Ramanspektroskopi inom neurokirurgi – hjälp vid beslutsfattande av tumörgränser och tumörgrad

Introduktion

I norra Europa rapporteras årligen cirka 50 000 fall av maligna hjärntumörer. En karakteristisk egenskap av maligna hjärntumörer är att de sprider sig diffust in i frisk hjärnvävnad. Randzonen mellan frisk och malign vävnad och låggradiga tumörer är svåra till nästan omöjliga att ses under operation med de sedvanliga instrumenten. En total resektion av tumören och de diffusa spridningsområdena är avgörande för överlevnad. Om hela tumören avlägsnas ökar chansen att överleva första året med närmare 50 procent.

Fluorescensmikroskopi har, med goda resultat, använts under operation för att detektera tumörmassan av höggradiga hjärntumörer, men att detektera spridningsområdet eller låggradiga tumörer med samma metod går inte. Ramanspektroskopi har visat goda resultat för att kunna detektera diffunderande cancerceller samt låggradiga hjärntumörer i biopsiprov och första mätningar under operation har genomförts. Metoden används i dagsläget inte i kliniken då lämplig mjukvara för direkt klassificering av resultaten under operation saknas.

Genom ett tvärvetenskapligt samarbete mellan fysiker, medicintekniker, kirurger och neuropatologer i projektet Med-X Länk till annan webbplats. som finansieras av den Svenska Föreningen för Strategisk Forskning (SSF) har vi den unika möjligheten att introducera Ramanspektroskopi i operationssalen. Målen med projektet är att utveckla ett system som kan användas direkt av kirurger, att koppla Ramandata från olika biopsiprover till neuropatologin, samt att utveckla mjukvara och ett datautvinning-, och kalibreringsprotokoll för direkt klassificering av hjärntumörer och diffusa spridningsområden.

Målet med detta projekt är att:

• utvärdera metoderna genom färska vävnadsprover som tas rutinmässigt vid kirurgisk resektion av hjärntumörer,
• öka grundläggande kunskap och förståelse för Raman-data från hjärntumörer kopplade till neuropatologi och att utveckla ett kalibreringsverktyg för tillförlitlig direkt analys av hjärnvävnad för framtida in vivo mätningar,
• utveckla datautvinningsmetoder och en programvara för direkt hjärnvävnadsklassificering,
• undersöka kombinationen av Ramanutrustningen med de kliniskt beprövade optiska mät-, och navigeringsteknikerna, såsom fluorescens, laserdopplerflödesmetri (LDF) och iMRI, se Fig 1.

Målet är ett värdefullt nytt verktyg för neurokirurger som kompletterar deras verktygslåda för radikalt avlägsnande av låggradiga hjärntumörer utan att störa det nuvarande arbetsflödet. Vår vision är att utveckla verktyg som drastiskt minskar återfall av hjärncancer.

Preliminära resultat

Patienter som gav positivt svar för att delta i studien gav skriftlig lov. Raman spektroskopiska undersökningar utfördes i ett rum bredvid operationssal vid Linköpings Universitetssjukhus. Mätningar på färska vävnadsprover utfördes med ett egenbyggd Ramanmikroskop och en Ramanspektrometer utrustad ett pennliknande, steriliserbart probhuvud som ansätts vid vävnaden för att utföra mätningar. Fig. 2 visar de två uppställningarna och ett Ramanspektrum som behandlades med ett neuralt nätverk och resultatet av de viktigaste Ramantopparna visas färgkodade med tillhörande tilldelning.

Framtida arbete

Just nu utvecklar vi ett nytt neuralt nätverk som tillåter oss att simultant analysera Ramanspektra tagna med olika Ramanuppställningar. Vi arbetar även med ett Ramanspektralt bibliotek som tillåter oss att screena Ramandata mot olika proteiner, lipider eller nukleinsyror.

Finansiering

Vetenskapsrådet VR

Svenska Föreningen för Strategisk Forskning SSF

Referenser

1. Wahl J, Klint E, Hallbeck M, Hillman J, Wårdell K, Ramser K. Impact of preprocessing methods on the Raman spectra of brain tissue. Biomedical Optics Express [Internet]. 2022;13(12):6763–77. Available from: https://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:ltu:diva-95007 Länk till annan webbplats.

2. Wahl J, Klint E, Hallbeck M, Hillman J, Wårdell K, Ramser K. Raman spectroscopic analysis of fresh tissue samples from brain tumors. In: European Conferences on Biomedical Optics 2021 [Internet]. Optics Info Base, Optical Society of America; 2021. Available from: https://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:ltu:diva-94973 Länk till annan webbplats.

3. Wahl J, Klint E, Hallbeck M, Hillman J, Wårdell K, Ramser K. Raman spectroscopic analysis of fresh tissue samples from brain tumors. In: Diffuse Optical Spectroscopy and Imaging VIII [Internet]. SPIE - International Society for Optical Engineering; 2021. Available from: https://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:ltu:diva-87552 Länk till annan webbplats.

4. Wahl J, Sjödahl M, Ramser K. Single-Step Preprocessing of Raman Spectra Using Convolutional Neural Networks. Applied Spectroscopy [Internet]. 2020;74(4):427–38. Available from: https://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:ltu:diva-77138 Länk till annan webbplats.