涂应锋 唐昊 于波

作者单位：150060 黑龙江哈尔滨，哈尔滨医科大学附属第二医院心内科 省部共建教育部重点实验室

目前，我国心血管疾病死亡占城乡居民总死亡原因的首位，农村为45.01%，城市为42.61%[1］。由于心血管疾病危险因素流行趋势明显，今后10年我国心血管疾病患病及死亡人数仍将快速增长。根据《2016年中国卫生和计划生育统计年鉴》[2］，尽管临床上采取积极的药物及冠状动脉介入等干预治疗策略，我国城乡居民冠心病死亡率总体仍呈上升态势。现在普遍认为动脉粥样硬化（atherosclerosis，AS） 易损斑块是心血管疾病的主要致死原因[3］。易损斑块是指所有具有破裂倾向、易于发生血栓或进展迅速的危险斑块。超过70%的急性心血管事件是由斑块破裂和继发血栓形成所致[4］。因此，深入研究易损斑块分子机制，开发早期识别易损斑块的方法，指导临床进行有效防治AS，降低心血管疾病的发病率和死亡率，已成为当前临床心血管疾病防治亟待解决的重大难题之一。

由于传统血管内光学相干断层成像（optical coherence tomography，OCT）对于易损斑块演变进程监测的局限性，新型血管腔内影像技术不断涌现，其中包括近红外光谱技术（near infrared spectroscopy，NIRS）、血管内光声成像（intravascular photoacoustic，IVPA）、近红外荧光分子成像（near infrared fluorescence，NIRF）和荧光寿命成像（fluorescence lifetime imaging，FLIM）、偏振敏感OCT（PS-OCT）以及光学相干层析血管造影技术（optical coherence tomography angiography，OCTA）等。新型影像技术有望突破传统成像技术的局限性，能够更加精准地评估AS的病理生理过程。另外，融合不同模态的成像设备和成像技术，可能实现取长补短和优势互补，从而更全面、更完整地获取AS易损斑块解剖结构、组织细胞分布及分子成分多元信息等，实现AS易损斑块多层次、多角度的可视化成像，成为当前腔内影像学技术发展的新趋势。

1 OCT发展现状

有研究表明，斑块的成分及特征决定其进程并影响患者预后[5］。AS斑块的成分及形态学特征是决定其稳定性的关键，易损斑块早期诊断、干预，对预防临床急性冠状动脉综合征（acute coronary syndrome，ACS）的发生有重要意义。传统影像技术，如冠状动脉造影，虽然是评价冠状动脉狭窄程度的金标准，但只能显示斑块所造成的血管解剖结构的狭窄程度，并不能反映斑块的病理生理性质，也不能有效地识别易损斑块。血管腔内成像技术已经在临床中应用，并能评估AS斑块负荷和易损性。OCT是一种新的高分辨率断面成像模式，最突出优势就是其极高分辨率，可达10～15 μm，其最大成像深度为1～2 mm，几乎相当于冠状动脉壁全层厚度，能极清晰地将增厚的内膜与含有脂质的斑块区分开，并能识别纤维帽厚度[6-9］。OCT的高分辨率特性对发现易损斑块具有极大的应用潜力，在冠状动脉干预前后可以用来对结构进行更精确的评价。但OCT 的穿透深度有限，若斑块过大，不能对整个斑块进行成像，且不能够评价斑块负荷，需要与其他腔内影像学联合应用来对斑块的性质进行综合评价。最近，Ochijewicz等[10］指出融合多模态成像技术，如血管内超声（intravascular ultrasonography，IVUS）、OCT、NIRS以及功能成像等是未来腔内影像学发展的方向。融合血管成像技术是通过先进的数据融合方法，能够快速进行冠状动脉血运重建，准确评估血管的几何学解剖结构、斑块成分以及脆性斑块的分布，虽然有一定局限性，但是预计在未来几年将克服现有设计的不足，使其在实验研究和临床实践中能够广泛应用。

2 基于OCT多模成像技术

2.1 OCT-IVUS多模态成像

在现有临床应用的血管内成像技术中，IVUS的穿透力较强，但空间分辨率差；而OCT能够提供接近组织学水平的分辨率，但成像穿透深度有限。因此，单一的IVUS或OCT很难完全提供斑块内部完整的解剖学信息。理论上，将IVUS与OCT成像导管集成到同一成像导管中，可实现二者的多模成像，能提供更加理想的斑块与血管壁的组织学和形态学信息。基于此假设，一些研究者已经尝试将两种成像技术融合，构建OCT-IVUS多模成像探头，对斑块的发生及进展进行评估[11-13］。2010年，Yin等[11］首次通过构建OCT-IVUS融合成像设备，在离体条件下对兔主动脉斑块进行成像，奠定了腔内多模态融合成像的基础。随后，Guo等[14］利用融合OCT-IVUS成像技术实现了患者在体冠状动脉内成像，结果显示OCT-IVUS成像可同时提供斑块纤维帽厚度、斑块负荷等信息。但是，该双模态成像设备在技术方面仍然存在很多缺陷，如目前集成导管的刚性尖端长度为5 mm左右，而临床广泛应用的IVUS导丝刚性探头为2 mm，这可能会导致导管难以通过明显弯曲的狭窄病变。刚性尖端的长度主要受OCT探头中多个光学部件的限制，未来需要设计更短的刚性探头来解决这一问题。此外，目前OCT- IVUS融合成像技术仍然面临诸多的瓶颈问题亟待解决，如：融合成像导管较粗、成像质量较差、成像回撤速度慢、图像融合度差等，单纯将IVUS与OCT两种不同模态的成像技术进行整合并不能完全克服两种成像模式的技术缺陷。

2.2 双光源OCT成像

在OCT系统中，轴向（深度）分辨率取决于多种因素，且与成像深度成反比。目前在临床应用中，主要使用基于中心波长为1.3 μm扫频光源的OCT系统来识别薄纤维帽[7］，但其穿透深度通常＜1.5 mm。有研究表明，1.6～1.8 μm波段是生物组织的最佳光谱窗口，可以在图像较深的位置获得较高的图像对比度[15］。因此，1.7 μm波长的光可以穿透更深的组织，获得更多的结构信息，从而使大的脂质池可视化。相比1.3 μm的OCT系统，1.7 μm的OCT系统有以下两大特点：（1）由于脂质对1.7 μm波长的光吸收峰更高，所以脂质斑块与正常组织之间的对比度更加明显[16］；（2）相同光源带宽下，1.7 μm的系统比1.3 μm纵向分辨率理论上降低了71%，更深的组织穿透深度不可避免地牺牲了一定图像纵向分辨能力。因此，结合二者的优势，开发一种1.7 μm和1.3 μm双光源OCT系统，兼顾高分辨率与高穿透性，将更好地识别AS斑块的形态和成分。2017年，Chuang等[17］首次运用1.7 μm和1.3 μm两种不同波长的扫频光源，对人体冠状动脉尸解标本进行体外成像，结果显示，1.7 μm OCT系统的穿透力有所增强，且同样具有较高的分辨率。然而，目前1.7 μm OCT系统远非最佳的成像系统，原因是目前的光耦合器工作波长以1.3 μm或1.5 μm为中心波长，从而降低了光源的输出能量。此外，1.7 μm的OCT系统的探测器灵敏度范围为0.8～1.7 μm波长，在1.31 μm波长处成像效果最优，却显著降低该系统的检测效率[17］。如果定制耦合器和探测器，优化1.7 μm波长的扫频光源，将显著提高双光源OCT系统性能。传统1.3 μm OCT成像系统与1.7 μm横扫激光源的整合将提供一个功能强大的腔内成像模式，为在体识别AS易损斑块的病理生理过程提供新的契机。因此，双光源OCT成像技术可以解决当前腔内OCT-IVUS成像所面临的诸多技术难题，该成像模式必将成为AS易损斑块机制研究以及未来心血管疾病防治的重要工具。

2.3 OCT-NIRS

有研究表明，斑块组织的成分以及形态特征决定其进程并影响患者的预后[18］。AS斑块的成分及形态学特征是决定其稳定性的关键。Libby[5］提出斑块成分的精确识别有助于解析从稳定无症状的斑块到急性心血管事件的发生机制。OCT成像对富含脂质的AS斑块成分的分析有一定局限性，无法了解易损斑块内细胞及分子成分，难以动态监测易损斑块的发生和发展过程，并不适合用于易损斑块早期筛查和诊断。如能整合一种深度检测细胞和分子成分的成像技术，将大大提高AS易损斑块检测的特异度和敏感度。OCT穿透能力有限，其对斑块成分的检测会受到影响，但NIRS可对脂质成分进行精准的定性、定量检测。2013年Fard等[19］首次研发出OCT-NIRS双模成像系统，该系统将OCT和NIRS导管整合成单一导管，同时进行OCT和NIRS成像。结果显示该系统可以观察到冠状动脉的纤维结构和组织成分光谱信息，为检测斑块易损性提供了新的方向。但是，OCT-NIRS多模成像技术在评估斑块内皮细胞功能等方面存在缺陷，并且对于斑块负荷、重构和炎性细胞的评估性能一般。

2.4 OCT-NIRF

NIRF是一种可临床转化的成像方法，能够识别斑块炎症相关分子，大大提高对斑块进展和并发症风险的识别能力，可与OCT的结构性成像方法相互配合。Yoo等[20］首次提出将OCT和NIRF融合于同一个腔内成像导管内，并在兔颈AS模型中进行了活体验证，大大增加了该成像技术的临床实用性。此外，Verjans等[21］利用该技术观察离体的人颈动脉斑块，并且应用OCTNIRF成像技术对猪冠状动脉进行活体成像检查。结果显示实验组对于对比剂吲哚绿（ICG）的耐受性好，无过敏反应，且ICG在易损斑块内的聚集与巨噬细胞、脂质以及斑块内出血的分布密切相关。该实验研究为OCT-NIRF的临床应用提供了坚实的依据。OCT-NIRF融合成像技术不足之处在于需要注入外源性荧光物质；另外，该融合技术的穿透深度有限，只有4.6 mm，不能准确提供冠状动脉深部的结构和功能信息。为了改进OCT-NIRF需要外源性荧光物质的不足，Wang等[22］首次利用内源性自发荧光进行显像，成功研制出OCT-NIRF融合成像技术，使用该技术实现体外检测AS斑块的成分。未来OCT-NIRF多模成像技术应用于临床后，对于精确评估易损斑块、优化冠心病患者的治疗策略以及预后管理具有重要的指导意义。但是，目前OCT-NIRF多模成像尚处于动物实验阶段，且对斑块负荷以及重构性能评估能力差，不能准确评估内皮细胞剪切应力的作用，难以评估新生血管分布，但对评估管腔面积、纤维帽厚度以及炎症方面有优势。

2.5 OCT-FLIM

有研究证实，FLIM可以检测脂质和胶原蛋白的含量，OCTFLIM结合可以得到冠状动脉斑块形态学和生物化学的详细组成与分布[23］。2015年，Jo等[23］首次使用OCT-FLIM多模成像在体外检测AS斑块，结果显示FLIM识别管腔脂质和胶原的准确性接近100%。另外，该OCT-FLIM融合系统能够提供更多的组织病理学信息，且不需要使用对比剂，这为研究斑块机制提供了新的方法。需要指出的是，目前的OCT-FLIM成像仅限于体外实验，使用的OCT波长为0.85 μm，明显短于传统的1.3 μm，因而其穿透深度较常规血管内OCT更差，且该OCT-FLIM多模成像设备在体临床应用还必须克服血流干扰等诸多问题。

2.6 PS-OCT

相对于传统的OCT系统，PS-OCT对于组织的双折射特性具有较高的敏感度，其利用偏振光对生物组织探测，有效地提高了双折射生物组织探测的实际分辨率和对比度，这些是传统的OCT无法实现的[24-27］。自1997年de Boer等[28］研制出第一代PSOCT后，经过多年技术发展，PS-OCT已具备高灵敏度、快速的功能性成像性能，并应用于很多生物医学领域。易损斑块纤维帽较薄，且胶原含量少，然而当前有关纤维帽的胶原成分对斑块易损性的影响机制尚不清楚，准确评估纤维帽中胶原含量及空间分布将有助于更加精确地判断斑块的风险度。PS-OCT可通过测量胶原、血管平滑肌细胞以及炎症细胞等定向排列结构的双折射值来准确识别斑块组织的类型[25］。此外，PS-OCT能精确识别易损斑块内钙化结节、胆固醇结晶以及巨噬细胞分布。因此，OCT结构成像结合其双折射测量技术未来有可能实现血管腔内对于形态结构水平、组织成分水平、超微结构水平和生物学功能水平的多重分析。

2.7 光学相干层析血管造影技术（optical coherence tomography angiography， OCTA）

斑块内新生血管密度与斑块大小、斑块易损性密切相关，斑块内新生血管近来已经证实是斑块易损性的重要标志[29-32］。在以往的研究中，由于超声心动图、磁共振成像、计算机断层扫描、冠状动脉造影、IVUS等仪器不能活体观察AS斑块内新生血管生成，限制了新生血管与斑块易损性关系的研究。OCT能观察血管壁的三层结构、斑块的性质以及斑块内新生血管等微细结构，但是在较大的脂质核心以及红血栓的OCT图像远端出现低信号，影响其检测的准确性。因此，亟需发展一种具有更高空间分辨率，更少运动伪像，更高帧频活体成像设备与成像方法，显示易损斑块内低速率血流的微小血管特点，揭示其与斑块易损性的关系。光学成像技术具有较高的分辨率，有望实现识别单根毛细血管，结合光谱、频率等信号还可以获取组织代谢的生理功能信息。Wang等[33］提出OCTA概念，该技术通过光学微血管成像算法，可以从静态生物组织的背景信号中提取血细胞运动信号进而实现血液循环系统高精度成像。由于其无创、无损、无接触以及不依赖对比剂等一系列突出的优点，OCTA技术已成为眼科成像领域最重要的研究热点。此外，有研究将OCTA技术从视网膜拓展到皮肤成像，成功地运用扫频OCTA系统，结合更敏感的基于复数信息的血流成像算法，达到高穿透深度、高灵敏的血流成像，用于观测各皮肤病的血流异常[34-35］。

如果能将OCTA技术应用于心血管成像中，可清晰观察到AS斑块中的微血管，也能识别斑块不同分层的微血管密度及其分布，对研究新生血管与斑块易损性之间的关系至关重要。Qin等[36］首次运用OCTA技术实现无标记三维冠状动脉微血管造影，为实现腔内OCTA评估AS易损斑块新生血管形成奠定了坚实的理论基础和技术支撑。该研究同时指出，未来腔内OCTA将是一种快速新型的血流成像技术，具有分辨率高、扫描速度快、特异性好、结果直观、可量化血流等优点，不仅能够精确地定性分析血管形态，更重要的是能够分析斑块内新生血管密度与分布，同时还能对易损斑块病变深度进行评估。这些优势将使OCTA发展成为一种理想的易损斑块内腔内成像技术，并逐渐成为医学基础研究和应用必不可少的工具。

综上所述，目前国内外基于OCT的多模多功能高集成腔内光学成像系统的研发尚处在起步阶段，还没有形成真正的在硬件和软件层次上均融合的多功能OCT成像系统，而且国际上至今尚无针对基于OCT多模态光学腔内影像数据的计算软件。针对AS易损斑块解剖结构、斑块内组织化学成分以及新生血管形成在体识别，开发基于OCT的多模多功能血管内光学相干成像系统；利用成像设备实现多模态、多层次、多尺度在体检测AS易损斑块，为易损斑块发生发展机制的研究及对易损斑块早期精确诊断提供新的技术手段。融合双光源OCT、无标记微血管造影、偏振敏感成像以及分子成像等高集成腔内光学成像系统将来可能有效地弥补了各种单模态成像的缺点，能够同时获得多种新的检测参数，可用于AS易损斑块解剖结构、新生血管及分子成分和功能可视化，可尽早预测罪犯病变部位，起到早期预警的效果。因此，基于OCT多模多功能成像无论在基础研究，还是在临床应用中均已显示出广阔的应用前景，而且将成为基础研究成果转化到临床应用的重要桥梁。