光學相干斷層成像在頸內動脈系統(tǒng)中的應用進展

劉銳，李敏，朱武生，殷勤，劉新峰

頸內動脈系統(tǒng)供應腦的前循環(huán)，由頸內動脈及其分支共同組成。頸內動脈粥樣硬化、頸動脈血管炎以及頸內動脈夾層等病變均會導致血管腔狹窄、斑塊破裂及繼發(fā)血栓的形成，繼而引起缺血性腦血管病[1-2]。目前，血管腔的狹窄率依然是評價動脈粥樣硬化的嚴重程度和危險程度的重要依據(jù)。但臨床發(fā)現(xiàn)，有的頸內動脈高度狹窄的患者并未出現(xiàn)腦梗死，而很多腦梗死患者的血管狹窄程度并不高。因此，對頸內動脈病變性質的判斷，以及頸動脈粥樣硬化斑塊的組織學特點及成分分析成為評價頸動脈相關的腦梗死危險度的重要手段[3]。

光學相干斷層成像（optical coherence tomography，OCT）是分辨率較高的血管圖像技術，在冠狀動脈系統(tǒng)已得到廣泛的應用[4]。本文對OCT技術在頸內動脈系統(tǒng)中的研究進展進行綜述，為頸動脈病變性質的判斷提供新的思路。

1 OCT成像技術基本原理

OCT成像技術由美國麻省理工學院的Fujimoto教授領導的研究小組，于1991年在Science上首次報道[5]。OCT采用近紅外光作為光源，對人體無害。光源發(fā)出的光線分為兩束，一束稱為信號臂，其發(fā)射到被測物質，如血管壁；一束稱為參考臂，其發(fā)射到參照反光鏡上。將信號臂與參考臂反射回來的兩束光信號疊加，當信號臂與參考臂的長度一致時，就會發(fā)生干涉，從而獲得高分辨率圖像。由于組織性狀不同，從組織中反射回來的光信號顯示的強弱不同。信號臂的反射光與參考臂的反射光信號疊加，當光波頂點一致時信號增強（干涉增加），當光波頂點方向相反時信號減弱（干涉消減）。由于信號臂和參考臂長度相同時才能產生干涉值，因此可以通過改變反光鏡的位置來改變參考臂的長度，繼而得到不同深度的組織信號。這些光信號經過計算機處理便可得到組織斷層圖像[5-6]。OCT所獲取的圖像無須復雜的數(shù)學計算和圖像重建。

根據(jù)成像工作原理，OCT可以分為時域OCT（time domain OCT，TD-OCT）和頻域OCT（frequency domain OCT，F(xiàn)D-OCT）[6-7]。TD-OCT是把在同一時間內從組織中反射回來的光信號疊加、干涉，然后成像。其利用高速旋轉的齒輪反光鏡來改變參考臂的長度，從而對不同深度的組織進行掃描成像。由于TD-OCT采用的機械移動反光鏡的方法速度有限，其對搏動性血管的掃描速度和圖像質量均有影響。FD-OCT的參考反光鏡固定不動，通過改變光源光波的頻率實現(xiàn)信號的干涉。由于取消了機械移動部件，利用電子掃描方式，F(xiàn)D-OCT的掃描成像速度大大提高，信噪比也得到改善。

2 頸動脈系統(tǒng)OCT成像方法

由于頸動脈位置較深，無創(chuàng)的OCT成像技術在判斷頸動脈血管內病變時難度較大。Vikramaditya Prabhudesai[8]在2006年應用無創(chuàng)的OCT技術在體外對10例切除后的頸動脈斑塊進行檢測。通過和病理切片比較發(fā)現(xiàn)，在斑塊的外表面進行OCT掃描能夠清楚識別斑塊的鈣化、膽固醇結晶、脂質沉積等特點，而對內膜情況以及纖維帽的識別不理想。

Marco Zimarino等[9]于2007年在新西蘭兔模型中，應用體內OCT技術對14例頸動脈斑塊進行了研究，結果顯示體內OCT能夠清楚識別Ⅲ型斑塊，但對早期的頸動脈粥樣硬化的識別度有限。2010年，Shinichi Yoshimura等[10]報道了血管內OCT技術在人體頸動脈系統(tǒng)中的首次應用，在這例個案報道中，研究者應用血管內OCT對一名83歲男性患者的右側頸內動脈血栓進行掃描，認為血管內OCT在頸動脈血栓形成的判斷以及指導后續(xù)治療中具有重要應用價值。由于OCT發(fā)出的近紅外線不能透過血液，不透明的血液會對OCT的光學信號造成衰減，無法清晰顯示血管壁的結構改變。因此，頸動脈血管內OCT成像的圖像質量與血管內血液的清除程度有著密切的關系。在這項研究中，為了避免血液干擾，獲取清晰圖像，采用了血管近端球囊阻斷血流的方法，該方法在一定程度上增加了手術風險[10]。

為了評價OCT技術在頸動脈支架置入術（carotid artery stenting，CAS）過程中的安全性，Carlo Setacci等[11]于2012年采用非血管阻塞技術，對25例患者進行了研究。這項研究使用的設備為C7XR FD-OCT系統(tǒng)（LightLab Imaging Inc.）。為了獲得清晰圖像，研究者采用血管沖洗的方法來減少血液對圖像采集的干擾。研究所用的頸動脈沖洗方案是通過8F導管，將濃度為50%造影劑，以6 ml/s速度，750 psi壓力，總量為24 ml進行高壓團注。與之不同的是，Michael R Jones等[12]針對癥狀性頸動脈狹窄和非癥狀性頸動脈狹窄患者的OCT圖像進行了對比研究。在該研究中，頸動脈沖洗方案是采用100%造影劑，以8 ml/s速度，總量為15 ml，高壓團注，壓力設定為200 psi；或者采用100%造影劑，總量25 ml，用30 ml注射器手動注射，5 s內注射完畢；也可采用肝素化生理鹽水，總量50 ml，用60 ml注射器手動注射，5 s內注射完成。因此，目前尚無標準的血管沖洗方案。

南京軍區(qū)南京總醫(yī)院神經內科研究小組在2015年報道了基于OCT觀察頸動脈脂質斑塊對支架貼壁情況的影響[13]。在該研究中，課題組詳細介紹了血管內OCT在頸動脈系統(tǒng)中的操作程序（圖1）：取頸動脈側位造影，并經由導引導管將微導絲遠端置于C1段以遠。根據(jù)患者血管病變情況，必要時，將腦保護裝置（傘）置于C1段遠段。沖洗并連接OCT成像導管后，將OCT成像導管送入0.014 in導絲。OCT成像導管的定位取決于造影狹窄的位置。由于兩個Marker間距離20 mm，光學透鏡在近端Marker的近端約5 mm，因此要求近端Marker需過病變10 mm。為了取得良好的血液沖洗效果，使導管與所檢測血管的病變部位同軸，適當使指引導管口接近病變近端。在確認獲得圖像清晰有效后，撤出OCT成像導管；若圖像不滿意，重復成像，但應注意造影劑的使用總量。術后通過Off-line Review Software，version C.0.2；St. Jude Medical對圖像進行線下分析（圖2）。

圖1 血管內光學相干斷層成像技術在頸動脈系統(tǒng)中應用流程

圖2 光學相干斷層成像的圖像分析軟件Off-line Review Software，version C.0.2；St. Jude Medical操作界面

3 OCT對頸動脈病變的評價方法

對于動脈粥樣硬化斑塊，OCT的圖像評價標準多來源于其在冠狀動脈中的應用[14]。通過冠狀動脈粥樣硬化斑塊的研究發(fā)現(xiàn)，OCT對于脂質斑塊的診斷具有較高的敏感性（90%）和特異性（92%）[15]。在OCT圖像上，脂質斑塊多表現(xiàn)為邊界不清晰的低信號區(qū)，纖維帽表現(xiàn)為均一的高信號區(qū)。由于OCT的最小分辨率為10 μm，能夠精確地測量斑塊纖維帽的厚度。OCT可以顯現(xiàn)和量化粥樣斑塊中的巨噬細胞成分，判斷炎性細胞局限于纖維帽還是斑塊之中，并對斑塊進行危險分層，進一步識別易損斑塊[16]。在OCT圖像上，易損斑塊組織特點包括大的脂質核心、薄纖維帽（＜65 μm）以及靠近纖維帽的巨噬細胞聚集。纖維斑塊較為穩(wěn)定，表現(xiàn)為均一的高信號區(qū)。混合型斑塊在OCT圖像上表現(xiàn)為不同信號區(qū)域共存，由不同均質成分混合而成，包括脂質成分、纖維成分、鈣化、斑塊破裂以及血栓。鈣化斑塊則表現(xiàn)為邊界清晰、均一的低信號帶，與脂質斑塊的OCT圖像的區(qū)別是脂質斑塊纖維帽的高信號區(qū)與脂質核的低信號區(qū)邊界模糊不清，而鈣化斑塊的邊界較為清晰[4，8]（圖3）。

圖3 應用血管內光學相干斷層成像觀察到的常見的頸動脈病變及頸動脈支架置入術后表現(xiàn)

同樣，在頸動脈系統(tǒng)中，通過OCT檢查技術，可以對動脈粥樣硬化斑塊中的脂質斑塊、纖維性斑塊、混合型斑塊和鈣化斑塊進行分析。研究證實，OCT技術可對頸動脈狹窄患者的血管狹窄程度進行分析。癥狀性頸動脈狹窄患者的復雜型斑塊發(fā)生率較非癥狀性患者高。Ⅵ型斑塊（即復雜病變，斑塊內可見血腫、出血或血栓）、巨噬細胞浸潤是頸動脈狹窄患者癥狀發(fā)生的獨立危險因素[12]。

此外，頸動脈夾層也是較為多見的頸動脈病變。OCT對頸動脈夾層的診斷敏感性較高，可以發(fā)現(xiàn)血管內的微小夾層。在OCT圖像上，夾層表現(xiàn)為內膜出現(xiàn)不連續(xù)，可撕裂至中膜[17-18]。頸動脈血栓形成也是導致頸動脈狹窄的重要原因。斑塊破裂后可繼發(fā)血栓形成，按照血栓的組成可分為白色血栓和紅色血栓。白色血栓主要由血小板聚集體和白細胞組成，紅色血栓主要由纖維蛋白和紅細胞組成。在OCT圖像上，紅色血栓主要表現(xiàn)為向動脈管腔內突出的單信號高位反向散射投影，而白色血栓則被確定為低位的投影。通過信號強度曲線對紅白血栓的區(qū)分有著90%的敏感性和88%的特異性[10，19-20]。

4 OCT在頸動脈支架置入過程中的應用

在新西蘭兔模型中，在頸總動脈支架釋放以后，應用OCT可以獲取血管橫斷面圖像，并清晰顯示支架支撐桿[21]。和病理切片比較發(fā)現(xiàn)，支架支撐桿的識別率為93.7%。在支架置入后血管內膜覆蓋厚度的識別上，OCT圖像測量值（0.135 mm，標準差=0.079）與病理切片測量值（0.145 mm，標準差=0.085）相似且密切相關（r=0.85，P＜0.001）。目前，在CAS過程中，可以在術前對頸動脈病變性質進行評估，在術后對支架釋放情況進行評估。頸動脈支架置入過程中，由于受到數(shù)字減影血管造影（digital subtraction angiography，DSA）二維平面成像的局限性，難以對支架的釋放情況、支架與血管內膜之間的關系進行直觀評估。OCT所采用的近紅外線光源，不能透過含有金屬的支架支撐桿，因此支架支撐桿在圖像上表現(xiàn)為支架內壁反射產生的高亮度散亂光，支架支撐桿背面有反射陰影。OCT圖像的高分辨率使CAS后的支架貼壁不良、支架擴張不全、內膜組織脫垂等常見情況得以清晰呈現(xiàn)[11，13]。

支架貼壁不良是指支架支撐桿與血管壁之間的分離，可引起局部血流渦流，增加亞急性血栓的風險[22]。支架貼壁不良也可以延遲損傷血管的愈合過程，導致后期血栓形成。OCT圖像可以通過測量支架支撐桿的中間部位離血管壁的距離來判斷支架貼壁是否良好。研究認為，根據(jù)頸動脈支架的支撐桿的厚度，支架貼壁良好時，支撐桿與管壁之間的距離為10～200 μm；支架貼壁不良時，支撐桿與管壁之間的距離＞200 μm；支架內陷時，支架支撐桿的整個厚度陷入血管內膜，支撐桿與管壁之間的距離＜10 μm[11，13]。

支架擴張情況可以有不同表現(xiàn)類型，主要包括充分擴張、不完全擴張、不對稱擴張或過度擴張。支架擴張不全常常發(fā)生在血管有纖維鈣化斑塊或鈣化斑塊區(qū)域。在OCT圖像分析過程中，通常將支架支撐桿之間的距離＞200%時定義為支架分布不規(guī)則，支架不對稱擴張[11]。在CAS過程中，常見的與支架有關的血管損傷主要有組織脫垂纖維帽或內膜損傷。組織脫垂為組織突入至支架間隙，進入血管腔內或與相鄰支架支撐桿連接。當斑塊表面的內膜連續(xù)性遭到破壞時，可認為出現(xiàn)纖維帽破損[23]。

在CAS過程中，OCT可以識別術后的支架內急性血栓形成[24]（圖3）。在CAS的術后隨訪中，OCT檢查可以進一步評價CAS術后內膜覆蓋情況。如果支架支撐桿表面內膜增殖少，OCT可以見到支架支撐桿表面有一薄層的內膜覆蓋。如果支架支撐桿表面內膜增殖明顯，所覆蓋的內膜組織大多表現(xiàn)為均勻光亮的組織（圖3）。

5 前景與展望

目前，血管內OCT技術的應用多在腦血管介入診療的過程中同時開展。隨著OCT技術的不斷提高，其獲取的圖像越來越清晰，能夠獲得的病變信息越來越多。雖然血管內OCT檢查對術者有一定的操作技能要求，但其操作步驟和其他血管內治療技術相比并不復雜，也不會增加過多的操作時間。OCT可在介入手術中輕松并入，術者無須接受較多的附加培訓。這使得OCT技術在頸內動脈系統(tǒng)的應用有著廣闊的前景。

在頸動脈血運重建內膜剝脫術對比支架置入術的隨機臨床試驗（Carotid Revascularization Endarterectomy versus Stenting Trial，CREST）研究中，頸動脈病變性質的評估主要依賴血管造影圖像，能夠獲得病變信息較為有限，不能對斑塊或其他病變的性質進一步評估判斷[25]。在今后的臨床研究中，通過OCT技術可以在CAS術前對患者的病變情況詳細評估，預測支架釋放后對病變的影響，選擇出更適合行CAS的患者，從而降低CAS手術并發(fā)癥。不同的病變特征與不同類型頸動脈支架之間的關系會有所區(qū)別，例如，對于脂質斑塊而言，閉環(huán)支架導致的斑塊脫垂的可能性會相對較小。而CAS后血管結構的變化與患者的臨床預后的關系尚不清楚，因此在今后可以基于OCT技術，設計臨床試驗，進一步探討CAS后血管結構的變化與患者臨床預后之間的關系。CAS術后內膜過度增厚是頸動脈支架后血管再狹窄的常見原因，OCT可以在術后復查中對支架內再狹窄患者的內膜厚度進行精確測量，結合患者的臨床特征，對支架內再狹窄的病理機制和預防治療進行探討。隨著支架工藝的升級，會有一些新型頸動脈支架不斷上市。通過OCT技術可以在研發(fā)階段，對新型支架在血管內的細節(jié)表現(xiàn)進行觀察記錄，為后期臨床試驗積累資料。此外，對于血管炎等頸動脈病變，應用OCT技術可以獲得更多的病變信息，并能指導臨床治療。

目前血管內OCT技術在頸動脈系統(tǒng)中的應用還有一些不足，主要包括：成像導管較為昂貴，不能在臨床廣泛推廣；成像效果對血管要求較高，對于頸動脈較粗的患者，血液沖洗不夠充分，成像范圍有限，圖像質量較差；掃描范圍較為有限，目前僅能在頸動脈起始部約5 cm的范圍內進行掃描，較長病變的圖像不能完全獲取。但OCT技術本身也在不斷發(fā)展，圖像掃描速度和成像質量都會進一步提高。在動物實驗中，新型的FD-OCT可以獲得100 000～200 000 axial scans/s的掃描速度[26]。今后的血管內OCT可以每秒獲得200幀圖像，這可以縮短操作時間，掃描更長的病變，獲得更多的圖像信息。此外，應用后期圖像處理軟件，可以基于OCT軸位圖像重建3D圖像，更加充分地展示血管內病變結構，并通過數(shù)學運算，獲取腦血管血流儲備分數(shù)[27]。此外，可以依據(jù)大量的圖像特征，借助人工智能技術，對動脈粥樣硬化斑塊性質以及其他常見頸動脈病變進行自動識別，輔助臨床診斷。

綜上，血管內OCT技術可以在頸動脈系統(tǒng)中得以應用。通過OCT技術可以獲取高分辨率圖像，繼而對頸動脈病變進行詳細評估。在頸動脈支架置入過程中應用OCT技術可以對支架的釋放情況和釋放后的血管結構變化進行評估。隨著OCT技術的發(fā)展，其在頸動脈系統(tǒng)中的應用有著較為廣闊的前景。

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