腦血管原位顯微成像——一種可用于神經(jīng)血管成像的HF-OCT系統(tǒng)

血管內(nèi)成像已經(jīng)成為治療冠狀動(dòng)脈和外周動(dòng)脈疾病的有效工具，然而對于腦組織中曲折的血管結(jié)構(gòu)，還沒有安全可靠的成像方案。中風(fēng)的血管內(nèi)治療需要在圖像指導(dǎo)下進(jìn)行，分辨率不足致使無法對潛在的動(dòng)脈病理和治療設(shè)備進(jìn)行充分評估。因此高分辨率在腦血管疾病的研究、診斷和治療中具有重要意義。來自美國的研究人員Giovanni J. Ughi等設(shè)計(jì)了一個(gè)用于神經(jīng)血管的高頻OCT（HF-OCT）系統(tǒng)，能以接近10 μm的分辨率在曲折的腦血管結(jié)構(gòu)中快速采集三維顯微數(shù)據(jù)，結(jié)合使用體外、離體和體內(nèi)模型，證實(shí)HF-OCT可用于腦血管成像。該成果以“A neurovascular high-frequencyoptical coherence tomography system enables in situ cerebrovascular volumetricmicroscopy”為題發(fā)表于NATURE COMMUNICATIONS。
 

研究背景
 

微創(chuàng)治療在臨床應(yīng)用中獲得了長足發(fā)展，但對于腦動(dòng)脈和動(dòng)脈瘤的血管內(nèi)治療仍然存在局限性，這在很大程度上與可視化技術(shù)發(fā)展程度有關(guān)。無創(chuàng)成像技術(shù)無法提供足夠的分辨率來充分評估潛在的動(dòng)脈病理、小穿孔動(dòng)脈、設(shè)備-血管關(guān)系以及設(shè)備相關(guān)效應(yīng)（如血小板聚集）。常規(guī)的血管內(nèi)成像方案可用于冠狀動(dòng)脈和外周動(dòng)脈的成像，但并不適用于腦血管。
 

已知有很多用于大腦血管系統(tǒng)的血管內(nèi)裝置，如自膨脹微型帳篷和支柱小至25 μm的分流器，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對寬頸、復(fù)雜的腦動(dòng)脈瘤的治療。然而設(shè)備的精確放置對治療效果和預(yù)防致殘并發(fā)癥來說非常重要。鑒于這些設(shè)備的x射線衰減有限，需要沿設(shè)備分布標(biāo)記物以提供熒光鏡定位指導(dǎo)，但也做不到在設(shè)備內(nèi)部對其進(jìn)行整體成像。
 

在對因大血管閉塞而患缺血性中風(fēng)的患者護(hù)理中，血管內(nèi)血栓切除術(shù)已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)。磁共振血管壁成像等非侵入性成像技術(shù)已經(jīng)用于評估血栓形成后的血管損傷，或檢測潛在的病理情況如顱內(nèi)動(dòng)脈粥樣硬化，然而這些技術(shù)的分辨率不足以直接觀察到顱內(nèi)動(dòng)脈粥樣硬化等血管病理，或是內(nèi)皮損傷、穿通動(dòng)脈血栓形成等。
 

三維顯微術(shù)能夠在體內(nèi)整體觀察神經(jīng)血管裝置和血管壁的微觀結(jié)構(gòu)，在血管內(nèi)神經(jīng)外科中可得到廣泛使用。內(nèi)窺鏡光學(xué)成像技術(shù)具有接近微米級的分辨率，并可結(jié)合到小型光纖探頭中，很有希望應(yīng)用于臨床。血管內(nèi)光學(xué)相干斷層掃描（OCT）或光學(xué)頻域成像（OFDI）能夠準(zhǔn)確測量冠狀動(dòng)脈腔形態(tài)和疾病嚴(yán)重程度。此外，OCT/OFDI已被廣泛用于研究新一代冠狀動(dòng)脈內(nèi)支架裝置。除冠狀動(dòng)脈應(yīng)用之外，血管內(nèi)成像有可能徹底改變腦血管疾病的診斷和治療，然而到目前為止，還沒有合適的成像導(dǎo)管能用于彎曲度較高的顱內(nèi)脈管系統(tǒng)成像。因此，目前血管內(nèi)成像僅應(yīng)用于少數(shù)彎曲度有限的患者的后循環(huán)和頸內(nèi)動(dòng)脈的近段非彎曲段。此外，現(xiàn)有裝置的視野（即獲得的圖像直徑）不足以表征直徑為5 mm或更大的大型復(fù)雜頸動(dòng)脈和顱內(nèi)動(dòng)脈瘤。因此本研究介紹了一種用于神經(jīng)血管的HF-OCT成像系統(tǒng)，包括一個(gè)成像控制臺(tái)和一個(gè)為腦血管用途設(shè)計(jì)的光纖內(nèi)窺鏡探頭，以實(shí)現(xiàn)腦血管體內(nèi)體積顯微術(shù)。結(jié)合體內(nèi)、體外及離體模型，證明了該系統(tǒng)在神經(jīng)血管成像研究中的應(yīng)用性。
 

結(jié)果與討論
 

01-一種高分辨率的神經(jīng)血管內(nèi)窺成像系統(tǒng)
 

本研究使用一個(gè)HF-OCT成像控制臺(tái)原型，一個(gè)用于神經(jīng)血管體積顯微術(shù)的內(nèi)窺鏡探頭原型。引入的探頭名為Vis-M，是一種可彎曲的、外徑0.016英寸（~400 μm）的絲狀導(dǎo)管，設(shè)計(jì)用于在彎曲的顱內(nèi)結(jié)構(gòu)中行進(jìn)，且Vis-M設(shè)備不需要導(dǎo)絲導(dǎo)航，可沿遠(yuǎn)端神經(jīng)血管導(dǎo)管輸送。將輸入探頭以特定速度拉回，通過在Vis-M保護(hù)套內(nèi)快速旋轉(zhuǎn)的成像鏡頭，以接近10μm的軸向分辨率對周圍動(dòng)脈和設(shè)備進(jìn)行連續(xù)螺旋成像（圖1）。該成像方式設(shè)備小巧靈活，能夠在彎曲度較高的血管中順利行進(jìn)并成像，且圖像質(zhì)量可靠，這是現(xiàn)有的IVUS和IVCOT技術(shù)無法達(dá)到的。

 

圖1顱內(nèi)血管HF-OCT成像原理。Vis-M設(shè)備縮回的同時(shí)快速旋轉(zhuǎn)其內(nèi)部光學(xué)器件，形成螺旋掃描模式。

  02-體外模型中威利斯環(huán)的血管清除
 

紅細(xì)胞會(huì)散射光并降低其相干性，研究人員使用Omnipaque 350從血管腔中置換出動(dòng)脈血以采集HF-OCT圖像。以5 mL/s的速度沖洗達(dá)到頸內(nèi)動(dòng)脈血液完全清除，并在沖洗后約2-3 s觀察。清除大腦中動(dòng)脈和椎動(dòng)脈的速率為3 mL/s，基底動(dòng)脈為5 mL/s。因此持續(xù)時(shí)間為2 s的HF-OCT采集需要至少灌注4 s以達(dá)到清除動(dòng)脈，使頸內(nèi)動(dòng)脈以5 mL/s注射20 mL造影劑，大腦中動(dòng)脈以3 mL/s注射12 mL造影劑，與臨床三維血管造影術(shù)方案類似。
 

 03-體內(nèi)對彎曲度增高的血管的成像
 

使用彎曲的豬前肢模型（n=8）得到嚴(yán)重彎曲的肱動(dòng)脈，其曲率類似于人體頸內(nèi)動(dòng)脈虹吸管。在雙側(cè)肱動(dòng)脈（n=16）中對Vis-M設(shè)備進(jìn)行測試，獲得有效成像長度為65 ± 13 mm的HF-OCT數(shù)據(jù)集，且沒有觀察到NURD偽影（圖2）。獲得的無失真圖像血管壁照明均勻，能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)組織層的精確可視化，如內(nèi)部和外部彈性層、詳細(xì)的管腔解剖和兩個(gè)側(cè)支口（圖2b，c）。
 

圖2豬肱動(dòng)脈前肢模型的活體成像。a. 虛線為Vis-M設(shè)備通過血管的預(yù)計(jì)路徑。b. 血管外部彈性層和血管壁的各個(gè)層的HF-OCT顯微成像圖。插圖可見明亮的內(nèi)膜（i）之后是黑暗的中膜（m）和明亮的外膜（a）。星號為兩個(gè)側(cè)支的開口，直徑分別為0.2和0.7 mm。c. 箭頭為HF-OCT裝置在動(dòng)脈腔內(nèi)的偏心位置。圖像照明均勻且無NURD偽像。

  04-體內(nèi)神經(jīng)血管支架和分流器的成像
 

在豬上頜內(nèi)動(dòng)脈（IMAX，n=16）植入分流支架（FDS，n=16）和自膨式顱內(nèi)支架（ICS，n=15），比較DSA、CBCT和HF-OCT的成像效果。使用Fleiss' kappa評估3種專業(yè)圖像閱讀器間的一致性。對沿分流支架表面形成的急性血栓評估值分別為0.90（HF-OCT）、0.67 （CBCT）和0.49（DSA）；貼合不良的診斷情況的評估值分別為0.87（HF-OCT）、0.67（CBCT）和0.18（DSA）。自膨式顱內(nèi)支架裝置中血栓積聚的一致性分別為0.81（HF-OCT）、0.39 （CBCT）和0.71（DSA），貼合不良的一致性分別為0.78（HF-OCT）、0.45（CBCT）和0.41（DSA）。
 

植入分流支架后的成像數(shù)據(jù)舉例如圖3。HF-OCT捕捉到血栓積聚和裝置貼合不完全（圖3a）。同樣也精確描繪出了由多個(gè)血栓覆蓋的側(cè)支閉塞和分流支架邊緣貼合不良（圖3b，c）。三維內(nèi)窺鏡數(shù)據(jù)渲染發(fā)現(xiàn)兩個(gè)被分流支架限制的穿支樣分支（圖3d），包括在它們的口部有無凝塊（圖3e，f）。
 

圖3豬上頜內(nèi)動(dòng)脈支架的HF-OCT渲染圖。a. HF-OCT三維剖面渲染（頂部=遠(yuǎn)端；底部=近端），可見分流支架錯(cuò)位（箭頭）和不同大小的凝塊（紫色）。b.橫斷面HF-OCT成像，顯示分流支架表面有一個(gè)狹窄的分支（星號）和幾個(gè)血栓形成（箭頭）。c.分流支架近端邊緣存在不完全附著（3點(diǎn)鐘方向）且裝置表面有幾個(gè)凝塊（箭頭）。d. HF-OCT渲染的內(nèi)窺鏡視圖�？梢姳环至髦Ъ軗踝〉男〉目讟觽�(cè)支。e.位于圖像左側(cè)的側(cè)支（星號）沒有凝塊，分流支架很好的貼合于母動(dòng)脈上。f.位于右側(cè)的第二個(gè)分支（箭頭）嵌入了凝塊。三維渲染配色方案：紅色，動(dòng)脈壁；紫色，血塊；銀色，金屬支架。
 

HF-OCT和相應(yīng)的DSA和CBCT成像圖比較如圖4和圖5所示。小至30 μm的血栓（圖4b、c，圖5b）、裝置貼合不良（圖4e、f）和側(cè)支血栓形成（圖5a、c），HF-OCT都能捕獲到，但對應(yīng)的DSA和CBCT圖像上看不到。
 

圖4HF-OCT成像與DSA的比較。a.使用分流和神經(jīng)血管支架的上頜內(nèi)動(dòng)脈DSA。箭頭為支架段，裝置存在部分重疊。b.對應(yīng)的HF-OCT圖像觀察到分支處分流支架上的血栓形成（箭頭）。c.分流支架支柱和顱內(nèi)支架重疊部分上的血栓形成。d.放置了分流支架的第二上頜內(nèi)動(dòng)脈的DSA。對應(yīng)的HF-OCT圖像顯示出設(shè)備貼合不良，最大偏移分別為-0.35 mm（e）和0.45 mm（f）。
 
圖5橫斷面HF-OCT圖像與對應(yīng)的CBCT切片比較。a. HF-OCT圖像可見一個(gè)側(cè)支血栓（箭頭）。b. HF-OCT圖像1點(diǎn)至8點(diǎn)方向之間，可見最大嚴(yán)重程度約400 μm的分流支架錯(cuò)位，支架上形成厚度30-220 μm的小血栓（箭頭）。c.一個(gè)大的側(cè)分支入口處的血栓。通常的CBCT圖像上無法發(fā)現(xiàn)血栓和裝置錯(cuò)位。HF-OCT圖像比例尺1 mm。CBCT圖像中星號（*）表示側(cè)支的位置。


圖6進(jìn)一步展示了HF-OCT評估體內(nèi)神經(jīng)血管裝置微米級特征的能力，包括兩個(gè)重疊設(shè)備之間的交互。此外還有側(cè)支口脫落的血栓，以及由于錯(cuò)位的分流支架近段邊緣血栓形成嚴(yán)重而引起的部分血管閉塞（圖6b、e）。
 
圖6與分流支架遠(yuǎn)端部分重疊的顱內(nèi)支架的HF-OCT顯微圖。a.三維渲染圖，有明顯的血栓積聚。b. HF-OCT顯微顯示血管壁微結(jié)構(gòu)，包括由明亮的內(nèi)膜（i）、低散射的中膜（m）和外膜（a）。綠色箭頭為內(nèi)部彈性層（IEL）和外部彈性層（EEL）。c.大分支內(nèi)漂浮著一個(gè)從裝置表面脫落的血栓（星號）。d.分布在分流支架表面的厚度100-200 μm的血栓（星號）。e.分流支架近端嚴(yán)重錯(cuò)位（> 500 μm）處的半閉塞凝塊（星號）。三維內(nèi)窺鏡渲染配色：紅色，動(dòng)脈壁；紫色，血塊；銀色，分流支架；灰色，神經(jīng)血管支架。

 05-大動(dòng)脈成像
 

為研究HF-OCT對大頸動(dòng)脈成像的能力，額外進(jìn)行了一組豬頸總動(dòng)脈支架植入術(shù)（n=5）。發(fā)現(xiàn)支架段的直徑平均5.5 ± 0.3 mm，最大直徑5.9 mm，且Vis-M裝置視野內(nèi)照明充足，能夠準(zhǔn)確評估支架-血管的相互作用。
 

顱內(nèi)動(dòng)脈粥樣硬化的成像

從70歲以上有血管疾病史的患者遺體中獲得病變的顱內(nèi)動(dòng)脈段（n=10），成像并選擇出三種主要斑塊類型的動(dòng)脈段做進(jìn)一步對比分析。發(fā)現(xiàn)了具有代表性的動(dòng)脈粥樣硬化性病變，即纖維鈣化性病變和壞死性核心病變（n=3）。通過組織病理學(xué)技術(shù)處理組織，并使用不同染料染色。由一名未見HF-OCT成像結(jié)果的血管病理學(xué)家對染色切片進(jìn)行分析，并對斑塊和組織類型進(jìn)行表征，結(jié)果均與HF-OCT一致。
 

圖7a為一名97歲患者遺體大腦中動(dòng)脈的纖維斑塊。HF-OCT圖像中動(dòng)脈壁上較厚區(qū)域?yàn)槔w維化組織，在近紅外光譜中顯示出增強(qiáng)的光學(xué)后向散射和均勻的強(qiáng)度。組織病理學(xué)評估將認(rèn)為該斑塊主要由纖維化織組成（圖7b，c）。圖7d為包含壞死核的斑塊，壞死核在HF-OCT圖像上被識(shí)別為動(dòng)脈粥樣硬化斑塊內(nèi)一塊邊界不清晰的信號不良區(qū)域，即壞死組織在近紅外范圍內(nèi)呈現(xiàn)強(qiáng)光學(xué)衰減，導(dǎo)致圖像強(qiáng)度信號隨著進(jìn)入組織的距離而快速下降，遮蔽了位于后面的血管壁區(qū)域。組織學(xué)檢查認(rèn)為這是個(gè)纖維化的斑塊并包含壞死核及潛在的介質(zhì)變性（圖7e，f），與HF-OCT結(jié)果一致。
 

圖7大腦中動(dòng)脈離體段的顱內(nèi)斑塊。a.動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的HF-OCT成像圖。b.三色染色圖。c. Movat’s染色圖。d.含壞死核心的斑塊的HF-OCT成像圖。星號表示血管壁剝離。e. H&E染色圖。f. Movat’s染色圖。

 在一名86歲患者遺體的硬膜內(nèi)靜脈遠(yuǎn)端發(fā)現(xiàn)了顯微鈣化斑塊。HF-OCT顯示纖維鈣化斑塊含有纖維化和鈣化的組織，特征為信號差且不均一，但邊界清晰。圖8b為一個(gè)纖維鈣化斑塊，其圓周分布為87°，最大厚度約900 μm。組織病理學(xué)評估也認(rèn)為斑塊屬于鈣化，與HF-OCT圖像評估一致。

 

圖8硬膜內(nèi)椎動(dòng)脈中的顱內(nèi)纖維鈣化斑塊。a. 圖像中可見兩個(gè)纖維鈣化斑塊。位于11點(diǎn)鐘位置的一個(gè)較小的斑塊，鈣的厚度在100到300μm之間。大斑塊鈣最大厚度為900 μm，位于圖像的左下象限。b. 放大顯示斑塊微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)微細(xì)節(jié)，包括內(nèi)部和外部邊界。在HF-OCT中，鈣化組織的特征是邊界清晰的區(qū)域，信號較弱且不均勻，這是由低的光學(xué)后向散射和低的吸收系數(shù)造成的。

全文小結(jié)

本研究中引入的神經(jīng)血管HF-OCT系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)顱內(nèi)動(dòng)脈的光學(xué)顯微檢查。結(jié)合威利斯環(huán)模型和不同注射方案，可以對不同位置的神經(jīng)血管進(jìn)行靜脈光學(xué)成像。系統(tǒng)中的Vis-M裝置也更適用于高彎曲度的血管。與先進(jìn)的成像模式如DSA和CBCT相比，HF-OCT在對血管腔內(nèi)血栓的定量以及神經(jīng)血管裝置與動(dòng)脈壁之間相互作用的評估時(shí)，結(jié)果一致性更高。此外HF-OCT還能顯示血管壁微結(jié)構(gòu)，包括顱內(nèi)動(dòng)脈粥樣硬化的特征。因此，本研究的結(jié)果將極大促進(jìn)高分辨率血管成像在腦血管臨床中的應(yīng)用。


  參考文獻(xiàn)：Ughi, Giovanni J. , et al. "A neurovascular high-frequency optical coherence tomography system enables in situ cerebrovascular volumetric microscopy." Nature Communications 11.1(2020).