光学相干断层成像技术在消化道疾病中的应用

李晓讴，刘 芳，陈 岩，杜时雨

（中日友好医院 消化内科，北京 100029）

光学相干断层成像 （optical coherence tomography，OCT） 又称作光学相干断层扫描，是一种较新的高分辨率、非接触性、无创的生物组织成像技术。OCT 技术起源于上世纪90年代初，由于眼部的光学特点，OCT 技术在眼科临床应用发展得最快。近年消化内镜技术飞速发展，包括高分辨放大内镜、高对比度的窄带成像技术等，对消化道黏膜表面可进行细微观察，但要获得表面下细微结构仍有难度。相比，OCT 具有高分辨率、表层下成像和立体化成像能力， 因此在提高消化疾病诊断准确性方面受到了很大关注，但目前有关报告主要来自国外，国内的研究还很少。

1 光学相干断层成像原理

OCT 成像物理原理与超声相似，但其发射的是光波而非声波。光波照射到组织表面并反射回来，当组织表面存在变化时，所经距离即会产生变化。通过发射并收集反射回来的光波，测量其延迟时间，经计算机数字化处理，即可成像。

OCT 系统的核心工作原理是基于低相干光的干涉，用来测量光束在被样本反射后的传播延时和反射信号的强度。与超声成像不同的是，光的传播延时太短，超过了目前电子元件的测量能力，无法直接测量。因此，OCT 系统采用了迈克尔逊干涉仪来间接测量延时和反射强度。在传统的时域OCT（time-domain OCT，TD-OCT）中，同一个光源发出的光线通过分光器分成两束， 分别经过干涉仪的两个臂。一个臂是参考臂，提供光的基准延时，作为基准的成像深度。另一个臂是信号臂，光经过信号臂照射到样本，并被反射回干涉仪。两个臂的反射光在分光器中合并，通过解调器、AD 采样等信号处理单元进行分析和成像。针对组织表面某点处的所有纵向深度的扫描被称为点扫描或Ascan。沿横向进行连续多点的A-scan 扫描， 则构成了2D图像，称为B-scan。再将B-scan 沿与其图像垂直方向进行连续拓展扫描，便形成了3D 图像。在内镜OCT 系统中，信号臂通常是专门用于体内成像的光纤探头。扫描系统和探头两者共同决定了视野范围、工作距离和成像分辨率等关键参数。

然而， 传统的时域OCT 在每次的扫描时要进行数次的参考臂调节，才能实现不同深度的测量，不但限制了扫描速度，还易受机械误差的影响。2000年，Fourier-domain探测技术的引入大幅提升了OCT 成像速度和灵敏度。相比于TD-OCT，Fourier-domain OCT 并非直接测量干涉信号，而是提取干涉信号的频谱。仅通过对一次扫描的干涉信号进行Fourier 变换，便可以获得该点的全部深度信息，省去了时域OCT 的多次基准光路调节， 大大提高了成像速度。Fourier-domain OCT 有2 种实现方式： 频谱OCT（spectral-domain OCT，SD-OCT）， 其光源发出含有多个波长的混合光，并通过光谱仪来检测干涉信号的频谱；扫描光源OCT（swept source OCT，SS-OCT），也被称为光频域成像（optical frequency domain imaging，OFDI），扫频光源分时发出不同波长的光束，光电二极管进行反射光采集。目前，由于元器件较成熟和成本较低，SS-OCT 较为普遍，一般使用1μm 和1.3μm 波长的光，成像速度较快。而SD-OCT 一般用于采用宽带光源、短波长、且需要纵向分辨率较高的应用。

目前，最常用的扫描探头分为侧视和前视两类。其中，侧视探头最为普遍，被大多数临床和前期研究采用，尤其在需要覆盖较大腔内面积时。根据不同的工作距离和横向分辨率要求，探头可以采用不同的结构形式封装，包括小直径的弹性外鞘、大直径球囊和硬性外壳。侧视探头也分2 种：（1）通过近端电机和力矩线缆驱动；（2）为通过微型远端扫描器并配有回拉（或前推）机制以实现3D 扫描。前视探头可以提供类似放大内镜的更直接的观察视角，不过其视野较小。前向视角探头通常采用远端驱动，一般仅提供2D 图像，主要应用在具有较高放大倍数需求、且需嵌入到其他内镜中的场合。

2 光学相干断层成像在消化道的应用

2.1 食管疾病

Barret 食管（Barrett’s esophagus，BE）是公认的食管癌癌前病变。病变组织可以在食管内延伸几个厘米，其长度和分布方式是分级的依据。Barret 食管癌变的风险随着异型增生程度的提高而增加。一般认为其发展过程是阶段性的， 依次为特殊肠化生 （specialized intestine metaplasia，SIM）、低度异型增生（low grade dysplasia，LGD）、高度异型增生（high grade dysplasia，HGD）、黏膜内腺癌（intramucosal carcinoma，IMC）。经典的BE 监测方法推荐针对异常黏膜进行四象限活检[1]。但由于样本采集范围不足食管表面积的5%，难以避免漏检[2]。另外，即使在一段BE 组织内，异型增生也可能呈现不一致性，导致样本无法全面反映异型增生的程度。

研究表明内镜OCT 可以用来识别BE 患者的肠化生。在一个有55 例患者的研究中，Evans 描述了BE 的结构特征，包括结构分层、腺体、以及基于OCT 图像而展现出的表层成熟化，并发展出了用来区分IMC、HGD、LGD、不确定程度的异型增生 （indeterminate grade dysplasia，IGD）、SIM 的标准，其敏感性为83%，特异性为75%[3]。另外，高速球囊内镜OCT 的引入使其在食管方面的临床应用成为可能[4]。

2016年美国有18 个大型医学中心参与研究，对1000例患者进行食管OCT 扫描， 是目前最大的食管OCT 扫描的数据库[5]。基于27 例患者的数据，Leggett 建立了一套用于发现异型增生的诊断算法[6]，该算法通过识别黏膜分层消失、不规则腺体和1cm 长度范围内表层到表层下的密度比来对OCT 图像进行评级。Swager 也报道了类似的BE 癌变的结构特征[7]。

食管鳞状细胞癌（squamous cell carcinoma，SCC）是一类较普遍的食管癌。Hatta 使用OCT 来评估SCC 肿瘤表面进展情况，该研究患者数量超过100 例[8]。作者基于OCT横断面图像建立了肿瘤的分级标准， 其准确率可达到90.1%，超过了使用高分辨率超声对SCC 的分级。Trindade也同样使用OCT 来进行SCC 的分级， 并据此引导医生选择合适的内镜治疗方案[9]。这些结果展示了具有高分辨率和表层下成像能力的OCT 系统在评估和管理食管癌方面的潜力。

除引导组织活检，OCT 也可以用来引导内镜治疗和监测治疗的有效性。MIT 和VA 波士顿健康中心通过OCT 来评估射频消融术（radiofrequency ablation，RFA）对BE 患者的治疗效果表明，使用OCT 术前可通过测量BE 黏膜厚度来预测治疗有效程度[10]；术中可监测热损伤的深度[11]；术后可评估组织恢复情况[12]。在一个多中心研究中发现，RFA治疗后2年复发率达到了33%[13]。内镜OCT 可以作为一个研究术后组织变化的跟踪监测工具。

2.2 炎症性肠病和大肠息肉

除食管外， 大肠是使用OCT 研究最广泛的消化道器官。大肠癌是美国第二大致死癌症[14]。尽管使用传统的内镜筛查可以在早期发现癌症，但大肠息肉切除操作加上病理分析非常耗时，尤其是在息肉数量较多或息肉过大时。

多个组织已经开始针对大肠的OCT 成像进行研究，包括大肠癌和腺瘤的结构区别[15]， 以及炎症性肠病（inflammatory bowel disease，IBD）。Trindade 报道了第一例使用OCT 来评估肛门齿状线附近的直肠息肉[16]。在该研究中，OCT 图像显示息肉下的黏膜下层完好， 因此将操作从全层切除改为了黏膜切除 （endoscopic mucosal resection，EMR）。由于OCT 具有立体成像能力，故可通过纵切面特征识别疾病。Liang[17]开发了一款前视OCT 探头，实现了和放大内镜相似的高分辨纵切面图像，且无需造影剂。使用该设备对在体增生息肉的成像可以全面地反映出组织的结构和形态。

2.3 胰胆管狭窄鉴别

胆管狭窄有恶性（如胆管癌）和良性（如原发硬化性胆管炎）之分。当前鉴别胆管狭窄最普遍的做法是经内镜逆行性胰胆管造影 （endoscopic retrograde cholangiopancreatography，ERCP），并结合活检或细胞学刷检。然而，胆管过于狭长，不易操作，限制了样本的采集。因此研究者们已开始应用内镜OCT 来提高胆管狭窄的诊断准确性。早期临床研究结果显示， 应用小型OCT 探头可以提供具有高保真度的图像和高精度的形态学信息，以识别胆管狭窄的成因。Tyberg 进行了一个包含9 例患者的研究，并证明胆管癌导致的狭窄具有强反射表面和内壁分层消失，而良性胆管狭窄管壁层次清晰[18]。Joshi 也进行了有22 例患者的研究，得出了相似的结论，并对每层厚度进行了量化分析，以寻找用来区分胆管内的良性和恶性组织的关键特征[19]。

2.4 胃和小肠疾病

近年来一些专家也开始关注胃部的OCT 成像， 主要聚焦在正常和疾病组织的鉴别上。Xu 进行了一项包含5例患者的病例研究， 通过OCT 识别肠化生、LGD、HGD 和黏膜下肿瘤[20]。与食管清晰的分层结构不同，贲门在OCT横断面成像下具有独特的“沟回”形貌，也许可以作为一个鉴别胃病变的特征。使用高速内镜OCT 扫描探头，Lee 报道了患有胃窦血管扩张的患者 （上消化道出血的起因之一）在RFA 术前和术后的纵切面OCT 图像，清楚地展现了治疗的效果[21]。

小肠由于其长度和弯曲， 大多数OCT 研究都集中在小肠的最近段即十二指肠，主要关注Celiac 病和Crohn 病的诊断。Celiac 病是小肠的自身免疫性疾病，一般由麸质的摄入引起， 往往导致绒毛损伤， 最终影响营养的吸收。Masci 的一系列研究表明，OCT 成像能发现绒毛萎缩可有效识别Celiac 病[22]。Kamboj 报道了第1 例使用OCT 研究十二指肠神经内分泌瘤。其结构表现为黏膜下具有非对称肿块，且高、低信号密度区域分隔[23]。该特征对应了组织学中多个被纤维分隔的小叶肿块。Lee 运用超高速内镜OCT系统研究了回肠末端Crohn 病的结构特征[24]。结果表明回肠末端的Crohn 回肠炎表现出非常规的黏膜形态以及绒毛结构的扩大。

3 结论和展望

随着图像处理和机器学习技术的进步，实时的自动探测和诊断已受到关注[25]。多个机构已经发表了OCT 下食管疾病诊断的计算机辅助算法， 通过识别图像的特定特征，包括组织表面的高反射率、分层、低反射结构，来实现较高的诊断准确率。学术界和工业界的合作和创新不断推动OCT 技术的发展。相信不久OCT 将会成为消化道疾病临床诊断和管理的常规工具，并推动消化病学的发展。