМРТ часто показывают понижение BOLD-ответа, вызванное патологической вазореактивностью вследствие нейроваскулярного разобщения в перифокальных опухолям зонах головного мозга.Цель исследования: разработать алгоритм получения карт BOLD-активации, учитывающий измененную гемодинамику у пациентов с внутримозговыми и внемозговыми опухолями, при сопоставлении карт BOLD-ответа на моторные и речевые задания с/без включения задачи задержки дыхания.Материалы и методы. В исследование включено 23 пациента с опухолями головного мозга, расположенными вблизи функционально значимых зон коры. Всем пациентам осуществлялось фМРТ-картирование речевых и/или двигательных зон коры головного мозга в зависимости от локализации опухоли, а также проводился тест с задержкой дыхания, дизайн которого совпадал с моторными и речевыми блоковыми парадигмами.Результаты. Полученная зависимость между моторными или речевыми заданиями и ответом на задержку дыхания была включена в постобработку данных фМРТ с использованием когерентного анализа. Карты, построенные этим методом, показали клинически значимые области активации, прилегающие к опухолям головного мозга, не выявлявшиеся с помощью стандартного метода анализа.Заключение. Результаты фМРТ-картирования можно частично улучшить включением данных измерения вазореактивности в стандартный анализ

Differentiation of healthy and malignant brain tissues using terahertz pulsed spectroscopy and optical coherence tomography

Intraoperative diagnosis of brain tumors remains a challenging problem of modern neurosurgery. A complete resection of tumor is the most important factor, determining an efficiency of its treatment, while an incomplete resection, caused by inaccurate detection of tumor margins, increases a probability of the tumor recurrence. The existing methods of the intraoperative neurodiagnosis of tumors are plagued with limited sensitivity and specificity; they remain laborious, time-consuming and/or rather expensive. Therefore, the development of novel methods for the intraoperative diagnosis of gliomas relying on modern instruments of medical imaging is a topical problem of medicine, physics, and engineering. In our research, we studied the ability of dual-modality imaging that combines such methods as optical coherence tomography (OCT) and terahertz (THz) pulsed spectroscopy, for intraoperative diagnosis of brain tumors with a strong emphasize on a human brain gliomas. We performed experimental studies of the frequency-dependent THz dielectric properties and OCT imaging of healthy (intact) and pathological brain tissues ex vivo in order to analyze the prospect for differentiation between tissue classes. The observed results highlight a potential of the considered instruments in the label-free intraoperative neurodiagnostics

Spontaneous Raman spectroscopy for intracranial tumors diagnostics ex vivo

Neurosurgery of intracranial tumors, especially of glial origin, is a non-trivial task due to their infiltrative growth. In recent years, optical methods of intraoperative navigation have been actively used in neurosurgery. However, one of the most widely used approaches based on the selective accumulation of fluorescent contrast medium (5-ALA-induced protoporphyrin IX) by the tumor cannot be applied to a significant number of tumors due to its low accumulation. On the contrary, Raman spectroscopy, which allows analyzing the molecular composition of tissues while preserving all the advantages of the method of fluorescence spectroscopy, does not require the use of an exogenous dye and may become a method of choice when composing a system for intraoperative navigation or optical biopsy. This work presents the first results of using the principal component method to classify Raman spectra of human glioblastoma with intermediate processing of spectra to minimize possible errors from the fluorescence of both endogenous fluorophores and photosensitizers used in fluorescence navigation. As a result, differences were found in the principal component space, corresponding to tissue samples with microcystic components, extensive areas of necrosis, and foci of fresh hemorrhages. It is shown that this approach can serve as the basis for constructing a system for automatic intraoperative tissue classification based on the analysis of Raman spectra