基于光学相干断层成像的多模态成像及其衍生技术在冠状动脉介入治疗中的应用进展

崔建国 金琴花 陈韵岱

虽然目前冠状动脉造影为诊断冠状动脉粥样硬化性心脏病（冠心病）的金标准，但因其二维成像、成像角度等问题导致部分血管成像缩短，且分辨率有限，影响对病变部位、程度及性质的判断。血管内超声（intravascular ultrasound，IVUS）、光学相干断层成像（optical coherence tomography，OCT）等腔内影像技术因其较高的空间分辨率，能够对病变成分及其管壁结构做出更细致的观察，进而指导介入治疗，提高即刻手术效果和远期预后［1］，在目前专家共识及指南中均得到了Ⅰ～Ⅱa类推荐［2-4］。

OCT是目前分辨率最高的腔内影像学检查，除了常规的管腔直径、管腔面积等信息外，在血管横断面上能够为术者提供更为精确的信息，比如斑块的性质、成分以及稳定性等。但是分辨率与组织穿透力呈反比，OCT对于血管壁的穿透能力有限，导致信息丢失，尤其是在重度狭窄的病变部位。并且OCT初始设计为获得血管管腔横断面二维信息，对于分支及整体血管信息提供不够，尤其是在分叉病变需要介入治疗时。因此，OCT作为影像学工具，仅能提供病变部位的解剖学信息，而不能提供同样重要的血管功能学信息。基于以上问题，目前已经衍生出基于或者结合OCT的相关新技术，从空间、组织穿透性、功能学、生化信息以及缩短信息分析流程等多方面做出了革新［5］。本文将就基于或者结合OCT的新技术进行综述。

1 基于OCT的多模态血管内影像

1. 1 双模态IVUS和OCT（dual modality intravascular ultrasound and optical coherence tomography，IVUS-OCT）

IVUS和OCT相结合，可以将两者的优势融合，一次检查即可同时获得血管内壁的超声与OCT图像，实现对血管壁和粥样斑块的精准诊断［6］。但是IVUS-OCT并不是同时完成两者的单独成像以及单独分析，其最终目标是将两种图像融合，从而更精确、更全面地显示血管壁及病变部位的影像信息，快速识别高危斑块及斑块成分，为临床决策提供快速可靠的指导［7］。Huang等［8］尝试利用多种不同的融合算法得到融合后的IVUSOCT图像来强化动脉粥样硬化的细节，最终发现改进的小波融合效果最佳。国内全景科学和国外Conavi及Terumo公司的IVUS-OCT血管内成像系统目前均已经进入临床试验阶段。加拿大Conavi公司的Novasight融合IVUS-OCT导管是第一个商业化的设备，需要更多的临床数据支持。IVUS-OCT融合探头的小型化、联合配准和成像性能方面的进展仍在继续，以期能为左主干开口病变及多支复杂病变带来更精准的指导作用。

1. 2 双模态OCT和近红外光谱（dual modality optical coherence tomography and near-infrared spectroscopy，OCT-NIRS）

近红外光谱（near-infrared spectroscopy，NIRS）在检测富含脂质的斑块方面已经得到了广泛的验证，同时富含脂质的斑块为高危斑块的特征之一。与组织学的黄金标准相比，NIRS是唯一经美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）批准的识别冠状动脉脂质的方法［9］。NIRS检测的高脂质核心指数斑块在OCT形态学上符合高危斑块的特征［10］。相对于OCT的弱穿透性及对术者经验的依赖性，NIRS能够自动计算斑块负荷，但不能提供血管的结构学信息。OCT和NIRS的融合可以相互弥补两者图像信息的缺点，更精准地识别高危斑块和高危患者［11］。NIRS可以辅助识别支架内血栓形成及支架内再狭窄的可能机制并预测围术期心肌梗死的发生［11-13］。Spectra WAVE公司目前正在研制一种商业化的OCT-NIRS组合导管［14］。OCT-NIRS更精确的诊断可以指导最佳的治疗方案，从而进一步改善二级预防。

1. 3 双模态OCT-近红外荧光分子成像（optical coherence tomography-near infrared fluorescence，OCT-NIRF）

近红外荧光分子成像（near-infrared fluorescence，NIRF）是一种新兴的分子血管内成像模式，可以在体内观察到动脉粥样斑块的病理和细胞演变过程，包括炎症、氧化应激和异常的内皮渗透性［15］。已确立的血管内近红外成像目标包括巨噬细胞、蛋白酶活性、氧化的低密度脂蛋白和异常的内皮通透性［15］。Yoo等［16］在2011年研制了第一种双模态OCT-NIRF影像系统，可以同时提供有关斑块微观结构和生物学的信息。双模态OCT-NIRF影像在动物实验中发现，绿色荧光多显示在内皮完整性受损的斑块区域，包括断裂的纤维帽以及新生血管区域［17］。另一项动物及尸检研究发现，荧光信号主要位于富含脂质斑块及巨噬细胞分布区域，且沿着支架梁分布，提示与炎性反应相关［18］。另有学者通过NIRF检测支架表面纤维蛋白沉积，进一步明确支架内膜覆盖情况，弥补OCT在检测支架愈合上的不足［19］。但NIRF需要使用针对特定分子信息的外源性对比剂，这使得它在临床上的转化速度减慢。目前双模态OCT-NIRF影像系统尚未应用于临床，但显示出很好的应用前景［15］。

1. 4 双模态OCT和荧光寿命成像（dual modality optical coherence tomography and fluorescence lifetime imaging，OCT-FLIM）

动脉粥样硬化和癌症等慢性疾病的病理生理进展与含有内源性荧光团（如胶原蛋白、弹性蛋白和低密度脂蛋白）的生物组织成分变化密切相关，这些荧光团在紫外线激发下表现出强烈的自发荧光。荧光寿命是荧光团的固有属性，荧光寿命成像（fluorescence lifetime imaging，FLIM）通过测量化学成分的荧光寿命来反映成分的变化［20］。但是FLIM不能提供结构性的信息，需要和血管内结构影像学结合。然而，该技术的临床转化受到了缓慢的回拉速度和相对较大的成像导管的阻碍。目前已经在实验室合成了双模态OCT-FLIM用于血管内斑块的形态学和生化检查，在体外和动物实验中得到了较好的预期结果［21-22］。OCT-FLIM很可能成为诊断冠状动脉粥样硬化的有前途的下一代影像技术。

1. 5 全集成三模态影像系统

不论是OCT、IVUS还是荧光系统（NIRF和FLIM），单项技术均具有其固有的缺点与不足，不能全面详细地评估动脉粥样硬化斑块病变。除了上述双模态影像外，近几年又出现全集成三模态影像系统，将OCT、IVUS和荧光成像集成到一根导管上，通过一次血管内检查即可同时获得上述三种影像［23］。国内学者也在这方面做了尝试，将OCT、IVUS和多光谱光声集成融合，同时提供血管壁的宏观和微观结构信息，并通过多波长激发对脂质进行识别和量化［24］。目前三模态影像学技术尚不成熟，但为临床医师和研究人员提供了一种新的成像方法，以提高对不稳定粥样斑块的准确诊断。

2 基于OCT的衍生影像

2. 1 基于OCT的血流储备分数（optical coherence tomographyderived fractional flow reserve，OFR）

血流储备分数（fractional flow reserve，FFR）的价值已经在临床中得到了广泛验证，不仅指导临界病变的介入治疗，而且还应用于冠状动脉支架置入术后的优化［25-27］。但是FFR为有创操作且需要药物诱导达到最大充血状态，应用范围较小。因而无创性的功能评估应运而生，目前有基于CT影像的血流储备分数（fractional flow reserve-computer tomography，FFR-CT），基于冠状动脉造影的定量血流分数（quantitative flow ratio，QFR）/无创冠状动脉造影血流储备分数（coronary angiography-derived contrast fractional flow reserve，caFFR），基于IVUS的血流储备分数（IVUS-based FFR，UFR）和OFR。但是FFR-CT具有其固有的缺点，仅作为一种评估手段，不能在明确存在缺血状态下行干预治疗。而QFR/caFFR已经实现在线评估并实时指导介入治疗策略，相对于FFR-CT，QFR/caFFR与FFR相比具有更高的相关性［28］。OFR可以在无药物诱导的最大充血状态下同时测量靶血管的形态学特征及功能学指标。最新的研究显示，以FFR为参考标准，OFR相较于QFR具有更高的诊断效能，并优于常规形态学参数［29］。冠状动脉支架置入术前后OFR差值还可以预测支架贴壁不良并指导优化手术策略［30］。OFR作为新的无创功能学技术，其算法主要基于虚拟流体力学计算方程，虽然具有很高的诊断效能，但仍具有个体间的差异性［31］。Yu等［32］将OFR技术算法进一步优化，在保留其高诊断效能的同时，进一步缩短计算时间和提高重复性。目前相关临床证据缺乏，仍需要更多和样本量更大的研究进一步验证其对临床的指导价值。

2. 2 斑块衰减指数（index of plaque attenuation，IPA）

IPA是一种基于OCT图像的后处理软件算法，能够自动定量识别纤维粥样斑块或者高危易损斑块，尤其是薄纤维帽斑块（thin-cap fibroatheroma，TCFA）。早在20年前，多位学者通过使用高分辨率OCT显微镜系统对尸检冠状动脉的横向成像来测量动脉粥样硬化斑块的后向散射系数和衰减系数，证明衰减系数可以区分斑块性质，为后来对动脉粥样硬化斑块的计算机辅助诊断做了开创性的工作［33-34］。最新研究显示，IPA8.5与冠状动脉粥样斑块负荷呈线性相关，且相关性明显高于基于NIRS的脂质核心负荷指数（lipid core burden index，LCBI）［35］，而IPA11＞110可以高精度识别高危斑块，如TCFA［36］。德国科学家应用衰减指数对置入支架后新生内膜动脉粥样斑块进行了检测，不论是均质还是非均质，新生内膜中的泡沫巨噬细胞均具有显著的高衰减特性［37］。目前已有多种关于衰减指数的后处理算法及优化［38-41］，其特异性和敏感性各不相同，但均未商业化应用。

3 OCT与数字技术

3. 1 三维光学相干断层成像（three-dimensional optical coherence tomography，3D-OCT）

频域OCT具有更高的分辨率及组织穿透性，同时具有更高的帧速率和回撤速度，使之可以行3D重构，加强对复杂病变的理解以及明确支架与血管的关系。3D-OCT技术的潜在临床应用包括对可能的支架贴壁不良或者膨胀不全的整体进行评估、血栓的识别和定位、复杂病变的评估以及对介入治疗的指导等［42］。既往曾有研究应用3D-OCT评估支架术后内膜覆盖率，具有良好的诊断效能［43］。在对分叉病变的介入治疗中，3D-OCT可以清晰地显示分支开口支架梁的数目及形态，精确指导导丝选择主支支架远端网眼再入分支，避免完成最终的对吻后金属嵴的形成［42，44-45］。德国科学家尝试应用3D-OCT结合自动支架检测和纵向视图，在血管中准确识别支架平台的类型，这可能对在临床上识别支架失败类型和量化贴壁方面会有帮助［46］。总体来说目前3D-OCT技术主要应用于分叉病变研究中，涉及其它研究较少，需要进一步拓展其研究潜质。

3. 2 OCT-造影融合功能（coregistration of optical coherence tomography with angiography，OCT-ACR）

实时OCT-ACR是最近几年新研发的一项系统，可以在术中实现OCT图像和数字减影血管造影（digital subtraction angiography，DSA）图像的画面同步，辅助术者快速做出更精准的判断［47-48］。OPTICO-integration研究［47］显示OCT改变了71.4%患者的经皮冠状动脉介入治疗（percutaneous coronary intervention，PCI）手术策略，有40.7%患者基于造影融合功能（angio co-registration，ACR）使得手术策略在OCT基础上得到了进一步改进。具体来说主要是可以明确整个病变斑块的性质及长度，从而辅助选择最佳的支架直径及着陆点，避免支架边缘夹层和物理丢失［2，49］。但也有研究显示，ACR技术相较于单纯OCT指导介入治疗未明显减少物理丢失及支架边缘夹层［50］。在分叉病变的精准治疗中，ACR技术能够减少分支支架突入主支的程度并保证分支开口部位的支架覆盖［51］。目前尚缺乏大样本随机对照研究，但根据小样本的临床研究结果来看，OCT-ACR技术可以在一定程度上影响手术策略，尤其是可显著减少纵向地理不匹配，并且可能带来更好的临床预后，是一项很有发展前景的技术。未来需要大样本随机对照研究进一步巩固支持OCT-ACR相关临床证据，以及临床随访研究验证其对于临床预后的影响。

3. 3 衰减补偿技术

OCT成像的主要缺点之一是信号的快速衰减，限制了对组织的穿透力，只能达到几毫米。以前开发的一种用于校正软组织中的光衰减补偿算法，被应用于使用光谱域OCT的冠状动脉内斑块成像，可以显著提高图像的质量以及血管结构的分辨率［52］。Teo等［53］通过操纵对比度指数和压缩指数对衰减补偿技术进行了优化，以达到最佳对比度和信噪比，使得斑块分类的总体敏感性和特异性分别从84%增加到89%和从92%增加到94%。也有研究表明衰减技术可以更好地划定外弹力膜，但在脂质检测和区分新内膜表征方面仍然较差［54］。目前对于衰减补偿技术的研究及应用较少且结论不一致，相关临床意义尚不明确。

4 小结及展望

目前冠心病介入治疗已经进入精准治疗时代，不断发展的多种腔内影像学单一使用或多种影像融合使用，可以对冠状动脉血管壁及斑块的形态、成分做出精确的评估，不仅能够指导并优化药物或者介入治疗，还有助于理解冠心病的病理生理机制及发展过程［55-56］。随着技术的进步和临床证据的增多，未来基于OCT的双模态和多模态影像学技术会越来越成熟，应用越来越广泛。但是每种影像学技术均具有其固有的优缺点，应根据临床应用目的，科学合理选用相应的组合。

利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突