血管內(nèi)光學相干成像的原理和臨床應用

張春曉，王曉民，楊蕾，劉延梅

山東大學附屬山東省立醫(yī)院 醫(yī)學工程部，山東 濟南 250014

血管內(nèi)光學相干成像的原理和臨床應用

張春曉，王曉民，楊蕾，劉延梅

山東大學附屬山東省立醫(yī)院 醫(yī)學工程部，山東 濟南 250014

本文介紹了光學相干成像（Optical Coherence Tomography ，OCT）這種采集組織淺表斷層圖像的新技術，分析了血管內(nèi)OCT技術的成像原理及臨床應用優(yōu)勢，文章最后對其發(fā)展前景進行了展望。

光學相干成像；冠狀動脈造影；冠狀動脈綜合癥；邁克爾遜干涉儀

0 前言

冠狀動脈粥樣硬化性心臟病（CAD），冠狀動脈狹窄及急性冠狀動脈綜合征（ACS）等心血管疾病是目前威脅人類健康的嚴重疾病之一。現(xiàn)在大部分醫(yī)療機構對于冠狀動脈狀態(tài)的檢查通常采用冠狀動脈造影（CAG）或者血管內(nèi)超聲（IVUS）等方法對冠狀動脈的復雜組織斷面（如圖1）進行檢測。冠狀動脈造影能夠顯示血管的整體輪廓，有助于分析冠狀動脈狹窄的情況，但是無法顯示血管壁的組織結構。而 IVUS 利用超聲探頭進入血管內(nèi)掃描，可得到冠狀動脈管壁的斷層圖像，不過超聲組織成像過程中會產(chǎn)生偽影，因此超聲成像的分辨率一般只能到 100μm，醫(yī)生在后期圖像分析時較難清晰觀察不同組織之間的邊界及組織質(zhì)地，熟練分析 IVUS 圖像需要進過半年以上的學習和臨床經(jīng)驗積累。近年來迅速發(fā)展起來的光學相干成像技術（OCT）最初是用于眼科透明組織的成像分析，后來被研究者們用于血管內(nèi)組織成像并得到了很好的效果。

圖1 冠狀動脈各種易損斑塊

1 血管內(nèi)OCT技術的歷史

OCT 的分辨率能夠達到 10μm，可以清晰地顯示血管的斷層圖像，提供血管壁形態(tài)、斑塊性質(zhì)、管徑，以及血管狹窄的情況，絕大部分心肌梗塞的產(chǎn)生是由于動脈中小的粥樣斑塊破裂造成的，但是以往的所有影像手段都無法檢測出來，只有 OCT 技術能夠做到這一點[1]。OCT 技術的分辨率能夠達到組織病理切片檢查的水平，所以這項技術也被稱為“光學活檢”[2]，能夠為冠心病患者的檢查和治療提供很好的依據(jù)。

OCT 技 術[3]是 在 1991 年 由 美 國 麻 省 理 工 學 院 的Huang 等人提出的一項新的成像技術，并由哈佛醫(yī)學院的Schuman 等人有限應用于眼科疾病的診斷，隨后由研究者們分別應用于消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)及心血管系統(tǒng)的組織成像。其中 OCT技術在心血管系統(tǒng)中的應用表現(xiàn)出了良好的成像素質(zhì)，可以清楚地識別易損斑塊、血栓、支架和內(nèi)膜。這項技術不但大大提高了冠狀動脈疾病診斷的準確性，并應用于心血管疾病的治療及植入支架后用藥控制的過程，為病人康復過程提供了可靠數(shù)據(jù)支持。

目前國際上能夠生產(chǎn)臨床使用的血管內(nèi) OCT產(chǎn)品的公 司 只 有 美 國 Lightlab Imaging（LLI） 公 司， 該 公 司 的知 識 產(chǎn) 權 來 自 于 MIT、Harvard University、Massachusetts General Hospital、Tufts University、Medtronic，以及 the Zeiss Foundation。 目 前 該 公 司 的 產(chǎn) 品 在 國 內(nèi) 的 北 京 協(xié) 和 醫(yī)院、301 醫(yī)院、上海同濟醫(yī)院等幾十家醫(yī)院使用，手術量也在逐年增加。現(xiàn)在全球?qū)＜以诿绹W洲及日本等地建立了很多研究機構，來支持 OCT 技術在心血管領域的發(fā)展。

2 血管內(nèi)OCT的技術原理

OCT設備是以邁克爾遜干涉儀為基礎利用近紅外光的干涉原理來采集組織斷層信息的。首先利用弱相干光源產(chǎn)生一定波長的相干光，然后通過分束鏡分為樣品光和參考光，光線照射樣品時會發(fā)生散射和反射，而不同組織對光的散射和反射程度不同，于是我們通過采集反射回的光強度可以辨別組織類型[4]。

光強探測器最后接收到的強度 Id為 ：

公式 (1)中 Er為參考臂發(fā)射光場，Es為樣本臂發(fā)射光場，Es' 為樣本臂反射光場，Ir為樣本臂的發(fā)射光強，Is為樣本臂發(fā)射光強，Is'為樣本臂反射光強

其中：

圖2 OCT成像原理

完整的光影儀包括光源、分光器、參考臂、樣本臂、探測器，以及數(shù)字處理器。樣本臂是由一個可旋轉(zhuǎn)的光學耦合器（又稱探頭連接單元，PIU）和成像導絲導管組成圖3，其作用就是將檢測光引導到所需檢測的血管壁上。

圖3 OCT成像設備組成

醫(yī)生操作過程中將阻斷球囊導管和成像導絲送入冠狀動脈內(nèi)，通過擴張球囊阻斷靶病變處的近端血管血液，經(jīng)過管腔內(nèi)持續(xù)低容量的沖洗，將靶病變處的血液沖洗干凈，然后成像導絲在血管內(nèi)進行掃描成像。成像完成后，球囊收縮，血液流動恢復，醫(yī)生將球囊導管和導絲退出冠狀動脈完成整個操作。

3 血管內(nèi)OCT在臨床上的應用

冠狀動脈中的不穩(wěn)定斑塊也稱為易損斑塊是引發(fā)冠狀動脈疾病的重要隱患，如巨噬細胞密度、纖維斑塊和富含脂質(zhì)斑塊的增加會引起患者的不穩(wěn)定心絞痛，Jang 等人的研究[5]表明畸形冠狀動脈綜合征和急性心肌梗死患者與穩(wěn)定心絞痛患者相比脂質(zhì)斑塊含量較高而且纖維帽變薄。因此，臨床醫(yī)生通過檢查冠狀動脈中的易損斑塊情況能夠在早期檢測心血管疾病及其嚴重程度。在圖4和圖5中比較了 OCT 圖像、IVUS 圖像及組織病理檢查照片，可以看出OCT圖像的分辨率很高，而且能清晰分辨各種斑塊性質(zhì)。

圖4 三種圖像比較（a圖為OCT圖像；b圖為IVUS圖像；c圖為組織病理圖片）

圖5 OCT與IVUS成像在分辨斑塊性質(zhì)中的比較

利用OCT技術可以觀察到增厚的內(nèi)膜、彈力板和脂質(zhì)斑塊等組織，且對各種斑塊成分具有很高的對比度。OCT技術對于鈣化組織的穿透能力較強，Patwari 等人的研究[6]證明對于幾乎完全閉塞的冠狀動脈斑塊，這項技術都能穿透并成像。由于光傳播速度較聲傳播速度高很多，所以OCT成像的實時性非常高，而且最大程度上避免了運動偽影。因此 OCT 技術的應用在冠狀動脈病變檢查方面表現(xiàn)出了良好的性質(zhì)，為醫(yī)生制定治療方案提供了更完備的依據(jù)。

對于冠狀動脈狹窄的患者，醫(yī)生通常會采用植入支架的方法進行治療[7]，在手術中需要評估介入手術的治療效果，如支架貼壁情況以及組織撕裂、組織脫垂等手術傷害，臨床治療的研究結果表明，OCT技術能清晰地顯示支架貼壁情況和內(nèi)膜損傷情況（如圖6）。

圖6 OCT與IVUS在支架植入后的成像比較

病人在支架手術后的康復過程中會產(chǎn)生內(nèi)膜增生，于是近年來大都采用藥物洗脫支架，能夠防止內(nèi)膜過度增生，但是這種支架會造成內(nèi)膜覆蓋不全而引起血栓，所以病人需要服用抗血小板藥物。手術后的病人需要定期檢查內(nèi)膜覆蓋情況以確定停藥時間，以往利用 IVUS 進行檢查分辨率不足，現(xiàn)在利用 OCT進行掃描得到的圖像醫(yī)生可以很清晰的觀察內(nèi)膜增生和覆蓋支架的情況[8]（如圖7），從而確定病人的停藥時間。

圖7 支架植入后隨訪內(nèi)膜覆蓋的OCT圖像

4 OCT技術存在的不足和發(fā)展前景

目前OCT技術的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，但是還是存在很多不足之處。首先是OCT技術使用的光源沒有研究一致的標準，而且對組織的穿透力不足，無法深度探測組織內(nèi)部病變情況，另外應用于血管內(nèi)成像的耗材費用昂貴，限制了這項技術的推廣。

OCT技術應用于體表檢查時可達到無創(chuàng)效果，但用于血管內(nèi)檢查時需要進行侵入操作，為防止血液細胞對紅外光的干擾，掃描前要在血管近端阻斷血流。醫(yī)生在臨床操作中曾經(jīng)出現(xiàn)過冠狀動脈夾層和血栓，所以這項操作對醫(yī)生的操作技術要求比較高，操作時動作要細致嫻熟。也因為血液對 OCT成像的影響，病人在動脈開口部位有病變以及心功能不全的話，這項技術的應用會受到限制。

由于 OCT 只能穿透 2～3mm 的表層組織，所以在某些領域的發(fā)展受到限制，于是研究者們正在試驗利用 OCT技術和其他技術相結合來完善其不足，其中包括醫(yī)學超聲 -OCT 內(nèi)窺鏡成像[9]，用于探測脂肪組織中腫瘤的光聲成像技術[10]，與多普勒技術相結合的光學多普勒層析系統(tǒng)等[11]。科學家們研究的聲光結合式探頭，正在進行仿真實驗，相信其發(fā)展前景廣闊。還有建立在OCT和激光掃描偏振計（SPL）基礎上的偏振敏感光學相干技術[12]，這項技術能夠同時檢測干涉光的偏振和由于病變引起的偏振相位差信息，這樣能比常規(guī)的 OCT 多提供以為生物信息，這項技術已經(jīng)在齲齒診斷的研究中取得了很好的效果，分辨率可達到 2～3μm。

OCT技術有相當優(yōu)越的成像效果，相信通過各個領域各項技術的結合，這項技術會有很廣闊的發(fā)展前景。

5 總結

由于 OCT技術的發(fā)展，現(xiàn)在冠狀動脈疾病的診斷和治療有了清晰定量的依據(jù)，而且在支架手術的術中操作、術后評估，以及隨訪檢查等各個階段發(fā)揮了很好的作用。憑借其高分辨率和實時成像速度，這項技術已經(jīng)成為心血管病人的精確治療的必要手段，相信通過研究者們的努力，OCT技術必能發(fā)揮更大的作用。

[1] 劉偉,樊寬章,張長忠．光學相干成像技術及在醫(yī)學中的應用[J]．醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2002,(3):32-36．

[2] Jackle S,Gladkova N,Feldchtein F,et al．In vivo endoscopic optical coherence tomography of the human gastrointestinal tract—toward optical biopsy[J]．Endoscopy,2000,32:743-749．

[3] Huang D,Swanson,Lin CP,et al．Optical coherence tomography[J]．Science,1991,254:1178-1181．

[4] Joseph M．Optical Coherence Tomography(OCT):A Review[C]．IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUMELECTRONICS,VOL．5,NO．4,1999:1205-1215．

[5] Jang IK,Tearney GJ,MacNeill B,et al．In vivo characterization of coronary atherosclerotic plague by use of optical coherence tomography[J]．Circulation,2005,111:1551-1555．

[6] Patwari P,Weissman NJ,Boppart SA,et al．Assessment of coronary plaque with optical coherence tomography and high-frequency ultrasound[J]．An J Cardiol,2000,85(5):641．

[7] 韓志剛,于波,侯靜波,等．光學相干斷層成像評價經(jīng)皮冠狀動脈內(nèi)支架術后即刻效果[J]．中華心血管病雜志,2006,34(7): 625-626．

[8] 陳步星,馬鳳云,羅維,等．光學相干斷層成像評價藥物洗脫支架與金屬裸支架治療后的內(nèi)膜增殖[J]．中華醫(yī)學雜志,2006, 86(16):1102-1106．

[9] 陳曉東,汪毅,顧寧,等．基于蒙特卡羅模擬的超聲輔助OCT成像研究[J]．光子學報,2009,38(10):2645-2649．

[10] 劉英杰,蘇翼雄,姚建銓,等．光聲技術在醫(yī)學成像中的應用[J]．醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2005,26(8):26-28．

[11] Proskurin SG,He Y,Wang RK．Doppler optical coherence tomography imaging of converging flow[J]．Phys Med Bjol, 2004,49(7):1265-1276．

[12] 王守濤,陳慶光,林斌,等．光學技術在早期齲齒檢測中的應用[J]．激光生物學報,2009,18(6):846-852．

Principle and Clinical Application of the Intravascular Optical Coherence Tomography

ZHANG Chun-xiao, WANG Xiaomin, YANG Lei, LIU Yan-mei
Biomedical Engineering Department, Provincial Hospital Affiliated to Shandong University, Jinan Shandong 250014, China

This paper introduces the new technology for the tomography collection of the shallow organization. The basic principle and application in clinical medicine of the technology of OCT is presented. At the end this paper prospects the development of the intravascular OCT technology.

OCT; CAG; ACS; michelson interferometer

R318.51

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.06.020

1674-1633(2011)06-0060-03

2011-02-10

作者郵箱：zhangchunxiao12345@163．com