Введение. Оценка морфологического состояния перитуморального белого вещества и возможности дифференцировки поврежденных участков от опухоли и нормальных проводящих путей является важной научной и практической задачей. Она может значительно улучшить качество проводимых резекций опухолей головного мозга двумя способами: с одной стороны, предотвратить случайное повреждение здорового белого вещества и, с другой стороны, избежать сохранения поврежденных нежизнеспособных участков, обильно инфильтрированных опухолевыми клетками. Оптическая когерентная томография (ОКТ) является многообещающим инструментом для визуализации ткани головного мозга, и в настоящем исследовании мы впервые показываем способность кросс-поляризационной (КП) ОКТ обнаруживать белое вещество с поврежденными миелинизированными волокнами и отделять его от здоровых проводящих путей и опухолевой ткани.

Материалы и методы. В исследование было включено 215 образцов ткани головного мозга, полученных от пациентов с различными опухолями головного мозга. Оценка полученных массивов данных ОКТ проводилась в три этапа: 1) визуальный анализ В-сканов на основе оценки трех основных параметров (интенсивность сигнала, скорость затухания сигнала, равномерность затухания); 2) количественная оценка на основе оценки коэффициентов затухания в ко- (Att(co)) и кросс-поляризациях (Att(co)) 3) построение цветокодированных en-face карт распределения значений оптических коэффициентов с последующим визуальным анализом. Для каждого исследуемого типа ткани (нормальное белое вещество/поврежденное белое вещество/опухоль) были определены характерные особенности структурных КП ОКТ-изображений и цветных карт, а затем классификационные тесты, содержащие набор из 100 КП ОКТ-изображений и два набора из 100 оптических карт в ко- и кросс-поляризациях, были предложены 8 респондентам для прохождения после предварительного обучения. Для определения диагностической способности визуальной оценки данных ОКТ различать типы изучаемых тканей рассчитывали F-показатель, позволяющий оценить точность теста при мультиклассовой классификации.

Результаты. На основании оценки трех основных параметров В-сканов можно выявить участки белого вещества с поврежденными миелинизированными волокнами и дифференцировать их от нормального белого вещества и опухолевой ткани. Использование коэффициентов затухания в ко- и кросс-поляризациях также позволяет различать все исследуемые типы мозговой ткани. Показано, что деструкция миелиновых волокон в исследуемой зоне вызывает статистически значимое снижение значений коэффициентов затухания по сравнению с нормальным белым веществом; при этом значения остаются статистически более высокими, чем у опухоли. Тем не менее, оценки одного числового значения, полученного из массива данных 3D ОКТ, может быть недостаточно, так как оно не отражает структурной неоднородности исследуемой области. В связи с этим более перспективным выглядит использование цветокодированных оптических карт, сочетающих, с одной стороны, объективность коэффициентов затухания, а с другой - наглядность визуальной оценки, что приводит к повышению диагностической точности метода, по сравнению с визуальным анализом структурных ОКТ-изображений.

Выводы. Повреждение миелинизированных волокон приводит к снижению рассеивающих свойств белого вещества, что отражается на характере регистрируемого КП ОКТ-сигнала, что можно выявить с помощью качественных и количественных подходов к анализу данных. Визуальная оценка В-сканов и оптических en-face карт позволяет дифференцировать участки поврежденного белого вещества, нормального белого вещества и опухоли друг от друга, а использование цветных карт демонстрирует более высокую диагностическую точность по сравнению со структурными изображениями (F-показатель = 0,84 и 0,79 соответственно). Дополнительное использование числовых значений оптических коэффициентов демонстрирует достоверные различия между различными типами тканей с высокой точностью (p<0,0001). Таким образом, результаты исследования подтверждают перспективность использования ОКТ в качестве инструмента поиска края резекции в хирургии опухолей головного мозга.

Introduction. Assessment of peritumoral white matter morphological state and the ability to differentiate damaged areas from tumor and normal pathways is an important scientific and practical task. It may significantly improve the quality of brain tumors resections by two ways: preventing the accidental damage of healthy white matter and avoiding the preservation of damaged non-viable areas, abundantly infiltrated with tumor cells. Optical coherence tomography (OCT) is a promising tool for brain tissue visualization and in the present study, we for the first time show the ability of cross-polarization (CP) OCT to detect white matter with damaged myelinated fibers and delineate it from healthy pathways and tumors.

Materials and methods. 215 samples of brain tissue obtained from patients with different brain tumors were included in the study. Evaluation of obtained OCT data arrays was performed in three steps: 1) visual analysis of B-scans based on the assessment of three main parameters (signal intensity, signal attenuation rate, uniformity of attenuation); 2) quantitative assessment based on attenuation coefficients estimation in co- (Att(co)) and cross-polarizations (Att(cross); 3) building of en-face color-coded maps representing the distribution of optical coefficients values with subsequent visual analysis. For each studied tissue type (normal white matter / damaged white matter / tumor), we determined the defining characteristics of structural CP OCT images and color-coded maps, and then classification tests containing the set of 100 CP OCT images and two sets of 100 color-coded maps in co- and cross-polarizations were given to 8 blinded respondents after training. To determine the diagnostic ability of visual assessment of OCT data to distinguish between studied tissue types we calculated the F-score as it allows measuring a test's accuracy in case of multiclass classification.

Results. Based on the assessment of three main parameters of B-scans, it is possible to detect white matter areas with damaged myelinated fibers and differentiate them from normal white matter and tumor tissue. Usage of attenuation coefficients in co- and cross-polarizations also allow distinguishing all studied brain tissue types. It was demonstrated, that alteration of myelinated fibers in the study area causes statistically significant decrease in the values of attenuation coefficients compared to normal white matter; at the same time, the values remain statistically higher than those of a tumor. Nevertheless, the assessment of a single numerical value obtained from an 3D OCT data array may not be sufficient, as it does not represent the structural heterogeneity of studied area. In this regard, the use of color-coded optical maps looks more promising combining, on the one hand, the objectivity of attenuation coefficients and, on the other hand, visibility of the visual assessment that leads to increase of the diagnostic accuracy of the method compared to visual analysis of structural OCT images.

Conclusions. Damage to myelinated fibers leads to the decrease in the scattering properties of the white matter, reflected in the nature of received CP OCT signal that can be detected using qualitative and quantitative approaches. Visual assessment of B-scans and en-face color-coded maps allows differentiating areas of damaged white matter, normal white matter, and a tumor from each other, while usage of color-coded maps demonstrate the higher diagnostic accuracy compared to structural images (F-score = 0.84 and 0.79, respectively). Additional usage of optical coefficients numerical values demonstrate the significant differences between different tissue types with high accuracy (p<0.0001). Thus, the results of the study confirm the promise of using OCT as a tool for searching the resections margin in brain tumors surgery.