基于光學相干斷層成像的多模態(tài)成像及其衍生技術(shù)在冠狀動脈介入治療中的應(yīng)用進展

崔建國 金琴花 陳韻岱

雖然目前冠狀動脈造影為診斷冠狀動脈粥樣硬化性心臟?。ü谛牟。┑慕饦藴?，但因其二維成像、成像角度等問題導致部分血管成像縮短，且分辨率有限，影響對病變部位、程度及性質(zhì)的判斷。血管內(nèi)超聲（intravascular ultrasound，IVUS）、光學相干斷層成像（optical coherence tomography，OCT）等腔內(nèi)影像技術(shù)因其較高的空間分辨率，能夠?qū)Σ∽兂煞旨捌涔鼙诮Y(jié)構(gòu)做出更細致的觀察，進而指導介入治療，提高即刻手術(shù)效果和遠期預后［1］，在目前專家共識及指南中均得到了Ⅰ～Ⅱa類推薦［2-4］。

OCT是目前分辨率最高的腔內(nèi)影像學檢查，除了常規(guī)的管腔直徑、管腔面積等信息外，在血管橫斷面上能夠為術(shù)者提供更為精確的信息，比如斑塊的性質(zhì)、成分以及穩(wěn)定性等。但是分辨率與組織穿透力呈反比，OCT對于血管壁的穿透能力有限，導致信息丟失，尤其是在重度狹窄的病變部位。并且OCT初始設(shè)計為獲得血管管腔橫斷面二維信息，對于分支及整體血管信息提供不夠，尤其是在分叉病變需要介入治療時。因此，OCT作為影像學工具，僅能提供病變部位的解剖學信息，而不能提供同樣重要的血管功能學信息?；谝陨蠁栴}，目前已經(jīng)衍生出基于或者結(jié)合OCT的相關(guān)新技術(shù)，從空間、組織穿透性、功能學、生化信息以及縮短信息分析流程等多方面做出了革新［5］。本文將就基于或者結(jié)合OCT的新技術(shù)進行綜述。

1 基于OCT的多模態(tài)血管內(nèi)影像

1. 1 雙模態(tài)IVUS和OCT（dual modality intravascular ultrasound and optical coherence tomography，IVUS-OCT）

IVUS和OCT相結(jié)合，可以將兩者的優(yōu)勢融合，一次檢查即可同時獲得血管內(nèi)壁的超聲與OCT圖像，實現(xiàn)對血管壁和粥樣斑塊的精準診斷［6］。但是IVUS-OCT并不是同時完成兩者的單獨成像以及單獨分析，其最終目標是將兩種圖像融合，從而更精確、更全面地顯示血管壁及病變部位的影像信息，快速識別高危斑塊及斑塊成分，為臨床決策提供快速可靠的指導［7］。Huang等［8］嘗試利用多種不同的融合算法得到融合后的IVUSOCT圖像來強化動脈粥樣硬化的細節(jié)，最終發(fā)現(xiàn)改進的小波融合效果最佳。國內(nèi)全景科學和國外Conavi及Terumo公司的IVUS-OCT血管內(nèi)成像系統(tǒng)目前均已經(jīng)進入臨床試驗階段。加拿大Conavi公司的Novasight融合IVUS-OCT導管是第一個商業(yè)化的設(shè)備，需要更多的臨床數(shù)據(jù)支持。IVUS-OCT融合探頭的小型化、聯(lián)合配準和成像性能方面的進展仍在繼續(xù)，以期能為左主干開口病變及多支復雜病變帶來更精準的指導作用。

1. 2 雙模態(tài)OCT和近紅外光譜（dual modality optical coherence tomography and near-infrared spectroscopy，OCT-NIRS）

近紅外光譜（near-infrared spectroscopy，NIRS）在檢測富含脂質(zhì)的斑塊方面已經(jīng)得到了廣泛的驗證，同時富含脂質(zhì)的斑塊為高危斑塊的特征之一。與組織學的黃金標準相比，NIRS是唯一經(jīng)美國食品藥品監(jiān)督管理局（Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）批準的識別冠狀動脈脂質(zhì)的方法［9］。NIRS檢測的高脂質(zhì)核心指數(shù)斑塊在OCT形態(tài)學上符合高危斑塊的特征［10］。相對于OCT的弱穿透性及對術(shù)者經(jīng)驗的依賴性，NIRS能夠自動計算斑塊負荷，但不能提供血管的結(jié)構(gòu)學信息。OCT和NIRS的融合可以相互彌補兩者圖像信息的缺點，更精準地識別高危斑塊和高危患者［11］。NIRS可以輔助識別支架內(nèi)血栓形成及支架內(nèi)再狹窄的可能機制并預測圍術(shù)期心肌梗死的發(fā)生［11-13］。Spectra WAVE公司目前正在研制一種商業(yè)化的OCT-NIRS組合導管［14］。OCT-NIRS更精確的診斷可以指導最佳的治療方案，從而進一步改善二級預防。

1. 3 雙模態(tài)OCT-近紅外熒光分子成像（optical coherence tomography-near infrared fluorescence，OCT-NIRF）

近紅外熒光分子成像（near-infrared fluorescence，NIRF）是一種新興的分子血管內(nèi)成像模式，可以在體內(nèi)觀察到動脈粥樣斑塊的病理和細胞演變過程，包括炎癥、氧化應(yīng)激和異常的內(nèi)皮滲透性［15］。已確立的血管內(nèi)近紅外成像目標包括巨噬細胞、蛋白酶活性、氧化的低密度脂蛋白和異常的內(nèi)皮通透性［15］。Yoo等［16］在2011年研制了第一種雙模態(tài)OCT-NIRF影像系統(tǒng)，可以同時提供有關(guān)斑塊微觀結(jié)構(gòu)和生物學的信息。雙模態(tài)OCT-NIRF影像在動物實驗中發(fā)現(xiàn)，綠色熒光多顯示在內(nèi)皮完整性受損的斑塊區(qū)域，包括斷裂的纖維帽以及新生血管區(qū)域［17］。另一項動物及尸檢研究發(fā)現(xiàn)，熒光信號主要位于富含脂質(zhì)斑塊及巨噬細胞分布區(qū)域，且沿著支架梁分布，提示與炎性反應(yīng)相關(guān)［18］。另有學者通過NIRF檢測支架表面纖維蛋白沉積，進一步明確支架內(nèi)膜覆蓋情況，彌補OCT在檢測支架愈合上的不足［19］。但NIRF需要使用針對特定分子信息的外源性對比劑，這使得它在臨床上的轉(zhuǎn)化速度減慢。目前雙模態(tài)OCT-NIRF影像系統(tǒng)尚未應(yīng)用于臨床，但顯示出很好的應(yīng)用前景［15］。

1. 4 雙模態(tài)OCT和熒光壽命成像（dual modality optical coherence tomography and fluorescence lifetime imaging，OCT-FLIM）

動脈粥樣硬化和癌癥等慢性疾病的病理生理進展與含有內(nèi)源性熒光團（如膠原蛋白、彈性蛋白和低密度脂蛋白）的生物組織成分變化密切相關(guān)，這些熒光團在紫外線激發(fā)下表現(xiàn)出強烈的自發(fā)熒光。熒光壽命是熒光團的固有屬性，熒光壽命成像（fluorescence lifetime imaging，F(xiàn)LIM）通過測量化學成分的熒光壽命來反映成分的變化［20］。但是FLIM不能提供結(jié)構(gòu)性的信息，需要和血管內(nèi)結(jié)構(gòu)影像學結(jié)合。然而，該技術(shù)的臨床轉(zhuǎn)化受到了緩慢的回拉速度和相對較大的成像導管的阻礙。目前已經(jīng)在實驗室合成了雙模態(tài)OCT-FLIM用于血管內(nèi)斑塊的形態(tài)學和生化檢查，在體外和動物實驗中得到了較好的預期結(jié)果［21-22］。OCT-FLIM很可能成為診斷冠狀動脈粥樣硬化的有前途的下一代影像技術(shù)。

1. 5 全集成三模態(tài)影像系統(tǒng)

不論是OCT、IVUS還是熒光系統(tǒng)（NIRF和FLIM），單項技術(shù)均具有其固有的缺點與不足，不能全面詳細地評估動脈粥樣硬化斑塊病變。除了上述雙模態(tài)影像外，近幾年又出現(xiàn)全集成三模態(tài)影像系統(tǒng)，將OCT、IVUS和熒光成像集成到一根導管上，通過一次血管內(nèi)檢查即可同時獲得上述三種影像［23］。國內(nèi)學者也在這方面做了嘗試，將OCT、IVUS和多光譜光聲集成融合，同時提供血管壁的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)信息，并通過多波長激發(fā)對脂質(zhì)進行識別和量化［24］。目前三模態(tài)影像學技術(shù)尚不成熟，但為臨床醫(yī)師和研究人員提供了一種新的成像方法，以提高對不穩(wěn)定粥樣斑塊的準確診斷。

2 基于OCT的衍生影像

2. 1 基于OCT的血流儲備分數(shù)（optical coherence tomographyderived fractional flow reserve，OFR）

血流儲備分數(shù)（fractional flow reserve，F(xiàn)FR）的價值已經(jīng)在臨床中得到了廣泛驗證，不僅指導臨界病變的介入治療，而且還應(yīng)用于冠狀動脈支架置入術(shù)后的優(yōu)化［25-27］。但是FFR為有創(chuàng)操作且需要藥物誘導達到最大充血狀態(tài)，應(yīng)用范圍較小。因而無創(chuàng)性的功能評估應(yīng)運而生，目前有基于CT影像的血流儲備分數(shù)（fractional flow reserve-computer tomography，F(xiàn)FR-CT），基于冠狀動脈造影的定量血流分數(shù)（quantitative flow ratio，QFR）/無創(chuàng)冠狀動脈造影血流儲備分數(shù)（coronary angiography-derived contrast fractional flow reserve，caFFR），基于IVUS的血流儲備分數(shù)（IVUS-based FFR，UFR）和OFR。但是FFR-CT具有其固有的缺點，僅作為一種評估手段，不能在明確存在缺血狀態(tài)下行干預治療。而QFR/caFFR已經(jīng)實現(xiàn)在線評估并實時指導介入治療策略，相對于FFR-CT，QFR/caFFR與FFR相比具有更高的相關(guān)性［28］。OFR可以在無藥物誘導的最大充血狀態(tài)下同時測量靶血管的形態(tài)學特征及功能學指標。最新的研究顯示，以FFR為參考標準，OFR相較于QFR具有更高的診斷效能，并優(yōu)于常規(guī)形態(tài)學參數(shù)［29］。冠狀動脈支架置入術(shù)前后OFR差值還可以預測支架貼壁不良并指導優(yōu)化手術(shù)策略［30］。OFR作為新的無創(chuàng)功能學技術(shù)，其算法主要基于虛擬流體力學計算方程，雖然具有很高的診斷效能，但仍具有個體間的差異性［31］。Yu等［32］將OFR技術(shù)算法進一步優(yōu)化，在保留其高診斷效能的同時，進一步縮短計算時間和提高重復性。目前相關(guān)臨床證據(jù)缺乏，仍需要更多和樣本量更大的研究進一步驗證其對臨床的指導價值。

2. 2 斑塊衰減指數(shù)（index of plaque attenuation，IPA）

IPA是一種基于OCT圖像的后處理軟件算法，能夠自動定量識別纖維粥樣斑塊或者高危易損斑塊，尤其是薄纖維帽斑塊（thin-cap fibroatheroma，TCFA）。早在20年前，多位學者通過使用高分辨率OCT顯微鏡系統(tǒng)對尸檢冠狀動脈的橫向成像來測量動脈粥樣硬化斑塊的后向散射系數(shù)和衰減系數(shù)，證明衰減系數(shù)可以區(qū)分斑塊性質(zhì)，為后來對動脈粥樣硬化斑塊的計算機輔助診斷做了開創(chuàng)性的工作［33-34］。最新研究顯示，IPA8.5與冠狀動脈粥樣斑塊負荷呈線性相關(guān)，且相關(guān)性明顯高于基于NIRS的脂質(zhì)核心負荷指數(shù)（lipid core burden index，LCBI）［35］，而IPA11＞110可以高精度識別高危斑塊，如TCFA［36］。德國科學家應(yīng)用衰減指數(shù)對置入支架后新生內(nèi)膜動脈粥樣斑塊進行了檢測，不論是均質(zhì)還是非均質(zhì)，新生內(nèi)膜中的泡沫巨噬細胞均具有顯著的高衰減特性［37］。目前已有多種關(guān)于衰減指數(shù)的后處理算法及優(yōu)化［38-41］，其特異性和敏感性各不相同，但均未商業(yè)化應(yīng)用。

3 OCT與數(shù)字技術(shù)

3. 1 三維光學相干斷層成像（three-dimensional optical coherence tomography，3D-OCT）

頻域OCT具有更高的分辨率及組織穿透性，同時具有更高的幀速率和回撤速度，使之可以行3D重構(gòu)，加強對復雜病變的理解以及明確支架與血管的關(guān)系。3D-OCT技術(shù)的潛在臨床應(yīng)用包括對可能的支架貼壁不良或者膨脹不全的整體進行評估、血栓的識別和定位、復雜病變的評估以及對介入治療的指導等［42］。既往曾有研究應(yīng)用3D-OCT評估支架術(shù)后內(nèi)膜覆蓋率，具有良好的診斷效能［43］。在對分叉病變的介入治療中，3D-OCT可以清晰地顯示分支開口支架梁的數(shù)目及形態(tài)，精確指導導絲選擇主支支架遠端網(wǎng)眼再入分支，避免完成最終的對吻后金屬嵴的形成［42，44-45］。德國科學家嘗試應(yīng)用3D-OCT結(jié)合自動支架檢測和縱向視圖，在血管中準確識別支架平臺的類型，這可能對在臨床上識別支架失敗類型和量化貼壁方面會有幫助［46］。總體來說目前3D-OCT技術(shù)主要應(yīng)用于分叉病變研究中，涉及其它研究較少，需要進一步拓展其研究潛質(zhì)。

3. 2 OCT-造影融合功能（coregistration of optical coherence tomography with angiography，OCT-ACR）

實時OCT-ACR是最近幾年新研發(fā)的一項系統(tǒng)，可以在術(shù)中實現(xiàn)OCT圖像和數(shù)字減影血管造影（digital subtraction angiography，DSA）圖像的畫面同步，輔助術(shù)者快速做出更精準的判斷［47-48］。OPTICO-integration研究［47］顯示OCT改變了71.4%患者的經(jīng)皮冠狀動脈介入治療（percutaneous coronary intervention，PCI）手術(shù)策略，有40.7%患者基于造影融合功能（angio co-registration，ACR）使得手術(shù)策略在OCT基礎(chǔ)上得到了進一步改進。具體來說主要是可以明確整個病變斑塊的性質(zhì)及長度，從而輔助選擇最佳的支架直徑及著陸點，避免支架邊緣夾層和物理丟失［2，49］。但也有研究顯示，ACR技術(shù)相較于單純OCT指導介入治療未明顯減少物理丟失及支架邊緣夾層［50］。在分叉病變的精準治療中，ACR技術(shù)能夠減少分支支架突入主支的程度并保證分支開口部位的支架覆蓋［51］。目前尚缺乏大樣本隨機對照研究，但根據(jù)小樣本的臨床研究結(jié)果來看，OCT-ACR技術(shù)可以在一定程度上影響手術(shù)策略，尤其是可顯著減少縱向地理不匹配，并且可能帶來更好的臨床預后，是一項很有發(fā)展前景的技術(shù)。未來需要大樣本隨機對照研究進一步鞏固支持OCT-ACR相關(guān)臨床證據(jù)，以及臨床隨訪研究驗證其對于臨床預后的影響。

3. 3 衰減補償技術(shù)

OCT成像的主要缺點之一是信號的快速衰減，限制了對組織的穿透力，只能達到幾毫米。以前開發(fā)的一種用于校正軟組織中的光衰減補償算法，被應(yīng)用于使用光譜域OCT的冠狀動脈內(nèi)斑塊成像，可以顯著提高圖像的質(zhì)量以及血管結(jié)構(gòu)的分辨率［52］。Teo等［53］通過操縱對比度指數(shù)和壓縮指數(shù)對衰減補償技術(shù)進行了優(yōu)化，以達到最佳對比度和信噪比，使得斑塊分類的總體敏感性和特異性分別從84%增加到89%和從92%增加到94%。也有研究表明衰減技術(shù)可以更好地劃定外彈力膜，但在脂質(zhì)檢測和區(qū)分新內(nèi)膜表征方面仍然較差［54］。目前對于衰減補償技術(shù)的研究及應(yīng)用較少且結(jié)論不一致，相關(guān)臨床意義尚不明確。

4 小結(jié)及展望

目前冠心病介入治療已經(jīng)進入精準治療時代，不斷發(fā)展的多種腔內(nèi)影像學單一使用或多種影像融合使用，可以對冠狀動脈血管壁及斑塊的形態(tài)、成分做出精確的評估，不僅能夠指導并優(yōu)化藥物或者介入治療，還有助于理解冠心病的病理生理機制及發(fā)展過程［55-56］。隨著技術(shù)的進步和臨床證據(jù)的增多，未來基于OCT的雙模態(tài)和多模態(tài)影像學技術(shù)會越來越成熟，應(yīng)用越來越廣泛。但是每種影像學技術(shù)均具有其固有的優(yōu)缺點，應(yīng)根據(jù)臨床應(yīng)用目的，科學合理選用相應(yīng)的組合。

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突