血管内光学相干成像的原理和临床应用

张春晓，王晓民，杨蕾，刘延梅

山东大学附属山东省立医院 医学工程部，山东 济南 250014

血管内光学相干成像的原理和临床应用

张春晓，王晓民，杨蕾，刘延梅

山东大学附属山东省立医院 医学工程部，山东 济南 250014

本文介绍了光学相干成像（Optical Coherence Tomography ，OCT）这种采集组织浅表断层图像的新技术，分析了血管内OCT技术的成像原理及临床应用优势，文章最后对其发展前景进行了展望。

光学相干成像；冠状动脉造影；冠状动脉综合症；迈克尔逊干涉仪

0 前言

冠状动脉粥样硬化性心脏病（CAD），冠状动脉狭窄及急性冠状动脉综合征（ACS）等心血管疾病是目前威胁人类健康的严重疾病之一。现在大部分医疗机构对于冠状动脉状态的检查通常采用冠状动脉造影（CAG）或者血管内超声（IVUS）等方法对冠状动脉的复杂组织断面（如图1）进行检测。冠状动脉造影能够显示血管的整体轮廓，有助于分析冠状动脉狭窄的情况，但是无法显示血管壁的组织结构。而 IVUS 利用超声探头进入血管内扫描，可得到冠状动脉管壁的断层图像，不过超声组织成像过程中会产生伪影，因此超声成像的分辨率一般只能到 100μm，医生在后期图像分析时较难清晰观察不同组织之间的边界及组织质地，熟练分析 IVUS 图像需要进过半年以上的学习和临床经验积累。近年来迅速发展起来的光学相干成像技术（OCT）最初是用于眼科透明组织的成像分析，后来被研究者们用于血管内组织成像并得到了很好的效果。

图1 冠状动脉各种易损斑块

1 血管内OCT技术的历史

OCT 的分辨率能够达到 10μm，可以清晰地显示血管的断层图像，提供血管壁形态、斑块性质、管径，以及血管狭窄的情况，绝大部分心肌梗塞的产生是由于动脉中小的粥样斑块破裂造成的，但是以往的所有影像手段都无法检测出来，只有 OCT 技术能够做到这一点[1]。OCT 技术的分辨率能够达到组织病理切片检查的水平，所以这项技术也被称为“光学活检”[2]，能够为冠心病患者的检查和治疗提供很好的依据。

OCT 技 术[3]是 在 1991 年 由 美 国 麻 省 理 工 学 院 的Huang 等人提出的一项新的成像技术，并由哈佛医学院的Schuman 等人有限应用于眼科疾病的诊断，随后由研究者们分别应用于消化系统、呼吸系统、泌尿系统及心血管系统的组织成像。其中 OCT技术在心血管系统中的应用表现出了良好的成像素质，可以清楚地识别易损斑块、血栓、支架和内膜。这项技术不但大大提高了冠状动脉疾病诊断的准确性，并应用于心血管疾病的治疗及植入支架后用药控制的过程，为病人康复过程提供了可靠数据支持。

目前国际上能够生产临床使用的血管内 OCT产品的公 司 只 有 美 国 Lightlab Imaging（LLI） 公 司， 该 公 司 的知 识 产 权 来 自 于 MIT、Harvard University、Massachusetts General Hospital、Tufts University、Medtronic，以及 the Zeiss Foundation。 目 前 该 公 司 的 产 品 在 国 内 的 北 京 协 和 医院、301 医院、上海同济医院等几十家医院使用，手术量也在逐年增加。现在全球专家在美国、欧洲及日本等地建立了很多研究机构，来支持 OCT 技术在心血管领域的发展。

2 血管内OCT的技术原理

OCT设备是以迈克尔逊干涉仪为基础利用近红外光的干涉原理来采集组织断层信息的。首先利用弱相干光源产生一定波长的相干光，然后通过分束镜分为样品光和参考光，光线照射样品时会发生散射和反射，而不同组织对光的散射和反射程度不同，于是我们通过采集反射回的光强度可以辨别组织类型[4]。

光强探测器最后接收到的强度 Id为 ：

公式 (1)中 Er为参考臂发射光场，Es为样本臂发射光场，Es' 为样本臂反射光场，Ir为样本臂的发射光强，Is为样本臂发射光强，Is'为样本臂反射光强

其中：

图2 OCT成像原理

完整的光影仪包括光源、分光器、参考臂、样本臂、探测器，以及数字处理器。样本臂是由一个可旋转的光学耦合器（又称探头连接单元，PIU）和成像导丝导管组成图3，其作用就是将检测光引导到所需检测的血管壁上。

图3 OCT成像设备组成

医生操作过程中将阻断球囊导管和成像导丝送入冠状动脉内，通过扩张球囊阻断靶病变处的近端血管血液，经过管腔内持续低容量的冲洗，将靶病变处的血液冲洗干净，然后成像导丝在血管内进行扫描成像。成像完成后，球囊收缩，血液流动恢复，医生将球囊导管和导丝退出冠状动脉完成整个操作。

3 血管内OCT在临床上的应用

冠状动脉中的不稳定斑块也称为易损斑块是引发冠状动脉疾病的重要隐患，如巨噬细胞密度、纤维斑块和富含脂质斑块的增加会引起患者的不稳定心绞痛，Jang 等人的研究[5]表明畸形冠状动脉综合征和急性心肌梗死患者与稳定心绞痛患者相比脂质斑块含量较高而且纤维帽变薄。因此，临床医生通过检查冠状动脉中的易损斑块情况能够在早期检测心血管疾病及其严重程度。在图4和图5中比较了 OCT 图像、IVUS 图像及组织病理检查照片，可以看出OCT图像的分辨率很高，而且能清晰分辨各种斑块性质。

图4 三种图像比较（a图为OCT图像；b图为IVUS图像；c图为组织病理图片）

图5 OCT与IVUS成像在分辨斑块性质中的比较

利用OCT技术可以观察到增厚的内膜、弹力板和脂质斑块等组织，且对各种斑块成分具有很高的对比度。OCT技术对于钙化组织的穿透能力较强，Patwari 等人的研究[6]证明对于几乎完全闭塞的冠状动脉斑块，这项技术都能穿透并成像。由于光传播速度较声传播速度高很多，所以OCT成像的实时性非常高，而且最大程度上避免了运动伪影。因此 OCT 技术的应用在冠状动脉病变检查方面表现出了良好的性质，为医生制定治疗方案提供了更完备的依据。

对于冠状动脉狭窄的患者，医生通常会采用植入支架的方法进行治疗[7]，在手术中需要评估介入手术的治疗效果，如支架贴壁情况以及组织撕裂、组织脱垂等手术伤害，临床治疗的研究结果表明，OCT技术能清晰地显示支架贴壁情况和内膜损伤情况（如图6）。

图6 OCT与IVUS在支架植入后的成像比较

病人在支架手术后的康复过程中会产生内膜增生，于是近年来大都采用药物洗脱支架，能够防止内膜过度增生，但是这种支架会造成内膜覆盖不全而引起血栓，所以病人需要服用抗血小板药物。手术后的病人需要定期检查内膜覆盖情况以确定停药时间，以往利用 IVUS 进行检查分辨率不足，现在利用 OCT进行扫描得到的图像医生可以很清晰的观察内膜增生和覆盖支架的情况[8]（如图7），从而确定病人的停药时间。

图7 支架植入后随访内膜覆盖的OCT图像

4 OCT技术存在的不足和发展前景

目前OCT技术的发展已经比较成熟，但是还是存在很多不足之处。首先是OCT技术使用的光源没有研究一致的标准，而且对组织的穿透力不足，无法深度探测组织内部病变情况，另外应用于血管内成像的耗材费用昂贵，限制了这项技术的推广。

OCT技术应用于体表检查时可达到无创效果，但用于血管内检查时需要进行侵入操作，为防止血液细胞对红外光的干扰，扫描前要在血管近端阻断血流。医生在临床操作中曾经出现过冠状动脉夹层和血栓，所以这项操作对医生的操作技术要求比较高，操作时动作要细致娴熟。也因为血液对 OCT成像的影响，病人在动脉开口部位有病变以及心功能不全的话，这项技术的应用会受到限制。

由于 OCT 只能穿透 2～3mm 的表层组织，所以在某些领域的发展受到限制，于是研究者们正在试验利用 OCT技术和其他技术相结合来完善其不足，其中包括医学超声 -OCT 内窥镜成像[9]，用于探测脂肪组织中肿瘤的光声成像技术[10]，与多普勒技术相结合的光学多普勒层析系统等[11]。科学家们研究的声光结合式探头，正在进行仿真实验，相信其发展前景广阔。还有建立在OCT和激光扫描偏振计（SPL）基础上的偏振敏感光学相干技术[12]，这项技术能够同时检测干涉光的偏振和由于病变引起的偏振相位差信息，这样能比常规的 OCT 多提供以为生物信息，这项技术已经在龋齿诊断的研究中取得了很好的效果，分辨率可达到 2～3μm。

OCT技术有相当优越的成像效果，相信通过各个领域各项技术的结合，这项技术会有很广阔的发展前景。

5 总结

由于 OCT技术的发展，现在冠状动脉疾病的诊断和治疗有了清晰定量的依据，而且在支架手术的术中操作、术后评估，以及随访检查等各个阶段发挥了很好的作用。凭借其高分辨率和实时成像速度，这项技术已经成为心血管病人的精确治疗的必要手段，相信通过研究者们的努力，OCT技术必能发挥更大的作用。

[1] 刘伟,樊宽章,张长忠．光学相干成像技术及在医学中的应用[J]．医疗卫生装备,2002,(3):32-36．

[2] Jackle S,Gladkova N,Feldchtein F,et al．In vivo endoscopic optical coherence tomography of the human gastrointestinal tract—toward optical biopsy[J]．Endoscopy,2000,32:743-749．

[3] Huang D,Swanson,Lin CP,et al．Optical coherence tomography[J]．Science,1991,254:1178-1181．

[4] Joseph M．Optical Coherence Tomography(OCT):A Review[C]．IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUMELECTRONICS,VOL．5,NO．4,1999:1205-1215．

[5] Jang IK,Tearney GJ,MacNeill B,et al．In vivo characterization of coronary atherosclerotic plague by use of optical coherence tomography[J]．Circulation,2005,111:1551-1555．

[6] Patwari P,Weissman NJ,Boppart SA,et al．Assessment of coronary plaque with optical coherence tomography and high-frequency ultrasound[J]．An J Cardiol,2000,85(5):641．

[7] 韩志刚,于波,侯静波,等．光学相干断层成像评价经皮冠状动脉内支架术后即刻效果[J]．中华心血管病杂志,2006,34(7): 625-626．

[8] 陈步星,马凤云,罗维,等．光学相干断层成像评价药物洗脱支架与金属裸支架治疗后的内膜增殖[J]．中华医学杂志,2006, 86(16):1102-1106．

[9] 陈晓东,汪毅,顾宁,等．基于蒙特卡罗模拟的超声辅助OCT成像研究[J]．光子学报,2009,38(10):2645-2649．

[10] 刘英杰,苏翼雄,姚建铨,等．光声技术在医学成像中的应用[J]．医疗卫生装备,2005,26(8):26-28．

[11] Proskurin SG,He Y,Wang RK．Doppler optical coherence tomography imaging of converging flow[J]．Phys Med Bjol, 2004,49(7):1265-1276．

[12] 王守涛,陈庆光,林斌,等．光学技术在早期龋齿检测中的应用[J]．激光生物学报,2009,18(6):846-852．

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

作者邮箱：zhangchunxiao12345@163．com