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單掃描血管成像技術——光譜對比OCT血管造影術（SC-OCTA）
通常的OCT血管造影術依靠運動來產生對比，并且每個掃描點至少需要采集兩次數據，不僅成像時間較長且受運動狀態影響較大。美國學者James A. Winkelmann等提出了一種光譜對比OCT血管造影術的方法，即使用可見光，利用血管中內源物質不同的光譜特性，如血紅蛋白，實現單次掃描造影。研究證實該方法不但具有分子敏感性，還能夠成功區分出淋巴管、血液和組織。研究成果在2019年以“Spectral contrast optical coherence tomography angiography enablessingle-scan vessel imaging"為題發表于Light: Science & Applications。
研究背景
OCT是一種無創光學成像方式，可以微米級分辨率對組織形態進行三維成像。除結構信息外，對OCT信號的增強處理還能提供功能和分子信息。早期利用血管內紅細胞運動反向散射引起的多普勒相移來測量血流速度和描繪血管，稱為Doppler OCT。隨后利用相位方差、順序掃描減法和散斑方差等算法，增強了OCT中的脈管系統對比度。但基于運動的OCT血管造影術也存在局限性，如對活體動物呼吸和脈搏運動敏感，通常會導致投成像結果中出現亮帶偽影。
除基于運動的OCT血管造影術之外，通過分辨不同光譜的吸收特征的SD-OCT（spectral domain OCT）在成像中也取得極大進展。光譜可見波段OCT成像使生物組織帶上了真彩色。隨著可見光譜OCT的發展，通過內源性造影劑定量血紅蛋白濃度和氧合，通過外源性納米顆粒造影劑獲得分子信息將成為可能。
本研究提出了一種新穎簡便的血管造影成像的方法，稱為SC-OCTA（spectral contrast OCT angiography）。SC-OCTA利用血紅蛋白的*光譜特征，無需重復掃描即可進行3D血管造影，不僅能避免之前OCTA普遍存在的基于運動的偽影，并實現了迄今為止最快的SD-OCT血管造影采集速度。此外，這種基于光譜的血管分割方法對血流運動沒有要求，因此能夠對止血組織中的脈管系統成像，如心血管疾病中受損脈管系統出血。
通常生物成像傾向于使用約700-900 nm的近紅外（near-infrared, NIR）區域，因為相較于大于1000 nm的長波長，短波長能提供更高的OCT軸向分辨率，并且該區域落在“光學窗口"內。在“光學窗口"中，水和血紅蛋白的吸收最小，使得光波能夠高度滲透入組織中。這不但使得NIR OCT系統能夠深入組織，同時降低了對血液和組織散射光譜特征的敏感性。血液吸收系數在400-600 nm內會高兩個數量級，組織散射系數也會約為正常的兩倍，這使可見光OCT系統對血液氧化敏感，能獲得更高的圖像對比度。
SD-OCT通過對獲取的干涉記錄進行傅立葉變換來獲取不同深度的樣本信息（圖1a）。通過短時傅里葉變換（STFT）對光譜進行二次采樣，獲得光譜相關的OCT A-line。因此，通過觀察550-600 nm光譜相關OCT圖像強度的對比度，可以在空間上觀察到血液和組織的相反光譜斜率。研究人員在557和620 nm處發現Kaiser窗口，其半峰全寬（FWHM）約為38 nm，在血液和周圍組織之間呈現高光譜對比度。
結果與討論
為驗證SC-OCT的成像能力，研究人員選擇人體下唇粘膜（唇內側）進行了成像對比研究。通過兩個Kaiser窗中OCT圖像強度的比值（620 nm除以557 nm），獲得人體下唇粘膜的體內B-scan（圖1b），以下稱為SC-OCTA。在557 nm處的逆向OCT強度圖像中，以下稱為反向557 nm圖像，由于在可見范圍內的高對比度和高吸收，可輕易觀察到血管。對于OCT系統，557 nm窗口和620 nm窗口的軸向分辨率分別為3.80和4.72 μm。根據比爾定律和米氏理論模擬，SC-OCTA方法只需一次掃描就能掃描到直徑約4 μ m的毛細管。
為證實毛細血管成像能力，比較了反向557 nm和SC-OCTA正面投影與傳統的OCTA相位和振幅對比結果（圖1c）。發現幾種成像圖中都可以看到唇粘膜中相同的八個毛細血管環，但傳統OCT血管造影術需要對樣本進行至少兩次掃描。獲取傳統OCTA數據需要18.2 s，SC-OCTA數據需要4.5 s。傅里葉環相關分析得到傳統OCTA的有效分辨率為20.19 μm，反向557 nm的有效分辨率為12.2 μm，SC-OCTA的有效分辨率為8.92 μm。這一分析表明相較于OCTA，反向557 nm和SC-OCTA對體內運動不敏感。唇粘膜的詳細大視野證明了SC-OCTA在每個點掃描位置僅用一條A-line就能分辨出小動脈和毛細血管（圖1d，e）。此外反向557 nm圖像無法區分低散射結構和血紅蛋白吸收，圖1d中可見白色箭頭所示的唾液腺導管，但在SC-OCTA圖像中不可見（圖1e）。
圖1 人唇粘膜的活體成像。a.可見光OCT系統的簡化示意圖，可獲得樣本的3D光譜信息。b-e.健康志愿者唇粘膜（下唇）的活體成像。b.反向557 μm和反向620 μm的B-scan及其相應的STFT窗口，以及顯示每個血管對比陰影的SC-OCTA B-scan。c.表面毛細血管環的血管造影正面投影與傳統運動對比OCTA（64–111 μm）的比較、反向557 μm（55.6–140 μm）和SC-OCTA（83–209 μm）的表面毛細血管環的正面投影，及其相應的投影強度的比較。d.反向557 nm的3D渲染。e.與圖d同一視場的深度編碼血管圖，包含來自SC-OCTA的飽和度和數值，以及來自反向557 nm的血管深度色調。紅色方框為毛細管回路放大圖。d和e中白色箭頭為SC-OCTA正確未識別的唾液腺導管。
因為SC-OCTA不依靠運動來進行對比，所以它可以對不流動的血液和高度運動的樣本進行成像。研究人員制作了一個直徑約為55 μm的牛血管模型，并記錄了不同流量（圖2）和振動下SC-OCTA和OCTA信號的信噪比。結果表明，與OCTA相比，SC-OCTA信號受流動的影響不顯著，因此可以對高度運動的樣本成像。
圖2 牛血管模型成像。不同流動條件下SC-OCTA和OCTA的正面投影和相應的信噪比。SC-OCTA（流動：22.76 ± 1.42；2 min：21.99 ± 1.95；15 min：14.08 ± 1.30）。OCTA（流動：7.69 ± 1.13；2 min：5.74 ± 1.21；15 min：2.35 ± 0.60）。在流量測量過程中，模型血液灌注量為0.0006 μL/s，然后在停止灌注后2 min和15 min進行測量。可見在灌注停止后2 min，SC-OCTA信噪比沒有受到顯著影響，但15 min后由于血液濃度降低，信噪比受到顯著影響。
為證明SC-OCTA在止血情況下的效用，對新處死的小鼠大腸的漿膜表面進行了成像（圖3）。這是已知的shouci使用OCT對具有內源性造影劑的非運動血液的組織進行血管造影。結果表明，OCTA在止血情況下難以分辨出任何血管，而SC-OCTA可以快速檢測到幾個血管（圖3a）。
圖3 小鼠大腸漿膜面止血成像。a. SC-OCTA和OCTA的正面投影和B-scan（藍色虛線位置）對比。白色箭頭為SC-OCTA（56–280 μm）和OCTA（28–33 μm）探測到的同一血管。可見在止血的情況下，SC-OCTA成像效果依舊良好，而OCTA甚至難以識別出大血管。b.大視野SC-OCTA，帶有飽和度和值以及反向557 nm的血管深度色調。圖為漿膜表面成像，位于大腸管腔側表面正下方的低信號毛細血管環在SC-OCTA掃描中未能清晰顯示。
為證明SC-OCTA的分子敏感性，對新處死的小鼠網膜淋巴管和血管（圖4a-d）以及心臟表面進行成像，并將同一心臟表面的成像圖與組織學成像進行比較（圖4e-g）。發現SC-OCTA能夠將血管從低散射的淋巴管和脂肪細胞中區分出來。結合SC-OCAT和反向557 nm圖像得到的depth-integrated SC-OCTA，其B-scan能夠在三維空間顯示出血管信息（圖4），能夠在毛細血管水平將唇粘膜脈管系統從唾液腺導管和組織中區分出來。此外depth-integrated SC-OCTA還展現出冠狀動脈分支成像的能力，并能將其與鄰近的淋巴管區分開來（圖4e）。高分辨率和對比度還允許對淋巴管進行成像，能夠輕易辨別出其中瓣膜的三尖瓣結構（圖4d）。
圖4 小鼠血管和淋巴管成像。前腹壁（a-d）。心表面（e-g）。a.反向557 nm、SC-OCTA和depth-integrated SC-OCTA的B-scan比較。綠色箭頭：血管；白色箭頭：淋巴管；紅色箭頭：脂肪細胞。b.側視剝離圖，depth-integrated SC-OCTA展示血管（綠色），移除血管的反向557 nm展示脂肪/淋巴組織（白色/橙色），全光譜505–695 nm OCT顯示高度散射的組織（灰色）。c.顏色編碼的3D渲染。depth-integrated SC-OCTA（綠色）顯示血管，反向557 nm（白色/橙色）顯示脂肪細胞（紅色星號）和淋巴管（黑色箭頭）。藍色虛線為a橫截面位置。d. c中黑框內淋巴管瓣膜1 （LV1）和淋巴管瓣膜2 （LV2）的3D渲染和B-scan橫截面圖，顯示出三尖瓣結構。e.顏色編碼的3D渲染。depth-integrated SC-OCTA （綠色）顯示血管，反向557 nm（白色/橙色）顯示白色淋巴管。f. e的俯視圖，顯示血管分支（黃色箭頭）和淋巴管（白色箭頭）。g.相應的免疫熒光顯微圖。
全文小結
本研究展示了一種基于可見光譜OCT的血管及組織成像方法，能夠以單次掃描實現分子靈敏度的三維成像。隨著OCTA算法的持續優化，有希望將可視OCT用于內窺鏡檢查，以實現具有分子靈敏度的微創體內成像。 參考文獻：Winkelmann, James A. , et al. "Spectral contrast optical coherence tomography angiography enables single-scan vessel imaging." Light: Science & Applications 8.1(2019).