基于脑组织血流灌注和血氧代谢"差异太赫兹波谱分析"的脑功能区定位研究

A real time, rapid and accurate positioning of brain function is significant for operation design and protection of patient’s important nerves function. However, the current applicable brain function positioning methods, including Electrophysiology, Measurement of normal blood volume with dynamic CT perfusion imaging, PET, FMRI, are able to closely work with Operation microscopic imaging system to provide real time dynamic data of braining function area position during operation. The electromagnetic wave within Terahertz frequency (0.1-10.0THz), which is proved to have high sensitivity, high resolution and rich data on biological macromolecules, tumor, burn tissue and other biological materials, is able to make up for the inadequacy of the existing detecting means. This paper, through terahertz reflection imaging system, extraction and analysis of terahertz spectrum features difference between hemoglobin oxygen-in rate and the blood flow perfusion changes in both static and functioning states of brain function area, comparing with 7.0T nuclear magnetic resonance imaging and brain function area distinguished by Cortical electrophysiology, tries to define the terahertz reflectance spectrum features parameters within this frequency, and connects with the operation microscope imaging system to realize visual positioning of brain function area during operation, building a solid foundation for further researches and applications of terahertz technology in central nervous system and brain cognition.

提高神经外科手术效果和安全性的关键在于对脑功能区进行实时、快速、精确的定位。目前应用的解剖标志辨认、电生理、CT、PET、fMRI等脑功能区定位技术均不能在术中准确、快捷地分辨脑功能区与非功能区。太赫兹是频率在0.1-10.0THz的电磁波，与许多生物大分子的振动和转动能级处于相同波段，可以对物质结构、性质进行分析和鉴定。脑功能区活动时血液灌注增加，血氧代谢增强，含氧血红蛋白水平下降，而去氧血红蛋白水平升高。本项目拟通过对脑功能区静息与激活状态下血液灌注和血氧代谢的太赫兹波谱进行差异分析，明确其特征波谱信息，从而对脑功能区进行实时定位，并采用7.0T核磁共振功能成像及术中皮层刺激的方法，对太赫兹定位的功能区进行核对与评估，为发展可与手术显微镜对接进行术中脑功能区可视化定位的新技术奠定基础。

20 世纪 90 年代以来，一系列的电子学和光子学技术突破使得太赫兹(THz)技术从实 验研究逐渐发展到非破坏性检测、安全、医疗、通信等重要领域的实际应用。新技术的发展广泛 激发了研究太赫兹波与生物分子和组织间相互作用的兴趣。太赫兹波生物表征技术主要包括波谱检测和成像技术两大方面，而成像方法往往又依赖于成像对象的特征性太赫兹波谱信息，因此，被测物质的波谱特征成为太赫兹表征研究的重点。本研究主要开展了去氧血红蛋白和氧合血红蛋白的“差异太赫兹波谱”分析，脑组织不同血液流量的“差异太赫兹波谱”分析以及实验动物脑功能区进行术中太赫兹反射成像探索三个方面的研究。并根据研究发现，新增了血氧代谢过程关键分子太赫兹波谱的理论分析研究进行太赫兹波BOLD成像理论分析和必需的新型实验材料、装具和相应技术研究。研究发现：太赫兹时域光谱可识别脑血流灌注改变，以判断脑组织缺血程度为例，1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9THz频率处PVD值的减少程度与脑组织缺血严重程度正相关，脑组织缺血后THz光谱特征改变可能由于组织含水量和细胞密度变化所致；异常区域和正常皮层功能区太赫兹波吸收系数和折射率均存在差异，而且在0.3THz、0.55THz、0.76THz三处存在明显差异性吸收，此外，介电常数实部虚部均存在一定差异。可以初步确定，脑皮层功能区正常与异常区域之间存在太赫兹波敏感的差异性物质基础；对血红蛋白不同氧合状态进行了检测，并采用高性能计算机组辅助计算了脑功能区BOLD检测关键生物大分子血红蛋白（分子量接近70000）的分子光谱，进行了9种不同含氧比例下（0%、12.5%、25%、37.5%、50%、62.5%、75%、87.5%、100%）血红蛋白4聚体的光谱特征研究，发现了一系列可能具有应用价值的太赫兹波BOLD成像关键位点，为开展实验研究提供更为充分的理论支持。结合以上发现，通过活体实验研究方法探索，初步证明了太赫兹波脑功能检测的潜在价值和可实现性。总体而言，完成了研究任务，达到了预期研究目标，取得成果超过计划额度。对太赫兹波生物医学在国内的发展起到了促进作用，为进一步开展太赫兹波在脑科学中的应用基础研究及转化研究奠定了基础。