Lasers Med Sci：掃頻OCTA監(jiān)測人體口腔病變微血管

口腔粘膜病變種類繁多，可構(gòu)成復雜多樣的損害，同時有些口腔表征也可作為全身性疾病診斷的依據(jù)或線索。華盛頓大學研究人員Wei Wei等開發(fā)了基于光學相干斷層掃描（OCT）的血管造影術（OCTA），以10mm× 10mm視野對人體口腔微循環(huán)組織床內(nèi)的血流進行了成像。在單次3D采集中獲得唇粘膜組織的3D結(jié)構(gòu)和血管圖像。使用OCT斷層影像和血管造影檢查了口腔潰瘍的病理性粘膜部位，并監(jiān)測了為期2周的病變愈合過程。定量評估了固有層內(nèi)毛細血管袢密度，展示了其在健康和患病狀況下的顯著變化差異。此外還對其他易患潰瘍部位的組織解剖結(jié)構(gòu)及血管形態(tài)學進行了成像，如舌、牙槽粘膜和唇系帶，證明了OCT/OCTA在臨床診斷和監(jiān)測口腔組織異常治療中的應用前景。文章以“Microvascular imaging and monitoring of human oralcavity lesions in vivo by swept-source OCT-based angiography”為題發(fā)表于Lasers Med Sci。

  背景

 口腔粘膜疾病是世界上最常見的疾病之一，不僅損害消化功能，還會威脅全身健康。以口腔癌為例，2016年美國約有48,250例新確診病例，全球超過640,000例。不幸的是大多口腔癌患者在相對較晚的階段才發(fā)現(xiàn)，導致平均5年死亡率高達約43%。因此早期癌變的檢測在預防和治療口腔癌中起著重要作用。其他口腔疾病雖不直接威脅生命，但重復的檢查及治療仍會給患者和醫(yī)療保健系統(tǒng)造成沉重負擔。此外糖尿病或維生素缺乏等全身性疾病，以及長期吸煙或飲酒等局部影響也可引發(fā)口腔粘膜生理變化。因此，低成本高效的診斷工具對篩查和診斷口腔異常、分析病變和監(jiān)測病變恢復來說是非常有必要的。

 一般來說口腔疾病臨床診斷由視覺檢查、觸覺評估和侵入性活檢組成。但受到視覺分辨率和主觀標準的限制，醫(yī)生通常很難獲得疾病的詳細狀態(tài)。內(nèi)窺顯微鏡可能幫助提高對粘膜表面檢測的分辨率，但無法觸及更深層的結(jié)構(gòu)/血管，而這些結(jié)構(gòu)/血管的異常通常攜帶有價值的病變信息。光聲顯微術（PAM）在體內(nèi)成像組織微血管特征中具有一定前景，然而口腔粘膜PAM成像的可行性尚未得到證實。

 光學相干斷層掃描（OCT）具有高分辨率、高掃描速度以及適合的成像深度，很適合非侵入性口腔成像。已經(jīng)有很多研究使用OCT分析各種生理性口腔結(jié)構(gòu)，證明了OCT體內(nèi)口腔粘膜疾病成像研究的可行性。雖然OCT在可視化組織形態(tài)方面很有前景性，但無法提供關于血液灌注的信息。眾所周知微循環(huán)支持許多重要功能，從臨床角度來看，毛細血管床是血液和組織之間發(fā)生營養(yǎng)代謝交換的血管區(qū)域。在口腔診斷中，毛細血管袢長期以來一直被用作疾病的臨床指標，如高度發(fā)育不良、原位癌、系統(tǒng)性硬化和浸潤性癌等。特別是對于口腔癌和治療引起的粘膜炎，組織血管對于早期變化的檢測是至關重要的，可用于評估癌邊緣，以及當前臨床條件下是否存在臨床癥狀不明顯的異常。因此正確顯示和分析微血管特征對于改善疾病分期和治療管理至關重要。

 光學相干斷層掃描血管造影術（OCTA）能夠使用內(nèi)源性運動對比產(chǎn)生3D深度分辨血管信息。自從OCTA被引入到口腔組織成像領域以來，使用其可視化脈管系統(tǒng)的報道很少。作為OCTA變體之一，散斑方差OCT（svOCT）血管造影術已被證明能夠描繪唇組織內(nèi)的脈管系統(tǒng)，然而提供的信息有限，只能量化微血管的參與情況。掃頻OCT（SS-OCT）可通過專門設計的前/側(cè)觀察探頭實現(xiàn)對人嘴唇、舌頭和頰粘膜的微血管成像，但2mm× 2mm的視場（FOV）較小，通常不能獲得關于病變組織的有用微血管信息。在臨床實踐中，有必要評估覆蓋100 mm²以上FOV的微血管網(wǎng)絡，才能在相對較大的組織面積上識別潛在的微血管異常，便于進一步檢查和病理分析。

 本文開發(fā)了基于SS-OCT的血管造影系統(tǒng)（圖1），以在人口腔中提供10 × 10 mm²以上的3D微循環(huán)信息。通過對口腔粘膜潰瘍病變（一種常見的口腔粘膜疾�。┻M行成像，發(fā)現(xiàn)潰瘍病變滲透到上皮（EP）和固有層（LP）。此外還檢查了易患潰瘍的各種口腔組織部位的組織形態(tài)學和血管特征，證明了該系統(tǒng)的應用潛力。

 

 

圖1 （a）SS-OCT系統(tǒng)設置示意圖，其中樣品臂終端是一個手工制作的（b）手持探針，用于人體口腔的寬視場OCTA成像。

  結(jié)果

 01-健康人體口腔粘膜組織的體內(nèi)OCT/OMAG成像

 圖2a為健康男性志愿者（27歲）的下唇照片，黃色方框內(nèi)為掃描區(qū)域�？梢娫谏掀ぃ‥P）中沒有觀察到角質(zhì)化，與正常組織學非常一致。在圖2c中，一層薄的基底膜（BM）清楚區(qū)分開了上皮層和下面的固有（LP）層。已知固有層是由膠原和彈性蛋白纖維網(wǎng)絡組成的纖維結(jié)締組織層，進一步分為兩個子層：不同于成纖維細胞松散/緊密連接的乳頭狀和網(wǎng)狀層（對應圖2c中的低/高OCT信號強度）。圖2d顯示了位于固有層內(nèi)的淺叢，以及進入結(jié)締組織乳頭的毛細血管。3D OMAG圖像數(shù)據(jù)集中的正面OCT血管造影照片描繪出了唇粘膜內(nèi)的毛細血管網(wǎng)（圖2e），其中毛細血管袢集中，起源于但近似垂直于固有層中的下層血管叢。如圖2f所示，在更深的網(wǎng)狀層（RL）中可以更清楚地識別出固有層血管叢，可見大血管分支（VL）和小分支（VB）。



 

 

圖2 健康唇粘膜的活體OCT/OMAG圖像。（a）下唇唇粘膜組織照片，黃框為成像區(qū)域。（b）粘膜結(jié)構(gòu)的OCT MIP圖像。（c，d）b，e，f中水平虛線處的OCT截面圖像及對應的OMAG截面圖像。（e，f）乳頭層致密淺表毛細血管袢和網(wǎng)狀層血管叢的OMAG MIP圖像。（g）融合結(jié)構(gòu)（灰色）和脈管系統(tǒng)（黃色）圖像數(shù)據(jù)集的體積式渲染圖。

  02-體內(nèi)OCT/OMAG成像潰瘍病變對人體口腔粘膜組織的影響

 對一名36歲男性志愿者的異常口腔粘膜組織進行了成像，該患者患有復發(fā)性口腔小潰瘍（口瘡性潰瘍）。圖3a為發(fā)生后第7天唇粘膜上的口腔潰瘍，圖3b正面圖像中也可識別出。潰瘍表現(xiàn)為小的、卵圓形的、高反射的組織破裂，邊緣界限清楚（紅斑暈）。橫截面OCT結(jié)構(gòu)圖像和相應OMAG血流圖像從穿過潰瘍中心的位置提取。在潰瘍中觀察到一個蛻皮樣穿孔，圖3c中可見角狀高反射點（紅色箭頭）。出現(xiàn)的散射體被認為是死細胞，是炎癥階段吞噬過程的結(jié)果�？梢越忉尀榭谇粷�瘍誘發(fā)淋巴細胞介導的免疫反應，引發(fā)EP層的崩解和壞死。OMAG圖像中（圖3d）也存在這種散射，意味著OMAG足夠敏感，能夠檢測漂浮在潰瘍空間中的散射體的緩慢運動。在乳頭層的毛細血管網(wǎng)（圖3e）和網(wǎng)狀層的下層血管網(wǎng)（圖3f）中，明顯可見穿孔潰瘍中毛細血管袢大量損失，但潰瘍下方的淺表血管叢中損失較少。

 

 

圖3 出現(xiàn)口腔潰瘍后第7天唇粘膜的體內(nèi)OCT/OMAG圖像。（a）帶有潰瘍（U）的下唇粘膜組織。（b）潰瘍影響區(qū)域的正面OCT MIP圖像。（c）分別在b、e和f中水平虛線處的OCT橫截面和（d）對應的OMAG橫截面圖像，顯示潰瘍穿孔內(nèi)緩慢運動的浮動散射體（紅色箭頭）。（e，f）乳頭層和網(wǎng)狀層內(nèi)的微脈管系統(tǒng)的正面OMAG MIP圖像。（g）融合結(jié)構(gòu)（灰色）和脈管系統(tǒng)（黃色）圖像數(shù)據(jù)集的體積式渲染圖。

 在潰瘍發(fā)生后第11天，OCT/OMAG圖像顯示增殖階段的潰瘍病變在無任何醫(yī)學干預的情況下即出現(xiàn)明顯自愈合，包括病變部位的收縮和上皮層的再上皮化，圖4a-g也可見潰瘍病變中新血管的形成。圖3和圖4中潰瘍區(qū)域均用黃色方塊標出。



 

 

圖4口腔潰瘍發(fā)生后第11天唇粘膜的活體OCT/OMAG圖像。（a）帶有潰瘍（U）的下唇粘膜組織。（b）相應的正面OCT MIP圖像顯示恢復中的粘膜表面。（c，d）分別在b、e和f中水平虛線處的OCT橫截面和相應OMAG橫截面圖像。（e，f）分別是乳頭層和網(wǎng)狀層內(nèi)的微脈管系統(tǒng)的正面OMAG MIP圖像。（g）融合結(jié)構(gòu)（灰色）和脈管系統(tǒng)（黃色）圖像數(shù)據(jù)集的體積式渲染圖。

 

03-體內(nèi)OCT/OMAG成像口腔潰瘍進展
 為觀察口腔潰瘍進展，監(jiān)測了從潰瘍形成到其自然恢復的過程（圖5）。本研究的成像FOV為5mm×5mm，可提供更細致的潰瘍區(qū)域圖像。圖5a.1和a.2可見上皮層表層侵蝕。在第3天（圖5b.2），潰瘍區(qū)域觀察到的血管（綠色箭頭）很少，這可能是因為潰瘍和蓋玻片之間有一個氣泡，類似單透鏡將探測光束聚焦到更深處。在圖5b.1-2和d.1-2中有強OMAG信號穿過病變（黃色虛線圓圈之間的區(qū)域），這可能是因為炎癥發(fā)作后含有免疫細胞的間質(zhì)液飛進潰瘍。然而在第5天，炎癥引起的OMAG信號完全減弱，而潰瘍下面的大部分血管消失（圖5B3，D3）。第7天的活動潰瘍圖像如圖3，但與圖3d不同的是圖5d.4中不可見死細胞或死細胞簇。這可能是因為5mm× 5mm成像模式的B幀速率（200幀/秒）比10mm× 10mm成像模式（160幀/秒）更快，使得對檢測非常緩慢移動的細胞相對不太敏感。之后，如OCT/OMAG結(jié)果（圖5a-d.5至a-d.8）所示，潰瘍穿孔封閉，經(jīng)過1周的傷口愈合（從第9天至第15天），固有層中的損傷基本恢復。但上皮層仍然需要一個多星期才能完全恢復。

 

 

圖5 用于評估2周期間潰瘍病變恢復的體內(nèi)OCT/OMAG圖像。（a.1~a.8）唇組織結(jié)構(gòu)的正面視圖；（b.1~b.8）相應的脈管系統(tǒng)正面視圖，其中白色虛線表示穿過潰瘍病變的（c.1~c.8）橫截面結(jié)構(gòu)圖像和（d.1~d.8）血流圖像。

  04-基于量化毛細血管袢密度評價潰瘍發(fā)展
 已知粘膜毛細血管袢容易受到口腔疾病的影響，其數(shù)量與疾病進展相關。為確定是否可以在OCTA圖像上識別和量化毛細血管袢數(shù)量的變化，研究人員計算了垂直于口腔組織表面的單個毛細血管袢，毛細血管袢在正面OMAG圖像中表現(xiàn)為規(guī)則分布的點或逗號。從OMAG體積數(shù)據(jù)集中分割結(jié)締組織乳頭（約50μm厚）。圖6a.1-8顯示了分割出的每天的乳頭層OCTA血管造影圖片，描繪了分辨率良好的單個毛細血管袢。在圖6a.8中，增殖階段的血管化（紅色箭頭）表明存在活躍的傷口愈合。手動計數(shù)距潰瘍中心給定距離（2.25-3.5mm）處環(huán)形區(qū)域的毛細血管袢，并計算其密度。在同一天測量同一受試者對側(cè)無潰瘍區(qū)的毛細血管環(huán)作為對照。圖6b顯示了受試者健康區(qū)域（紅線）和潰瘍區(qū)域（藍線）中毛細血管袢密度的變化。可以發(fā)現(xiàn)從潰瘍開始（第1天），毛細血管袢密度顯著增加到高于健康水平，然后在第15天下降到相同水平，與幾乎無變化的健康組織趨勢截然不同。
 

 

圖6 （a.1~a.8）淺表乳頭層的OMAG平均強度投影，通過測量毛細血管袢密度定量評估潰瘍發(fā)展。白色弧線間為用于量化的感興趣區(qū)域（ROI）。（b）受口瘡潰瘍影響的區(qū)域（藍線）和對側(cè)健康區(qū)域（紅線）中毛細血管袢密度隨恢復時間的變化（Loops/mm²）。健康唇粘膜組織的毛細血管密度約20.3 Loops/mm²。相比之下，潰瘍組織的毛細血管密度約26.3 Loops/mm²。

  05-不同人體口腔組織的活體OCT/OMAG成像

 人類口腔中有各種易患潰瘍的部位，包括唇粘膜、舌、牙齦、牙槽粘膜和唇系帶。為進一步證明本研究所述儀器的成像靈活性，對另一名健康志愿者（28歲男性）的舌頭、下唇系帶和上唇系帶進行了成像（圖7）。

 圖7b.1可見舌頭粗糙的上表面描繪出的突起，被稱為舌乳頭。根據(jù)圖7c.1，e.1中血管形態(tài)可識別出兩種類型的舌乳頭：寬的蘑菇狀菌狀乳頭（Fungi）和薄的長圓錐狀絲狀乳頭（Fili）。味蕾在菌狀乳頭表面積累以感知味道，菌狀乳頭中有豐富的毛細血管袢，看起來像盛開的花朵，而絲狀乳頭不參與味覺，毛細血管較少。

 口腔檢查時，系帶異常可能是各種口腔綜合征的指標。不正常的系帶也可能影響假牙安裝或保持，給患者造成心理障礙。傳統(tǒng)檢測異常系帶一般是通過視覺，施加張力觀察乳頭尖端的運動或缺血引起的褪色，很大程度上取決于醫(yī)學經(jīng)驗和檢查者的主觀標準。而OCT/OMAG系統(tǒng)很容易克服這些缺點。對粗糙的下唇系帶成像（圖7c.2）發(fā)現(xiàn)，在下系帶和牙槽粘膜中有大量毛細血管，左下角有少量附著齦的毛細血管（紅色箭頭），這在臨床研究中可能具有較大價值。圖7（c.3）顯示了上唇上葉脈樣毛細血管的分布，明顯受到系帶的影響。因此基于OCT的血管造影可以做到識別系帶異常、分析正畸手術和避免復發(fā)，是有巨大臨床應用價值的工具。



 

 

圖7 人體口腔內(nèi)各種組織床的活體OCT/OMAG成像。（a.1~a.3）分別為上舌尖、下唇系帶和上唇系帶的照片，其中黃色方框為掃描FOV。（b.1~b.3）3D組織結(jié)構(gòu)和（c.1~c.3）相應的血管OMAG MIP圖像，其中白色虛線處分別獲取（d.1~d.3）橫截面結(jié)構(gòu)圖像和（e.1~e.3）相應的血流圖像。

  結(jié)論
 本研究對口腔潰瘍病變，以及口腔疾病的各種候選組織部位中的微脈管系統(tǒng)進行了光學相干斷層掃描血管造影（OCTA）成像、監(jiān)測和量化，展示了OCTA在檢查唇組織潰瘍病變方面的潛在應用。還通過OCTA和毛細血管分析提供了存活狀態(tài)下血管生成的定量信息，可作為評估傷口愈合過程的一個可靠指標。

 雖然仍有一些問題有待解決，如手持式探頭中的光學器件還可以優(yōu)化，擴大其在寬視場激光掃描中的應用、加大成像深度以方便對像舌系帶或舌上的外翻乳頭這中物理上復雜且位置較深的結(jié)構(gòu)成像，還有毛細血管袢計數(shù)的自動化及分級。但本研究的成果足以證明OCT血管造影技術在體內(nèi)對口腔組織進行微血管成像的能力，對現(xiàn)有OCT血管造影術的進一步技術優(yōu)化有望使其在臨床中得到更廣泛應用。

 

參考文獻：Wei, W. ,  W. J. Choi , and  R. K. Wang . "Microvascular imaging and monitoring of human oral cavity lesions in vivo by swept-source OCT-based angiography. " Lasers in Medical Science (2017).