脑血管原位显微成像——一种可用于神经血管成像的HF-OCT系统

血管内成像已经成为治疗冠状动脉和外周动脉疾病的有效工具，然而对于脑组织中曲折的血管结构，还没有安全可靠的成像方案。中风的血管内治疗需要在图像指导下进行，分辨率不足致使无法对潜在的动脉病理和治疗设备进行充分评估。因此高分辨率在脑血管疾病的研究、诊断和治疗中具有重要意义。来自美国的研究人员Giovanni J. Ughi等设计了一个用于神经血管的高频OCT（HF-OCT）系统，能以接近10 μm的分辨率在曲折的脑血管结构中快速采集三维显微数据，结合使用体外、离体和体内模型，证实HF-OCT可用于脑血管成像。该成果以“A neurovascular high-frequencyoptical coherence tomography system enables in situ cerebrovascular volumetricmicroscopy”为题发表于NATURE COMMUNICATIONS。


 

研究背景
 

微创治疗在临床应用中获得了长足发展，但对于脑动脉和动脉瘤的血管内治疗仍然存在局限性，这在很大程度上与可视化技术发展程度有关。无创成像技术无法提供足够的分辨率来充分评估潜在的动脉病理、小穿孔动脉、设备-血管关系以及设备相关效应（如血小板聚集）。常规的血管内成像方案可用于冠状动脉和外周动脉的成像，但并不适用于脑血管。
 

已知有很多用于大脑血管系统的血管内装置，如自膨胀微型帐篷和支柱小至25 μm的分流器，已经能够实现对宽颈、复杂的脑动脉瘤的治疗。然而设备的精确放置对治疗效果和预防致残并发症来说非常重要。鉴于这些设备的x射线衰减有限，需要沿设备分布标记物以提供荧光镜定位指导，但也做不到在设备内部对其进行整体成像。
 

在对因大血管闭塞而患缺血性中风的患者护理中，血管内血栓切除术已经成为标准。磁共振血管壁成像等非侵入性成像技术已经用于评估血栓形成后的血管损伤，或检测潜在的病理情况如颅内动脉粥样硬化，然而这些技术的分辨率不足以直接观察到颅内动脉粥样硬化等血管病理，或是内皮损伤、穿通动脉血栓形成等。
 

三维显微术能够在体内整体观察神经血管装置和血管壁的微观结构，在血管内神经外科中可得到广泛使用。内窥镜光学成像技术具有接近微米级的分辨率，并可结合到小型光纤探头中，很有希望应用于临床。血管内光学相干断层扫描（OCT）或光学频域成像（OFDI）能够准确测量冠状动脉腔形态和疾病严重程度。此外，OCT/OFDI已被广泛用于研究新一代冠状动脉内支架装置。除冠状动脉应用之外，血管内成像有可能彻底改变脑血管疾病的诊断和治疗，然而到目前为止，还没有合适的成像导管能用于弯曲度较高的颅内脉管系统成像。因此，目前血管内成像仅应用于少数弯曲度有限的患者的后循环和颈内动脉的近段非弯曲段。此外，现有装置的视野（即获得的图像直径）不足以表征直径为5 mm或更大的大型复杂颈动脉和颅内动脉瘤。因此本研究介绍了一种用于神经血管的HF-OCT成像系统，包括一个成像控制台和一个为脑血管用途设计的光纤内窥镜探头，以实现脑血管体内体积显微术。结合体内、体外及离体模型，证明了该系统在神经血管成像研究中的应用性。


 

结果与讨论
 

01-一种高分辨率的神经血管内窥成像系统
 

本研究使用一个HF-OCT成像控制台原型，一个用于神经血管体积显微术的内窥镜探头原型。引入的探头名为Vis-M，是一种可弯曲的、外径0.016英寸（~400 μm）的丝状导管，设计用于在弯曲的颅内结构中行进，且Vis-M设备不需要导丝导航，可沿远端神经血管导管输送。将输入探头以特定速度拉回，通过在Vis-M保护套内快速旋转的成像镜头，以接近10μm的轴向分辨率对周围动脉和设备进行连续螺旋成像（图1）。该成像方式设备小巧灵活，能够在弯曲度较高的血管中顺利行进并成像，且图像质量可靠，这是现有的IVUS和IVCOT技术无法达到的。


 

图1颅内血管HF-OCT成像原理。Vis-M设备缩回的同时快速旋转其内部光学器件，形成螺旋扫描模式。

02-体外模型中威利斯环的血管清除
 

红细胞会散射光并降低其相干性，研究人员使用Omnipaque 350从血管腔中置换出动脉血以采集HF-OCT图像。以5 mL/s的速度冲洗达到颈内动脉血液完全清除，并在冲洗后约2-3 s观察。清除大脑中动脉和椎动脉的速率为3 mL/s，基底动脉为5 mL/s。因此持续时间为2 s的HF-OCT采集需要至少灌注4 s以达到清除动脉，使颈内动脉以5 mL/s注射20 mL造影剂，大脑中动脉以3 mL/s注射12 mL造影剂，与临床三维血管造影术方案类似。
 

03-体内对弯曲度增高的血管的成像
 

使用弯曲的猪前肢模型（n=8）得到严重弯曲的肱动脉，其曲率类似于人体颈内动脉虹吸管。在双侧肱动脉（n=16）中对Vis-M设备进行测试，获得有效成像长度为65 ± 13 mm的HF-OCT数据集，且没有观察到NURD伪影（图2）。获得的无失真图像血管壁照明均匀，能够实现各个组织层的精确可视化，如内部和外部弹性层、详细的管腔解剖和两个侧支口（图2b，c）。

 

图2猪肱动脉前肢模型的活体成像。a. 虚线为Vis-M设备通过血管的预计路径。b. 血管外部弹性层和血管壁的各个层的HF-OCT显微成像图。插图可见明亮的内膜（i）之后是黑暗的中膜（m）和明亮的外膜（a）。星号为两个侧支的开口，直径分别为0.2和0.7 mm。c. 箭头为HF-OCT装置在动脉腔内的偏心位置。图像照明均匀且无NURD伪像。

04-体内神经血管支架和分流器的成像
 

在猪上颌内动脉（IMAX，n=16）植入分流支架（FDS，n=16）和自膨式颅内支架（ICS，n=15），比较DSA、CBCT和HF-OCT的成像效果。使用Fleiss' kappa评估3种专业图像阅读器间的一致性。对沿分流支架表面形成的急性血栓评估值分别为0.90（HF-OCT）、0.67 （CBCT）和0.49（DSA）；贴合不良的诊断情况的评估值分别为0.87（HF-OCT）、0.67（CBCT）和0.18（DSA）。自膨式颅内支架装置中血栓积聚的一致性分别为0.81（HF-OCT）、0.39 （CBCT）和0.71（DSA），贴合不良的一致性分别为0.78（HF-OCT）、0.45（CBCT）和0.41（DSA）。
 

植入分流支架后的成像数据举例如图3。HF-OCT捕捉到血栓积聚和装置贴合不完全（图3a）。同样也精确描绘出了由多个血栓覆盖的侧支闭塞和分流支架边缘贴合不良（图3b，c）。三维内窥镜数据渲染发现两个被分流支架限制的穿支样分支（图3d），包括在它们的口部有无凝块（图3e，f）。

 

图3猪上颌内动脉支架的HF-OCT渲染图。a. HF-OCT三维剖面渲染（顶部=远端；底部=近端），可见分流支架错位（箭头）和不同大小的凝块（紫色）。b.横断面HF-OCT成像，显示分流支架表面有一个狭窄的分支（星号）和几个血栓形成（箭头）。c.分流支架近端边缘存在不完全附着（3点钟方向）且装置表面有几个凝块（箭头）。d. HF-OCT渲染的内窥镜视图。可见被分流支架挡住的小的孔样侧支。e.位于图像左侧的侧支（星号）没有凝块，分流支架很好的贴合于母动脉上。f.位于右侧的第二个分支（箭头）嵌入了凝块。三维渲染配色方案：红色，动脉壁；紫色，血块；银色，金属支架。
 

HF-OCT和相应的DSA和CBCT成像图比较如图4和图5所示。小至30 μm的血栓（图4b、c，图5b）、装置贴合不良（图4e、f）和侧支血栓形成（图5a、c），HF-OCT都能捕获到，但对应的DSA和CBCT图像上看不到。

图4HF-OCT成像与DSA的比较。a.使用分流和神经血管支架的上颌内动脉DSA。箭头为支架段，装置存在部分重叠。b.对应的HF-OCT图像观察到分支处分流支架上的血栓形成（箭头）。c.分流支架支柱和颅内支架重叠部分上的血栓形成。d.放置了分流支架的第二上颌内动脉的DSA。对应的HF-OCT图像显示出设备贴合不良，最大偏移分别为-0.35 mm（e）和0.45 mm（f）。



 

图5横断面HF-OCT图像与对应的CBCT切片比较。a. HF-OCT图像可见一个侧支血栓（箭头）。b. HF-OCT图像1点至8点方向之间，可见最大严重程度约400 μm的分流支架错位，支架上形成厚度30-220 μm的小血栓（箭头）。c.一个大的侧分支入口处的血栓。通常的CBCT图像上无法发现血栓和装置错位。HF-OCT图像比例尺1 mm。CBCT图像中星号（*）表示侧支的位置。


图6进一步展示了HF-OCT评估体内神经血管装置微米级特征的能力，包括两个重叠设备之间的交互。此外还有侧支口脱落的血栓，以及由于错位的分流支架近段边缘血栓形成严重而引起的部分血管闭塞（图6b、e）。



 

图6与分流支架远端部分重叠的颅内支架的HF-OCT显微图。a.三维渲染图，有明显的血栓积聚。b. HF-OCT显微显示血管壁微结构，包括由明亮的内膜（i）、低散射的中膜（m）和外膜（a）。绿色箭头为内部弹性层（IEL）和外部弹性层（EEL）。c.大分支内漂浮着一个从装置表面脱落的血栓（星号）。d.分布在分流支架表面的厚度100-200 μm的血栓（星号）。e.分流支架近端严重错位（> 500 μm）处的半闭塞凝块（星号）。三维内窥镜渲染配色：红色，动脉壁；紫色，血块；银色，分流支架；灰色，神经血管支架。

05-大动脉成像
 

为研究HF-OCT对大颈动脉成像的能力，额外进行了一组猪颈总动脉支架植入术（n=5）。发现支架段的直径平均5.5 ± 0.3 mm，最大直径5.9 mm，且Vis-M装置视野内照明充足，能够准确评估支架-血管的相互作用。

 

颅内动脉粥样硬化的成像

 

从70岁以上有血管疾病史的患者遗体中获得病变的颅内动脉段（n=10），成像并选择出三种主要斑块类型的动脉段做进一步对比分析。发现了具有代表性的动脉粥样硬化性病变，即纤维钙化性病变和坏死性核心病变（n=3）。通过组织病理学技术处理组织，并使用不同染料染色。由一名未见HF-OCT成像结果的血管病理学家对染色切片进行分析，并对斑块和组织类型进行表征，结果均与HF-OCT一致。
 

图7a为一名97岁患者遗体大脑中动脉的纤维斑块。HF-OCT图像中动脉壁上较厚区域为纤维化组织，在近红外光谱中显示出增强的光学后向散射和均匀的强度。组织病理学评估将认为该斑块主要由纤维化织组成（图7b，c）。图7d为包含坏死核的斑块，坏死核在HF-OCT图像上被识别为动脉粥样硬化斑块内一块边界不清晰的信号不良区域，即坏死组织在近红外范围内呈现强光学衰减，导致图像强度信号随着进入组织的距离而快速下降，遮蔽了位于后面的血管壁区域。组织学检查认为这是个纤维化的斑块并包含坏死核及潜在的介质变性（图7e，f），与HF-OCT结果一致。



 

图7大脑中动脉离体段的颅内斑块。a.动脉粥样硬化斑块的HF-OCT成像图。b.三色染色图。c. Movat’s染色图。d.含坏死核心的斑块的HF-OCT成像图。星号表示血管壁剥离。e. H&E染色图。f. Movat’s染色图。

在一名86岁患者遗体的硬膜内静脉远端发现了显微钙化斑块。HF-OCT显示纤维钙化斑块含有纤维化和钙化的组织，特征为信号差且不均一，但边界清晰。图8b为一个纤维钙化斑块，其圆周分布为87°，最大厚度约900 μm。组织病理学评估也认为斑块属于钙化，与HF-OCT图像评估一致。

 

图8硬膜内椎动脉中的颅内纤维钙化斑块。a. 图像中可见两个纤维钙化斑块。位于11点钟位置的一个较小的斑块，钙的厚度在100到300μm之间。大斑块钙最大厚度为900 μm，位于图像的左下象限。b. 放大显示斑块微观结构的细微细节，包括内部和外部边界。在HF-OCT中，钙化组织的特征是边界清晰的区域，信号较弱且不均匀，这是由低的光学后向散射和低的吸收系数造成的。

 

全文小结
 

本研究中引入的神经血管HF-OCT系统能够实现颅内动脉的光学显微检查。结合威利斯环模型和不同注射方案，可以对不同位置的神经血管进行静脉光学成像。系统中的Vis-M装置也更适用于高弯曲度的血管。与先进的成像模式如DSA和CBCT相比，HF-OCT在对血管腔内血栓的定量以及神经血管装置与动脉壁之间相互作用的评估时，结果一致性更高。此外HF-OCT还能显示血管壁微结构，包括颅内动脉粥样硬化的特征。因此，本研究的结果将极大促进高分辨率血管成像在脑血管临床中的应用。

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