血管內成像已經成為治療冠狀動脈和外周動脈疾病的有效工具，然而對于腦組織中曲折的血管結構，還沒有安全可靠的成像方案。中風的血管內治療需要在圖像指導下進行，分辨率不足致使無法對潛在的動脈病理和治療設備進行充分評估。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等設計了一個用于神經血管的高頻OCT（HF-OCT）系統，能以接近10 μm的分辨率在曲折的腦血管結構中快速采集三維顯微數據，結合使用體外、離體和體內模型，證實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”為題發表于NATURE COMMUNICATIONS。
 

研究背景
 

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

已知有很多用于大腦血管系統的血管內裝置，如自膨脹微型帳篷和支柱小至25 μm的分流器，已經能夠實現對寬頸、復雜的腦動脈瘤的治療。然而設備的精確放置對治療效果和預防致殘并發癥來說非常重要。鑒于這些設備的x射線衰減有限，需要沿設備分布標記物以提供熒光鏡定位指導，但也做不到在設備內部對其進行整體成像。
 

在對因大血管閉塞而患缺血性中風的患者護理中，血管內血栓切除術已經成為標準。磁共振血管壁成像等非侵入性成像技術已經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動脈粥樣硬化，然而這些技術的分辨率不足以直接觀察到顱內動脈粥樣硬化等血管病理，或是內皮損傷、穿通動脈血栓形成等。
 

三維顯微術能夠在體內整體觀察神經血管裝置和血管壁的微觀結構，在血管內神經外科中可得到廣泛使用。內窺鏡光學成像技術具有接近微米級的分辨率，并可結合到小型光纖探頭中，很有希望應用于臨床。血管內光學相干斷層掃描（OCT）或光學頻域成像（OFDI）能夠準確測量冠狀動脈腔形態和疾病嚴重程度。此外，OCT/OFDI已被廣泛用于研究新一代冠狀動脈內支架裝置。除冠狀動脈應用之外，血管內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管能用于彎曲度較高的顱內脈管系統成像。因此，目前血管內成像僅應用于少數彎曲度有限的患者的后循環和頸內動脈的近段非彎曲段。此外，現有裝置的視野（即獲得的圖像直徑）不足以表征直徑為5 mm或更大的大型復雜頸動脈和顱內動脈瘤。因此本研究介紹了一種用于神經血管的HF-OCT成像系統，包括一個成像控制臺和一個為腦血管用途設計的光纖內窺鏡探頭，以實現腦血管體內體積顯微術。結合體內、體外及離體模型，證明了該系統在神經血管成像研究中的應用性。
 

結果與討論
 

01-一種高分辨率的神經血管內窺成像系統
 

本研究使用一個HF-OCT成像控制臺原型，一個用于神經血管體積顯微術的內窺鏡探頭原型。引入的探頭名為Vis-M，是一種可彎曲的、外徑0.016英寸（~400 μm）的絲狀導管，設計用于在彎曲的顱內結構中行進，且Vis-M設備不需要導絲導航，可沿遠端神經血管導管輸送。將輸入探頭以特定速度拉回，通過在Vis-M保護套內快速旋轉的成像鏡頭，以接近10μm的軸向分辨率對周圍動脈和設備進行連續螺旋成像（圖1）。該成像方式設備小巧靈活，能夠在彎曲度較高的血管中順利行進并成像，且圖像質量可靠，這是現有的IVUS和IVCOT技術無法達到的。

 

圖1顱內血管HF-OCT成像原理。Vis-M設備縮回的同時快速旋轉其內部光學器件，形成螺旋掃描模式。

  02-體外模型中威利斯環的血管清除
 

紅細胞會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脈血以采集HF-OCT圖像。以5 mL/s的速度沖洗達到頸內動脈血液完全清除，并在沖洗后約2-3 s觀察。清除大腦中動脈和椎動脈的速率為3 mL/s，基底動脈為5 mL/s。因此持續時間為2 s的HF-OCT采集需要至少灌注4 s以達到清除動脈，使頸內動脈以5 mL/s注射20 mL造影劑，大腦中動脈以3 mL/s注射12 mL造影劑，與臨床三維血管造影術方案類似。
 

 03-體內對彎曲度增高的血管的成像
 

使用彎曲的豬前肢模型（n=8）得到嚴重彎曲的肱動脈，其曲率類似于人體頸內動脈虹吸管。在雙側肱動脈（n=16）中對Vis-M設備進行測試，獲得有效成像長度為65 ± 13 mm的HF-OCT數據集，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，能夠實現各個組織層的精確可視化，如內部和外部彈性層、詳細的管腔解剖和兩個側支口（圖2b，c）。
 

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

  04-體內神經血管支架和分流器的成像
 

在豬上頜內動脈（IMAX，n=16）植入分流支架（FDS，n=16）和自膨式顱內支架（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據舉例如圖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血栓覆蓋的側支閉塞和分流支架邊緣貼合不良（圖3b，c）。三維內窺鏡數據渲染發現兩個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豬上頜內動脈支架的HF-OCT渲染圖。a. HF-OCT三維剖面渲染（頂部=遠端；底部=近端），可見分流支架錯位（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狹窄的分支（星號）和幾個血栓形成（箭頭）。c.分流支架近端邊緣存在不完全附著（3點鐘方向）且裝置表面有幾個凝塊（箭頭）。d. HF-OCT渲染的內窺鏡視圖。可見被分流支架擋住的小的孔樣側支。e.位于圖像左側的側支（星號）沒有凝塊，分流支架很好的貼合于母動脈上。f.位于右側的第二個分支（箭頭）嵌入了凝塊。三維渲染配色方案：紅色，動脈壁；紫色，血塊；銀色，金屬支架。
 

HF-OCT和相應的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）和側支血栓形成（圖5a、c），HF-OCT都能捕獲到，但對應的DSA和CBCT圖像上看不到。
 

圖4HF-OCT成像與DSA的比較。a.使用分流和神經血管支架的上頜內動脈DSA。箭頭為支架段，裝置存在部分重疊。b.對應的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動脈的DSA。對應的HF-OCT圖像顯示出設備貼合不良，最大偏移分別為-0.35 mm（e）和0.45 mm（f）。
 
圖5橫斷面HF-OCT圖像與對應的CBCT切片比較。a. HF-OCT圖像可見一個側支血栓（箭頭）。b. HF-OCT圖像1點至8點方向之間，可見最大嚴重程度約400 μm的分流支架錯位，支架上形成厚度30-220 μm的小血栓（箭頭）。c.一個大的側分支入口處的血栓。通常的CBCT圖像上無法發現血栓和裝置錯位。HF-OCT圖像比例尺1 mm。CBCT圖像中星號（*）表示側支的位置。


圖6進一步展示了HF-OCT評估體內神經血管裝置微米級特征的能力，包括兩個重疊設備之間的交互。此外還有側支口脫落的血栓，以及由于錯位的分流支架近段邊緣血栓形成嚴重而引起的部分血管閉塞（圖6b、e）。
 
圖6與分流支架遠端部分重疊的顱內支架的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構，包括由明亮的內膜（i）、低散射的中膜（m）和外膜（a）。綠色箭頭為內部彈性層（IEL）和外部彈性層（EEL）。c.大分支內漂浮著一個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.分流支架近端嚴重錯位（> 500 μm）處的半閉塞凝塊（星號）。三維內窺鏡渲染配色：紅色，動脈壁；紫色，血塊；銀色，分流支架；灰色，神經血管支架。

 05-大動脈成像
 

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

顱內動脈粥樣硬化的成像

從70歲以上有血管疾病史的患者遺體中獲得病變的顱內動脈段（n=10），成像并選擇出三種主要斑塊類型的動脈段做進一步對比分析。發現了具有代表性的動脈粥樣硬化性病變，即纖維鈣化性病變和壞死性核心病變（n=3）。通過組織病理學技術處理組織，并使用不同染料染色。由一名未見HF-OCT成像結果的血管病理學家對染色切片進行分析，并對斑塊和組織類型進行表征，結果均與HF-OCT一致。
 

圖7a為一名97歲患者遺體大腦中動脈的纖維斑塊。HF-OCT圖像中動脈壁上較厚區域為纖維化組織，在近紅外光譜中顯示出增強的光學后向散射和均勻的強度。組織病理學評估將認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圖像上被識別為動脈粥樣硬化斑塊內一塊邊界不清晰的信號不良區域，即壞死組織在近紅外范圍內呈現強光學衰減，導致圖像強度信號隨著進入組織的距離而快速下降，遮蔽了位于后面的血管壁區域。組織學檢查認為這是個纖維化的斑塊并包含壞死核及潛在的介質變性（圖7e，f），與HF-OCT結果一致。
 

圖7大腦中動脈離體段的顱內斑塊。a.動脈粥樣硬化斑塊的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靜脈遠端發現了顯微鈣化斑塊。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。組織病理學評估也認為斑塊屬于鈣化，與HF-OCT圖像評估一致。

 

圖8硬膜內椎動脈中的顱內纖維鈣化斑塊。a. 圖像中可見兩個纖維鈣化斑塊。位于11點鐘位置的一個較小的斑塊，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構的細微細節，包括內部和外部邊界。在HF-OCT中，鈣化組織的特征是邊界清晰的區域，信號較弱且不均勻，這是由低的光學后向散射和低的吸收系數造成的。

全文小結

本研究中引入的神經血管HF-OCT系統能夠實現顱內動脈的光學顯微檢查。結合威利斯環模型和不同注射方案，可以對不同位置的神經血管進行靜脈光學成像。系統中的Vis-M裝置也更適用于高彎曲度的血管。與先進的成像模式如DSA和CBCT相比，HF-OCT在對血管腔內血栓的定量以及神經血管裝置與動脈壁之間相互作用的評估時，結果一致性更高。此外HF-OCT還能顯示血管壁微結構，包括顱內動脈粥樣硬化的特征。因此，本研究的結果將極大促進高分辨率血管成像在腦血管臨床中的應用。


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