基于光學(xué)相干斷層成像的多模、多功能成像在評(píng)估易損斑塊中的作用

涂應(yīng)鋒 唐昊 于波

作者單位：150060 黑龍江哈爾濱，哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院心內(nèi)科 省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

目前，我國(guó)心血管疾病死亡占城鄉(xiāng)居民總死亡原因的首位，農(nóng)村為45.01%，城市為42.61%[1］。由于心血管疾病危險(xiǎn)因素流行趨勢(shì)明顯，今后10年我國(guó)心血管疾病患病及死亡人數(shù)仍將快速增長(zhǎng)。根據(jù)《2016年中國(guó)衛(wèi)生和計(jì)劃生育統(tǒng)計(jì)年鑒》[2］，盡管臨床上采取積極的藥物及冠狀動(dòng)脈介入等干預(yù)治療策略，我國(guó)城鄉(xiāng)居民冠心病死亡率總體仍呈上升態(tài)勢(shì)?，F(xiàn)在普遍認(rèn)為動(dòng)脈粥樣硬化（atherosclerosis，AS） 易損斑塊是心血管疾病的主要致死原因[3］。易損斑塊是指所有具有破裂傾向、易于發(fā)生血栓或進(jìn)展迅速的危險(xiǎn)斑塊。超過70%的急性心血管事件是由斑塊破裂和繼發(fā)血栓形成所致[4］。因此，深入研究易損斑塊分子機(jī)制，開發(fā)早期識(shí)別易損斑塊的方法，指導(dǎo)臨床進(jìn)行有效防治AS，降低心血管疾病的發(fā)病率和死亡率，已成為當(dāng)前臨床心血管疾病防治亟待解決的重大難題之一。

由于傳統(tǒng)血管內(nèi)光學(xué)相干斷層成像（optical coherence tomography，OCT）對(duì)于易損斑塊演變進(jìn)程監(jiān)測(cè)的局限性，新型血管腔內(nèi)影像技術(shù)不斷涌現(xiàn)，其中包括近紅外光譜技術(shù)（near infrared spectroscopy，NIRS）、血管內(nèi)光聲成像（intravascular photoacoustic，IVPA）、近紅外熒光分子成像（near infrared fluorescence，NIRF）和熒光壽命成像（fluorescence lifetime imaging，F(xiàn)LIM）、偏振敏感OCT（PS-OCT）以及光學(xué)相干層析血管造影技術(shù)（optical coherence tomography angiography，OCTA）等。新型影像技術(shù)有望突破傳統(tǒng)成像技術(shù)的局限性，能夠更加精準(zhǔn)地評(píng)估AS的病理生理過程。另外，融合不同模態(tài)的成像設(shè)備和成像技術(shù)，可能實(shí)現(xiàn)取長(zhǎng)補(bǔ)短和優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而更全面、更完整地獲取AS易損斑塊解剖結(jié)構(gòu)、組織細(xì)胞分布及分子成分多元信息等，實(shí)現(xiàn)AS易損斑塊多層次、多角度的可視化成像，成為當(dāng)前腔內(nèi)影像學(xué)技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)。

1 OCT發(fā)展現(xiàn)狀

有研究表明，斑塊的成分及特征決定其進(jìn)程并影響患者預(yù)后[5］。AS斑塊的成分及形態(tài)學(xué)特征是決定其穩(wěn)定性的關(guān)鍵，易損斑塊早期診斷、干預(yù)，對(duì)預(yù)防臨床急性冠狀動(dòng)脈綜合征（acute coronary syndrome，ACS）的發(fā)生有重要意義。傳統(tǒng)影像技術(shù)，如冠狀動(dòng)脈造影，雖然是評(píng)價(jià)冠狀動(dòng)脈狹窄程度的金標(biāo)準(zhǔn)，但只能顯示斑塊所造成的血管解剖結(jié)構(gòu)的狹窄程度，并不能反映斑塊的病理生理性質(zhì)，也不能有效地識(shí)別易損斑塊。血管腔內(nèi)成像技術(shù)已經(jīng)在臨床中應(yīng)用，并能評(píng)估AS斑塊負(fù)荷和易損性。OCT是一種新的高分辨率斷面成像模式，最突出優(yōu)勢(shì)就是其極高分辨率，可達(dá)10～15 μm，其最大成像深度為1～2 mm，幾乎相當(dāng)于冠狀動(dòng)脈壁全層厚度，能極清晰地將增厚的內(nèi)膜與含有脂質(zhì)的斑塊區(qū)分開，并能識(shí)別纖維帽厚度[6-9］。OCT的高分辨率特性對(duì)發(fā)現(xiàn)易損斑塊具有極大的應(yīng)用潛力，在冠狀動(dòng)脈干預(yù)前后可以用來對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行更精確的評(píng)價(jià)。但OCT 的穿透深度有限，若斑塊過大，不能對(duì)整個(gè)斑塊進(jìn)行成像，且不能夠評(píng)價(jià)斑塊負(fù)荷，需要與其他腔內(nèi)影像學(xué)聯(lián)合應(yīng)用來對(duì)斑塊的性質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。最近，Ochijewicz等[10］指出融合多模態(tài)成像技術(shù)，如血管內(nèi)超聲（intravascular ultrasonography，IVUS）、OCT、NIRS以及功能成像等是未來腔內(nèi)影像學(xué)發(fā)展的方向。融合血管成像技術(shù)是通過先進(jìn)的數(shù)據(jù)融合方法，能夠快速進(jìn)行冠狀動(dòng)脈血運(yùn)重建，準(zhǔn)確評(píng)估血管的幾何學(xué)解剖結(jié)構(gòu)、斑塊成分以及脆性斑塊的分布，雖然有一定局限性，但是預(yù)計(jì)在未來幾年將克服現(xiàn)有設(shè)計(jì)的不足，使其在實(shí)驗(yàn)研究和臨床實(shí)踐中能夠廣泛應(yīng)用。

2 基于OCT多模成像技術(shù)

2.1 OCT-IVUS多模態(tài)成像

在現(xiàn)有臨床應(yīng)用的血管內(nèi)成像技術(shù)中，IVUS的穿透力較強(qiáng)，但空間分辨率差；而OCT能夠提供接近組織學(xué)水平的分辨率，但成像穿透深度有限。因此，單一的IVUS或OCT很難完全提供斑塊內(nèi)部完整的解剖學(xué)信息。理論上，將IVUS與OCT成像導(dǎo)管集成到同一成像導(dǎo)管中，可實(shí)現(xiàn)二者的多模成像，能提供更加理想的斑塊與血管壁的組織學(xué)和形態(tài)學(xué)信息。基于此假設(shè)，一些研究者已經(jīng)嘗試將兩種成像技術(shù)融合，構(gòu)建OCT-IVUS多模成像探頭，對(duì)斑塊的發(fā)生及進(jìn)展進(jìn)行評(píng)估[11-13］。2010年，Yin等[11］首次通過構(gòu)建OCT-IVUS融合成像設(shè)備，在離體條件下對(duì)兔主動(dòng)脈斑塊進(jìn)行成像，奠定了腔內(nèi)多模態(tài)融合成像的基礎(chǔ)。隨后，Guo等[14］利用融合OCT-IVUS成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了患者在體冠狀動(dòng)脈內(nèi)成像，結(jié)果顯示OCT-IVUS成像可同時(shí)提供斑塊纖維帽厚度、斑塊負(fù)荷等信息。但是，該雙模態(tài)成像設(shè)備在技術(shù)方面仍然存在很多缺陷，如目前集成導(dǎo)管的剛性尖端長(zhǎng)度為5 mm左右，而臨床廣泛應(yīng)用的IVUS導(dǎo)絲剛性探頭為2 mm，這可能會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)管難以通過明顯彎曲的狹窄病變。剛性尖端的長(zhǎng)度主要受OCT探頭中多個(gè)光學(xué)部件的限制，未來需要設(shè)計(jì)更短的剛性探頭來解決這一問題。此外，目前OCT- IVUS融合成像技術(shù)仍然面臨諸多的瓶頸問題亟待解決，如：融合成像導(dǎo)管較粗、成像質(zhì)量較差、成像回撤速度慢、圖像融合度差等，單純將IVUS與OCT兩種不同模態(tài)的成像技術(shù)進(jìn)行整合并不能完全克服兩種成像模式的技術(shù)缺陷。

2.2 雙光源OCT成像

在OCT系統(tǒng)中，軸向（深度）分辨率取決于多種因素，且與成像深度成反比。目前在臨床應(yīng)用中，主要使用基于中心波長(zhǎng)為1.3 μm掃頻光源的OCT系統(tǒng)來識(shí)別薄纖維帽[7］，但其穿透深度通常＜1.5 mm。有研究表明，1.6～1.8 μm波段是生物組織的最佳光譜窗口，可以在圖像較深的位置獲得較高的圖像對(duì)比度[15］。因此，1.7 μm波長(zhǎng)的光可以穿透更深的組織，獲得更多的結(jié)構(gòu)信息，從而使大的脂質(zhì)池可視化。相比1.3 μm的OCT系統(tǒng)，1.7 μm的OCT系統(tǒng)有以下兩大特點(diǎn)：（1）由于脂質(zhì)對(duì)1.7 μm波長(zhǎng)的光吸收峰更高，所以脂質(zhì)斑塊與正常組織之間的對(duì)比度更加明顯[16］；（2）相同光源帶寬下，1.7 μm的系統(tǒng)比1.3 μm縱向分辨率理論上降低了71%，更深的組織穿透深度不可避免地犧牲了一定圖像縱向分辨能力。因此，結(jié)合二者的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)一種1.7 μm和1.3 μm雙光源OCT系統(tǒng)，兼顧高分辨率與高穿透性，將更好地識(shí)別AS斑塊的形態(tài)和成分。2017年，Chuang等[17］首次運(yùn)用1.7 μm和1.3 μm兩種不同波長(zhǎng)的掃頻光源，對(duì)人體冠狀動(dòng)脈尸解標(biāo)本進(jìn)行體外成像，結(jié)果顯示，1.7 μm OCT系統(tǒng)的穿透力有所增強(qiáng)，且同樣具有較高的分辨率。然而，目前1.7 μm OCT系統(tǒng)遠(yuǎn)非最佳的成像系統(tǒng)，原因是目前的光耦合器工作波長(zhǎng)以1.3 μm或1.5 μm為中心波長(zhǎng)，從而降低了光源的輸出能量。此外，1.7 μm的OCT系統(tǒng)的探測(cè)器靈敏度范圍為0.8～1.7 μm波長(zhǎng)，在1.31 μm波長(zhǎng)處成像效果最優(yōu)，卻顯著降低該系統(tǒng)的檢測(cè)效率[17］。如果定制耦合器和探測(cè)器，優(yōu)化1.7 μm波長(zhǎng)的掃頻光源，將顯著提高雙光源OCT系統(tǒng)性能。傳統(tǒng)1.3 μm OCT成像系統(tǒng)與1.7 μm橫掃激光源的整合將提供一個(gè)功能強(qiáng)大的腔內(nèi)成像模式，為在體識(shí)別AS易損斑塊的病理生理過程提供新的契機(jī)。因此，雙光源OCT成像技術(shù)可以解決當(dāng)前腔內(nèi)OCT-IVUS成像所面臨的諸多技術(shù)難題，該成像模式必將成為AS易損斑塊機(jī)制研究以及未來心血管疾病防治的重要工具。

2.3 OCT-NIRS

有研究表明，斑塊組織的成分以及形態(tài)特征決定其進(jìn)程并影響患者的預(yù)后[18］。AS斑塊的成分及形態(tài)學(xué)特征是決定其穩(wěn)定性的關(guān)鍵。Libby[5］提出斑塊成分的精確識(shí)別有助于解析從穩(wěn)定無(wú)癥狀的斑塊到急性心血管事件的發(fā)生機(jī)制。OCT成像對(duì)富含脂質(zhì)的AS斑塊成分的分析有一定局限性，無(wú)法了解易損斑塊內(nèi)細(xì)胞及分子成分，難以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)易損斑塊的發(fā)生和發(fā)展過程，并不適合用于易損斑塊早期篩查和診斷。如能整合一種深度檢測(cè)細(xì)胞和分子成分的成像技術(shù)，將大大提高AS易損斑塊檢測(cè)的特異度和敏感度。OCT穿透能力有限，其對(duì)斑塊成分的檢測(cè)會(huì)受到影響，但NIRS可對(duì)脂質(zhì)成分進(jìn)行精準(zhǔn)的定性、定量檢測(cè)。2013年Fard等[19］首次研發(fā)出OCT-NIRS雙模成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)將OCT和NIRS導(dǎo)管整合成單一導(dǎo)管，同時(shí)進(jìn)行OCT和NIRS成像。結(jié)果顯示該系統(tǒng)可以觀察到冠狀動(dòng)脈的纖維結(jié)構(gòu)和組織成分光譜信息，為檢測(cè)斑塊易損性提供了新的方向。但是，OCT-NIRS多模成像技術(shù)在評(píng)估斑塊內(nèi)皮細(xì)胞功能等方面存在缺陷，并且對(duì)于斑塊負(fù)荷、重構(gòu)和炎性細(xì)胞的評(píng)估性能一般。

2.4 OCT-NIRF

NIRF是一種可臨床轉(zhuǎn)化的成像方法，能夠識(shí)別斑塊炎癥相關(guān)分子，大大提高對(duì)斑塊進(jìn)展和并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別能力，可與OCT的結(jié)構(gòu)性成像方法相互配合。Yoo等[20］首次提出將OCT和NIRF融合于同一個(gè)腔內(nèi)成像導(dǎo)管內(nèi)，并在兔頸AS模型中進(jìn)行了活體驗(yàn)證，大大增加了該成像技術(shù)的臨床實(shí)用性。此外，Verjans等[21］利用該技術(shù)觀察離體的人頸動(dòng)脈斑塊，并且應(yīng)用OCTNIRF成像技術(shù)對(duì)豬冠狀動(dòng)脈進(jìn)行活體成像檢查。結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)組對(duì)于對(duì)比劑吲哚綠（ICG）的耐受性好，無(wú)過敏反應(yīng)，且ICG在易損斑塊內(nèi)的聚集與巨噬細(xì)胞、脂質(zhì)以及斑塊內(nèi)出血的分布密切相關(guān)。該實(shí)驗(yàn)研究為OCT-NIRF的臨床應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的依據(jù)。OCT-NIRF融合成像技術(shù)不足之處在于需要注入外源性熒光物質(zhì)；另外，該融合技術(shù)的穿透深度有限，只有4.6 mm，不能準(zhǔn)確提供冠狀動(dòng)脈深部的結(jié)構(gòu)和功能信息。為了改進(jìn)OCT-NIRF需要外源性熒光物質(zhì)的不足，Wang等[22］首次利用內(nèi)源性自發(fā)熒光進(jìn)行顯像，成功研制出OCT-NIRF融合成像技術(shù)，使用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)體外檢測(cè)AS斑塊的成分。未來OCT-NIRF多模成像技術(shù)應(yīng)用于臨床后，對(duì)于精確評(píng)估易損斑塊、優(yōu)化冠心病患者的治療策略以及預(yù)后管理具有重要的指導(dǎo)意義。但是，目前OCT-NIRF多模成像尚處于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段，且對(duì)斑塊負(fù)荷以及重構(gòu)性能評(píng)估能力差，不能準(zhǔn)確評(píng)估內(nèi)皮細(xì)胞剪切應(yīng)力的作用，難以評(píng)估新生血管分布，但對(duì)評(píng)估管腔面積、纖維帽厚度以及炎癥方面有優(yōu)勢(shì)。

2.5 OCT-FLIM

有研究證實(shí)，F(xiàn)LIM可以檢測(cè)脂質(zhì)和膠原蛋白的含量，OCTFLIM結(jié)合可以得到冠狀動(dòng)脈斑塊形態(tài)學(xué)和生物化學(xué)的詳細(xì)組成與分布[23］。2015年，Jo等[23］首次使用OCT-FLIM多模成像在體外檢測(cè)AS斑塊，結(jié)果顯示FLIM識(shí)別管腔脂質(zhì)和膠原的準(zhǔn)確性接近100%。另外，該OCT-FLIM融合系統(tǒng)能夠提供更多的組織病理學(xué)信息，且不需要使用對(duì)比劑，這為研究斑塊機(jī)制提供了新的方法。需要指出的是，目前的OCT-FLIM成像僅限于體外實(shí)驗(yàn)，使用的OCT波長(zhǎng)為0.85 μm，明顯短于傳統(tǒng)的1.3 μm，因而其穿透深度較常規(guī)血管內(nèi)OCT更差，且該OCT-FLIM多模成像設(shè)備在體臨床應(yīng)用還必須克服血流干擾等諸多問題。

2.6 PS-OCT

相對(duì)于傳統(tǒng)的OCT系統(tǒng)，PS-OCT對(duì)于組織的雙折射特性具有較高的敏感度，其利用偏振光對(duì)生物組織探測(cè)，有效地提高了雙折射生物組織探測(cè)的實(shí)際分辨率和對(duì)比度，這些是傳統(tǒng)的OCT無(wú)法實(shí)現(xiàn)的[24-27］。自1997年de Boer等[28］研制出第一代PSOCT后，經(jīng)過多年技術(shù)發(fā)展，PS-OCT已具備高靈敏度、快速的功能性成像性能，并應(yīng)用于很多生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。易損斑塊纖維帽較薄，且膠原含量少，然而當(dāng)前有關(guān)纖維帽的膠原成分對(duì)斑塊易損性的影響機(jī)制尚不清楚，準(zhǔn)確評(píng)估纖維帽中膠原含量及空間分布將有助于更加精確地判斷斑塊的風(fēng)險(xiǎn)度。PS-OCT可通過測(cè)量膠原、血管平滑肌細(xì)胞以及炎癥細(xì)胞等定向排列結(jié)構(gòu)的雙折射值來準(zhǔn)確識(shí)別斑塊組織的類型[25］。此外，PS-OCT能精確識(shí)別易損斑塊內(nèi)鈣化結(jié)節(jié)、膽固醇結(jié)晶以及巨噬細(xì)胞分布。因此，OCT結(jié)構(gòu)成像結(jié)合其雙折射測(cè)量技術(shù)未來有可能實(shí)現(xiàn)血管腔內(nèi)對(duì)于形態(tài)結(jié)構(gòu)水平、組織成分水平、超微結(jié)構(gòu)水平和生物學(xué)功能水平的多重分析。

2.7 光學(xué)相干層析血管造影技術(shù)（optical coherence tomography angiography， OCTA）

斑塊內(nèi)新生血管密度與斑塊大小、斑塊易損性密切相關(guān)，斑塊內(nèi)新生血管近來已經(jīng)證實(shí)是斑塊易損性的重要標(biāo)志[29-32］。在以往的研究中，由于超聲心動(dòng)圖、磁共振成像、計(jì)算機(jī)斷層掃描、冠狀動(dòng)脈造影、IVUS等儀器不能活體觀察AS斑塊內(nèi)新生血管生成，限制了新生血管與斑塊易損性關(guān)系的研究。OCT能觀察血管壁的三層結(jié)構(gòu)、斑塊的性質(zhì)以及斑塊內(nèi)新生血管等微細(xì)結(jié)構(gòu)，但是在較大的脂質(zhì)核心以及紅血栓的OCT圖像遠(yuǎn)端出現(xiàn)低信號(hào)，影響其檢測(cè)的準(zhǔn)確性。因此，亟需發(fā)展一種具有更高空間分辨率，更少運(yùn)動(dòng)偽像，更高幀頻活體成像設(shè)備與成像方法，顯示易損斑塊內(nèi)低速率血流的微小血管特點(diǎn)，揭示其與斑塊易損性的關(guān)系。光學(xué)成像技術(shù)具有較高的分辨率，有望實(shí)現(xiàn)識(shí)別單根毛細(xì)血管，結(jié)合光譜、頻率等信號(hào)還可以獲取組織代謝的生理功能信息。Wang等[33］提出OCTA概念，該技術(shù)通過光學(xué)微血管成像算法，可以從靜態(tài)生物組織的背景信號(hào)中提取血細(xì)胞運(yùn)動(dòng)信號(hào)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)血液循環(huán)系統(tǒng)高精度成像。由于其無(wú)創(chuàng)、無(wú)損、無(wú)接觸以及不依賴對(duì)比劑等一系列突出的優(yōu)點(diǎn)，OCTA技術(shù)已成為眼科成像領(lǐng)域最重要的研究熱點(diǎn)。此外，有研究將OCTA技術(shù)從視網(wǎng)膜拓展到皮膚成像，成功地運(yùn)用掃頻OCTA系統(tǒng)，結(jié)合更敏感的基于復(fù)數(shù)信息的血流成像算法，達(dá)到高穿透深度、高靈敏的血流成像，用于觀測(cè)各皮膚病的血流異常[34-35］。

如果能將OCTA技術(shù)應(yīng)用于心血管成像中，可清晰觀察到AS斑塊中的微血管，也能識(shí)別斑塊不同分層的微血管密度及其分布，對(duì)研究新生血管與斑塊易損性之間的關(guān)系至關(guān)重要。Qin等[36］首次運(yùn)用OCTA技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)標(biāo)記三維冠狀動(dòng)脈微血管造影，為實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)OCTA評(píng)估AS易損斑塊新生血管形成奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。該研究同時(shí)指出，未來腔內(nèi)OCTA將是一種快速新型的血流成像技術(shù)，具有分辨率高、掃描速度快、特異性好、結(jié)果直觀、可量化血流等優(yōu)點(diǎn)，不僅能夠精確地定性分析血管形態(tài)，更重要的是能夠分析斑塊內(nèi)新生血管密度與分布，同時(shí)還能對(duì)易損斑塊病變深度進(jìn)行評(píng)估。這些優(yōu)勢(shì)將使OCTA發(fā)展成為一種理想的易損斑塊內(nèi)腔內(nèi)成像技術(shù)，并逐漸成為醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用必不可少的工具。

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外基于OCT的多模多功能高集成腔內(nèi)光學(xué)成像系統(tǒng)的研發(fā)尚處在起步階段，還沒有形成真正的在硬件和軟件層次上均融合的多功能OCT成像系統(tǒng)，而且國(guó)際上至今尚無(wú)針對(duì)基于OCT多模態(tài)光學(xué)腔內(nèi)影像數(shù)據(jù)的計(jì)算軟件。針對(duì)AS易損斑塊解剖結(jié)構(gòu)、斑塊內(nèi)組織化學(xué)成分以及新生血管形成在體識(shí)別，開發(fā)基于OCT的多模多功能血管內(nèi)光學(xué)相干成像系統(tǒng)；利用成像設(shè)備實(shí)現(xiàn)多模態(tài)、多層次、多尺度在體檢測(cè)AS易損斑塊，為易損斑塊發(fā)生發(fā)展機(jī)制的研究及對(duì)易損斑塊早期精確診斷提供新的技術(shù)手段。融合雙光源OCT、無(wú)標(biāo)記微血管造影、偏振敏感成像以及分子成像等高集成腔內(nèi)光學(xué)成像系統(tǒng)將來可能有效地彌補(bǔ)了各種單模態(tài)成像的缺點(diǎn)，能夠同時(shí)獲得多種新的檢測(cè)參數(shù)，可用于AS易損斑塊解剖結(jié)構(gòu)、新生血管及分子成分和功能可視化，可盡早預(yù)測(cè)罪犯病變部位，起到早期預(yù)警的效果。因此，基于OCT多模多功能成像無(wú)論在基礎(chǔ)研究，還是在臨床應(yīng)用中均已顯示出廣闊的應(yīng)用前景，而且將成為基礎(chǔ)研究成果轉(zhuǎn)化到臨床應(yīng)用的重要橋梁。