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單掃描血管成像技術(shù)——光譜對比OCT血管造影術(shù)(SC-OCTA)

閱讀:1357        發(fā)布時間:2022-5-17

通常的OCT血管造影術(shù)依靠運動來產(chǎn)生對比,并且每個掃描點至少需要采集兩次數(shù)據(jù),不僅成像時間較長且受運動狀態(tài)影響較大。美國學(xué)者James A. Winkelmann等提出了一種光譜對比OCT血管造影術(shù)的方法,即使用可見光,利用血管中內(nèi)源物質(zhì)不同的光譜特性,如血紅蛋白,實現(xiàn)單次掃描造影。研究證實該方法不但具有分子敏感性,還能夠成功區(qū)分出淋巴管、血液和組織。研究成果在2019年以“Spectral contrast optical coherence tomography angiography enablessingle-scan vessel imaging"為題發(fā)表于Light: Science & Applications。
 

研究背景
 

OCT是一種無創(chuàng)光學(xué)成像方式,可以微米級分辨率對組織形態(tài)進行三維成像。除結(jié)構(gòu)信息外,對OCT信號的增強處理還能提供功能和分子信息。早期利用血管內(nèi)紅細胞運動反向散射引起的多普勒相移來測量血流速度和描繪血管,稱為Doppler OCT。隨后利用相位方差、順序掃描減法和散斑方差等算法,增強了OCT中的脈管系統(tǒng)對比度。但基于運動的OCT血管造影術(shù)也存在局限性,如對活體動物呼吸和脈搏運動敏感,通常會導(dǎo)致投成像結(jié)果中出現(xiàn)亮帶偽影。

 除基于運動的OCT血管造影術(shù)之外,通過分辨不同光譜的吸收特征的SD-OCT(spectral domain OCT)在成像中也取得極大進展。光譜可見波段OCT成像使生物組織帶上了真彩色。隨著可見光譜OCT的發(fā)展,通過內(nèi)源性造影劑定量血紅蛋白濃度和氧合,通過外源性納米顆粒造影劑獲得分子信息將成為可能。

 本研究提出了一種新穎簡便的血管造影成像的方法,稱為SC-OCTA(spectral contrast OCT angiography)。SC-OCTA利用血紅蛋白的*光譜特征,無需重復(fù)掃描即可進行3D血管造影,不僅能避免之前OCTA普遍存在的基于運動的偽影,并實現(xiàn)了迄今為止最快的SD-OCT血管造影采集速度。此外,這種基于光譜的血管分割方法對血流運動沒有要求,因此能夠?qū)χ寡M織中的脈管系統(tǒng)成像,如心血管疾病中受損脈管系統(tǒng)出血。

 通常生物成像傾向于使用約700-900 nm的近紅外(near-infrared, NIR)區(qū)域,因為相較于大于1000 nm的長波長,短波長能提供更高的OCT軸向分辨率,并且該區(qū)域落在“光學(xué)窗口"內(nèi)。在“光學(xué)窗口"中,水和血紅蛋白的吸收最小,使得光波能夠高度滲透入組織中。這不但使得NIR OCT系統(tǒng)能夠深入組織,同時降低了對血液和組織散射光譜特征的敏感性。血液吸收系數(shù)在400-600 nm內(nèi)會高兩個數(shù)量級,組織散射系數(shù)也會約為正常的兩倍,這使可見光OCT系統(tǒng)對血液氧化敏感,能獲得更高的圖像對比度。

 SD-OCT通過對獲取的干涉記錄進行傅立葉變換來獲取不同深度的樣本信息(圖1a)。通過短時傅里葉變換(STFT)對光譜進行二次采樣,獲得光譜相關(guān)的OCT A-line。因此,通過觀察550-600 nm光譜相關(guān)OCT圖像強度的對比度,可以在空間上觀察到血液和組織的相反光譜斜率。研究人員在557和620 nm處發(fā)現(xiàn)Kaiser窗口,其半峰全寬(FWHM)約為38 nm,在血液和周圍組織之間呈現(xiàn)高光譜對比度。

  

結(jié)果與討論
 

為驗證SC-OCT的成像能力,研究人員選擇人體下唇粘膜(唇內(nèi)側(cè))進行了成像對比研究。通過兩個Kaiser窗中OCT圖像強度的比值(620 nm除以557 nm),獲得人體下唇粘膜的體內(nèi)B-scan(圖1b),以下稱為SC-OCTA。在557 nm處的逆向OCT強度圖像中,以下稱為反向557 nm圖像,由于在可見范圍內(nèi)的高對比度和高吸收,可輕易觀察到血管。對于OCT系統(tǒng),557 nm窗口和620 nm窗口的軸向分辨率分別為3.80和4.72 μm。根據(jù)比爾定律和米氏理論模擬,SC-OCTA方法只需一次掃描就能掃描到直徑約4 μ m的毛細管。

 為證實毛細血管成像能力,比較了反向557 nm和SC-OCTA正面投影與傳統(tǒng)的OCTA相位和振幅對比結(jié)果(圖1c)。發(fā)現(xiàn)幾種成像圖中都可以看到唇粘膜中相同的八個毛細血管環(huán),但傳統(tǒng)OCT血管造影術(shù)需要對樣本進行至少兩次掃描。獲取傳統(tǒng)OCTA數(shù)據(jù)需要18.2 s,SC-OCTA數(shù)據(jù)需要4.5 s。傅里葉環(huán)相關(guān)分析得到傳統(tǒng)OCTA的有效分辨率為20.19 μm,反向557 nm的有效分辨率為12.2 μm,SC-OCTA的有效分辨率為8.92 μm。這一分析表明相較于OCTA,反向557 nm和SC-OCTA對體內(nèi)運動不敏感。唇粘膜的詳細大視野證明了SC-OCTA在每個點掃描位置僅用一條A-line就能分辨出小動脈和毛細血管(圖1d,e)。此外反向557 nm圖像無法區(qū)分低散射結(jié)構(gòu)和血紅蛋白吸收,圖1d中可見白色箭頭所示的唾液腺導(dǎo)管,但在SC-OCTA圖像中不可見(圖1e)。



 

 

圖1 人唇粘膜的活體成像。a.可見光OCT系統(tǒng)的簡化示意圖,可獲得樣本的3D光譜信息。b-e.健康志愿者唇粘膜(下唇)的活體成像。b.反向557 μm和反向620 μm的B-scan及其相應(yīng)的STFT窗口,以及顯示每個血管對比陰影的SC-OCTA B-scan。c.表面毛細血管環(huán)的血管造影正面投影與傳統(tǒng)運動對比OCTA(64–111 μm)的比較、反向557 μm(55.6–140 μm)和SC-OCTA(83–209 μm)的表面毛細血管環(huán)的正面投影,及其相應(yīng)的投影強度的比較。d.反向557 nm的3D渲染。e.與圖d同一視場的深度編碼血管圖,包含來自SC-OCTA的飽和度和數(shù)值,以及來自反向557 nm的血管深度色調(diào)。紅色方框為毛細管回路放大圖。d和e中白色箭頭為SC-OCTA正確未識別的唾液腺導(dǎo)管。

  因為SC-OCTA不依靠運動來進行對比,所以它可以對不流動的血液和高度運動的樣本進行成像。研究人員制作了一個直徑約為55 μm的牛血管模型,并記錄了不同流量(圖2)和振動下SC-OCTA和OCTA信號的信噪比。結(jié)果表明,與OCTA相比,SC-OCTA信號受流動的影響不顯著,因此可以對高度運動的樣本成像。

 


 

圖2 牛血管模型成像。不同流動條件下SC-OCTA和OCTA的正面投影和相應(yīng)的信噪比。SC-OCTA(流動:22.76 ± 1.42;2 min:21.99 ± 1.95;15 min:14.08 ± 1.30)。OCTA(流動:7.69 ± 1.13;2 min:5.74 ± 1.21;15 min:2.35 ± 0.60)。在流量測量過程中,模型血液灌注量為0.0006 μL/s,然后在停止灌注后2 min和15 min進行測量??梢娫诠嘧⑼V购? min,SC-OCTA信噪比沒有受到顯著影響,但15 min后由于血液濃度降低,信噪比受到顯著影響。
  為證明SC-OCTA在止血情況下的效用,對新處死的小鼠大腸的漿膜表面進行了成像(圖3)。這是已知的shouci使用OCT對具有內(nèi)源性造影劑的非運動血液的組織進行血管造影。結(jié)果表明,OCTA在止血情況下難以分辨出任何血管,而SC-OCTA可以快速檢測到幾個血管(圖3a)。




 

圖3 小鼠大腸漿膜面止血成像。a. SC-OCTA和OCTA的正面投影和B-scan(藍色虛線位置)對比。白色箭頭為SC-OCTA(56–280 μm)和OCTA(28–33 μm)探測到的同一血管。可見在止血的情況下,SC-OCTA成像效果依舊良好,而OCTA甚至難以識別出大血管。b.大視野SC-OCTA,帶有飽和度和值以及反向557 nm的血管深度色調(diào)。圖為漿膜表面成像,位于大腸管腔側(cè)表面正下方的低信號毛細血管環(huán)在SC-OCTA掃描中未能清晰顯示。

  為證明SC-OCTA的分子敏感性,對新處死的小鼠網(wǎng)膜淋巴管和血管(圖4a-d)以及心臟表面進行成像,并將同一心臟表面的成像圖與組織學(xué)成像進行比較(圖4e-g)。發(fā)現(xiàn)SC-OCTA能夠?qū)⒀軓牡蜕⑸涞牧馨凸芎椭炯毎袇^(qū)分出來。結(jié)合SC-OCAT和反向557 nm圖像得到的depth-integrated SC-OCTA,其B-scan能夠在三維空間顯示出血管信息(圖4),能夠在毛細血管水平將唇粘膜脈管系統(tǒng)從唾液腺導(dǎo)管和組織中區(qū)分出來。此外depth-integrated SC-OCTA還展現(xiàn)出冠狀動脈分支成像的能力,并能將其與鄰近的淋巴管區(qū)分開來(圖4e)。高分辨率和對比度還允許對淋巴管進行成像,能夠輕易辨別出其中瓣膜的三尖瓣結(jié)構(gòu)(圖4d)。
 



 

圖4 小鼠血管和淋巴管成像。前腹壁(a-d)。心表面(e-g)。a.反向557 nm、SC-OCTA和depth-integrated SC-OCTA的B-scan比較。綠色箭頭:血管;白色箭頭:淋巴管;紅色箭頭:脂肪細胞。b.側(cè)視剝離圖,depth-integrated SC-OCTA展示血管(綠色),移除血管的反向557 nm展示脂肪/淋巴組織(白色/橙色),全光譜505–695 nm OCT顯示高度散射的組織(灰色)。c.顏色編碼的3D渲染。depth-integrated SC-OCTA(綠色)顯示血管,反向557 nm(白色/橙色)顯示脂肪細胞(紅色星號)和淋巴管(黑色箭頭)。藍色虛線為a橫截面位置。d. c中黑框內(nèi)淋巴管瓣膜1 (LV1)和淋巴管瓣膜2 (LV2)的3D渲染和B-scan橫截面圖,顯示出三尖瓣結(jié)構(gòu)。e.顏色編碼的3D渲染。depth-integrated SC-OCTA (綠色)顯示血管,反向557 nm(白色/橙色)顯示白色淋巴管。f. e的俯視圖,顯示血管分支(黃色箭頭)和淋巴管(白色箭頭)。g.相應(yīng)的免疫熒光顯微圖。

  

全文小結(jié)
 

本研究展示了一種基于可見光譜OCT的血管及組織成像方法,能夠以單次掃描實現(xiàn)分子靈敏度的三維成像。隨著OCTA算法的持續(xù)優(yōu)化,有希望將可視OCT用于內(nèi)窺鏡檢查,以實現(xiàn)具有分子靈敏度的微創(chuàng)體內(nèi)成像。 參考文獻:Winkelmann, James A. , et al. "Spectral contrast optical coherence tomography angiography enables single-scan vessel imaging." Light: Science & Applications 8.1(2019).


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