張春曉，王曉民，楊蕾，劉延梅

山東大學(xué)附屬山東省立醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程部，山東 濟(jì)南 250014

血管內(nèi)光學(xué)相干成像的原理和臨床應(yīng)用

張春曉，王曉民，楊蕾，劉延梅

山東大學(xué)附屬山東省立醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程部，山東 濟(jì)南 250014

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

光學(xué)相干成像；冠狀動(dòng)脈造影；冠狀動(dòng)脈綜合癥；邁克爾遜干涉儀

0 前言

冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性心臟?。–AD），冠狀動(dòng)脈狹窄及急性冠狀動(dòng)脈綜合征（ACS）等心血管疾病是目前威脅人類健康的嚴(yán)重疾病之一?，F(xiàn)在大部分醫(yī)療機(jī)構(gòu)對(duì)于冠狀動(dòng)脈狀態(tài)的檢查通常采用冠狀動(dòng)脈造影（CAG）或者血管內(nèi)超聲（IVUS）等方法對(duì)冠狀動(dòng)脈的復(fù)雜組織斷面（如圖1）進(jìn)行檢測(cè)。冠狀動(dòng)脈造影能夠顯示血管的整體輪廓，有助于分析冠狀動(dòng)脈狹窄的情況，但是無法顯示血管壁的組織結(jié)構(gòu)。而 IVUS 利用超聲探頭進(jìn)入血管內(nèi)掃描，可得到冠狀動(dòng)脈管壁的斷層圖像，不過超聲組織成像過程中會(huì)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(shí)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(jìn)過半年以上的學(xué)習(xí)和臨床經(jīng)驗(yàn)積累。近年來迅速發(fā)展起來的光學(xué)相干成像技術(shù)（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(dòng)脈各種易損斑塊

1 血管內(nèi)OCT技術(shù)的歷史

OCT 的分辨率能夠達(dá)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(dòng)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(cè)出來，只有 OCT 技術(shù)能夠做到這一點(diǎn)[1]。OCT 技術(shù)的分辨率能夠達(dá)到組織病理切片檢查的水平，所以這項(xiàng)技術(shù)也被稱為“光學(xué)活檢”[2]，能夠?yàn)楣谛牟』颊叩臋z查和治療提供很好的依據(jù)。

OCT 技 術(shù)[3]是 在 1991 年 由 美 國(guó) 麻 省 理 工 學(xué) 院 的Huang 等人提出的一項(xiàng)新的成像技術(shù)，并由哈佛醫(yī)學(xué)院的Schuman 等人有限應(yīng)用于眼科疾病的診斷，隨后由研究者們分別應(yīng)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(shù)在心血管系統(tǒng)中的應(yīng)用表現(xiàn)出了良好的成像素質(zhì)，可以清楚地識(shí)別易損斑塊、血栓、支架和內(nèi)膜。這項(xiàng)技術(shù)不但大大提高了冠狀動(dòng)脈疾病診斷的準(zhǔn)確性，并應(yīng)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(fù)過程提供了可靠數(shù)據(jù)支持。

目前國(guó)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(guó) Lightlab Imaging（LLI） 公 司， 該 公 司 的知 識(shí) 產(chǎn) 權(quán) 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(guó) 內(nèi) 的 北 京 協(xié) 和 醫(yī)院、301 醫(yī)院、上海同濟(jì)醫(yī)院等幾十家醫(yī)院使用，手術(shù)量也在逐年增加?，F(xiàn)在全球?qū)＜以诿绹?guó)、歐洲及日本等地建立了很多研究機(jī)構(gòu)，來支持 OCT 技術(shù)在心血管領(lǐng)域的發(fā)展。

2 血管內(nèi)OCT的技術(shù)原理

OCT設(shè)備是以邁克爾遜干涉儀為基礎(chǔ)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(zhǎng)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(shí)會(huì)發(fā)生散射和反射，而不同組織對(duì)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(qiáng)度可以辨別組織類型[4]。

光強(qiáng)探測(cè)器最后接收到的強(qiáng)度 Id為 ：

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

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(cè)器，以及數(shù)字處理器。樣本臂是由一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的光學(xué)耦合器（又稱探頭連接單元，PIU）和成像導(dǎo)絲導(dǎo)管組成圖3，其作用就是將檢測(cè)光引導(dǎo)到所需檢測(cè)的血管壁上。

圖3 OCT成像設(shè)備組成

醫(yī)生操作過程中將阻斷球囊導(dǎo)管和成像導(dǎo)絲送入冠狀動(dòng)脈內(nèi)，通過擴(kuò)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(dǎo)絲在血管內(nèi)進(jìn)行掃描成像。成像完成后，球囊收縮，血液流動(dòng)恢復(fù)，醫(yī)生將球囊導(dǎo)管和導(dǎo)絲退出冠狀動(dòng)脈完成整個(gè)操作。

3 血管內(nèi)OCT在臨床上的應(yīng)用

冠狀動(dòng)脈中的不穩(wěn)定斑塊也稱為易損斑塊是引發(fā)冠狀動(dòng)脈疾病的重要隱患，如巨噬細(xì)胞密度、纖維斑塊和富含脂質(zhì)斑塊的增加會(huì)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(dòng)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(dòng)脈中的易損斑塊情況能夠在早期檢測(cè)心血管疾病及其嚴(yán)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(shù)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(duì)各種斑塊成分具有很高的對(duì)比度。OCT技術(shù)對(duì)于鈣化組織的穿透能力較強(qiáng)，Patwari 等人的研究[6]證明對(duì)于幾乎完全閉塞的冠狀動(dòng)脈斑塊，這項(xiàng)技術(shù)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O(shè)CT成像的實(shí)時(shí)性非常高，而且最大程度上避免了運(yùn)動(dòng)偽影。因此 OCT 技術(shù)的應(yīng)用在冠狀動(dòng)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(duì)于冠狀動(dòng)脈狹窄的患者，醫(yī)生通常會(huì)采用植入支架的方法進(jìn)行治療[7]，在手術(shù)中需要評(píng)估介入手術(shù)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(shù)傷害，臨床治療的研究結(jié)果表明，OCT技術(shù)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(shù)后的康復(fù)過程中會(huì)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(huì)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(shù)后的病人需要定期檢查內(nèi)膜覆蓋情況以確定停藥時(shí)間，以往利用 IVUS 進(jìn)行檢查分辨率不足，現(xiàn)在利用 OCT進(jìn)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(shí)間。

圖7 支架植入后隨訪內(nèi)膜覆蓋的OCT圖像

4 OCT技術(shù)存在的不足和發(fā)展前景

目前OCT技術(shù)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(shù)使用的光源沒有研究一致的標(biāo)準(zhǔn)，而且對(duì)組織的穿透力不足，無法深度探測(cè)組織內(nèi)部病變情況，另外應(yīng)用于血管內(nèi)成像的耗材費(fèi)用昂貴，限制了這項(xiàng)技術(shù)的推廣。

OCT技術(shù)應(yīng)用于體表檢查時(shí)可達(dá)到無創(chuàng)效果，但用于血管內(nèi)檢查時(shí)需要進(jìn)行侵入操作，為防止血液細(xì)胞對(duì)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(dòng)脈夾層和血栓，所以這項(xiàng)操作對(duì)醫(yī)生的操作技術(shù)要求比較高，操作時(shí)動(dòng)作要細(xì)致嫻熟。也因?yàn)檠簩?duì) OCT成像的影響，病人在動(dòng)脈開口部位有病變以及心功能不全的話，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用會(huì)受到限制。

由于 OCT 只能穿透 2～3mm 的表層組織，所以在某些領(lǐng)域的發(fā)展受到限制，于是研究者們正在試驗(yàn)利用 OCT技術(shù)和其他技術(shù)相結(jié)合來完善其不足，其中包括醫(yī)學(xué)超聲 -OCT 內(nèi)窺鏡成像[9]，用于探測(cè)脂肪組織中腫瘤的光聲成像技術(shù)[10]，與多普勒技術(shù)相結(jié)合的光學(xué)多普勒層析系統(tǒng)等[11]?？茖W(xué)家們研究的聲光結(jié)合式探頭，正在進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，相信其發(fā)展前景廣闊。還有建立在OCT和激光掃描偏振計(jì)（SPL）基礎(chǔ)上的偏振敏感光學(xué)相干技術(shù)[12]，這項(xiàng)技術(shù)能夠同時(shí)檢測(cè)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(xiàng)技術(shù)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(dá)到 2～3μm。

OCT技術(shù)有相當(dāng)優(yōu)越的成像效果，相信通過各個(gè)領(lǐng)域各項(xiàng)技術(shù)的結(jié)合，這項(xiàng)技術(shù)會(huì)有很廣闊的發(fā)展前景。

5 總結(jié)

由于 OCT技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在冠狀動(dòng)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(shù)的術(shù)中操作、術(shù)后評(píng)估，以及隨訪檢查等各個(gè)階段發(fā)揮了很好的作用。憑借其高分辨率和實(shí)時(shí)成像速度，這項(xiàng)技術(shù)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(shù)必能發(fā)揮更大的作用。

[1] 劉偉,樊寬章,張長(zhǎng)忠．光學(xué)相干成像技術(shù)及在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用[J]．醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2002,(3):32-36．

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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