光学相干层析成像技术在医学中的应用

・综述・光学相干层析成像技术在医学中的应用

梅武轩1　曾常春2

摘要光学相干层析成像(opticalcoherencetomography,OCT)技术是一种新型成像技术,是继X射线、CT和磁共振成像技术之后,又一新的断层成像技术。光学相干层析成像技术可以检测到在体活体组织表面2～3mm深度组织微观结构,实现三维成像,在生物医学和许多领域被广泛地应用。本文为光学相干层析成像技术在眼科、皮肤科、心血管系统、消化系统及中医学等的应用研究进展的概述。

关键词　光学相干层析成像技术;　显微成像;　医学中图分类号:　R445 文献标识码:　A 文章编号:　1003-9430(2010)01-0054-04

　基金项目:　湖北省教育厅中青年项目(Q20092804)　作者单位:　11湖北咸宁学院医学院内科教研室(咸宁市,437100)　21华南师范大学信息光电子科技学院光子医学实验室　作者简介:　梅武轩(1969～　),男,湖北黄梅人,医学博士,副主任医师,副教授,主要从事中西医结合消化疾病的防治研究。ApplicationofOpticalCoherenceTomographyTechnologyinMedicine

MEIWu2xuan1,ZENGChang2chun2

11DepartmentofInternalMedicine,XianningMedicalCollege,Xianning,Hubei437100,China　21DepartmentofPhotomedicine,SouthChinaNormalUniversity,Guangzhou

ABSTRACTOpticalcoherencetomography(OCT)isanoveltomographyimagingtechnique,itisananothernewtomographyafterX2ray,CTandmagneticresonanceimagingtechnology.OCTcandetectthesurfaceofinvivobiopsydepthof223mmorganizationstoimplementthemicro2structureofthree2dimensionalimaging.Ithasasignificantapplicationinmanyareasofbiomedicineandawiderange.Theapplicationinophthalmology,dermatology,cardiovascularsystem,digestivesystemandinTCMresearchsoonisdescribed.

Keywords　Opticalcoherencetomography;microimaging;medicine

光学相干层析成像(opticalcoherencetomography,OCT)技术是一种新型成像技术。OCT技术将半导体、超快激光技术、超灵敏探测、精密自动控制和计算机图像处理等多项技术结合为一整体,是继X射线、CT和磁共振成像技术之后,又一新的断层成像技术[1]。OCT技术的应用,可获得微米量级的空间分辨率,并具有较高的时间分辨率,可以对机体活体表面下深2～3mm的组织微观结构实行三维成像,在生物医学和其他许多领域被广泛应用。现将其在医学中的应用综述如下。一、在眼科的应用OCT技术的第一个临床应用领域就是眼科学。传统的诊断方法由于不能探测到眼底组织的细微变化,通常眼底病病情严重时方能明确诊断。OCT可对一些眼科疾病进行早期诊断。OCT技术主要测定视神经纤维的厚度、测量视网膜结构、拍摄黄斑疾病、诊断和检测视网膜疾病等,因此可以检测诸如青光眼、糖尿病性黄斑水肿等需要定量测试视网膜变

・45・中国激光医学杂志2010年2月第19卷第1期　ChinJLaserMedSurg,February2010,Vol19,No11化的疾病[123]。OCT诊断各种视网膜疾病非常有用,从有斑点产生,到青光眼形成,再到视网膜脱离均可探测,在眼科临床检测方面得到广泛的应用[429]。对于青光眼的诊断和处理,传统的诊断方法由于不能直接扩瞳观察视网膜,临床上对此类疾病的诊治比较棘手。眼内压测量只有在病变后期视网膜神经纤维缺少50%以上时,才能检测到视野缺损和视神经乳头凹陷,因而不利于疾病的早期诊治。OCT拥有很高的成像分辨率,无须使用阿托品扩瞳,是这类疾病检查的可行工具。相对于玻璃体和视网膜结构,视网膜神经纤维层(retinalnervefiberlayer,RNFL)是一个相对高散射的介质层,由于视网膜神经纤维的独特结构,RNFL的后向散射信号强度依赖于入射光的角度,这种依赖性导致了RNFL信号的衰减。OCT可以及时了解RNFL厚度的变化,进而估测青光眼病情。Tsai[4]应用OCT对具有正常视野的急性原发性闭角型青光眼患者发作后RNFL厚度和正常眼RNFL厚度进行对比,发现青光眼发作时1/4RNFL厚度较正常对照组和另侧眼组有显著的差别,具有正常视野的急性原发性闭角型青光眼患者发作后RNFL厚度显著减小,据此提出OCT测量的RNFL厚度与视神经功能密切相关,可作为区别青光眼和正常眼的手段之一。我国台湾学者Chen等[5]应用OCT定量测定早期伴有视野缺损的原发性开角型青光眼患者和正常人RNFL的厚度,并分析了RNFL的厚度与伴有视野缺损的早期青光眼的相关性,发现在两组中RNFL的厚度明显不同,据此提出通过OCT测量RNFL的厚度有助于早期青光眼的诊断。二、在皮肤科的应用临床上皮肤病能够引起皮肤组织结构的病变,如炎症、角质层的角化过度、角化不全和坏死等均可引起皮肤组织微观结构的改变。皮肤组织病理学的检查,以往需要取活体组织,除了引发医源性感染外,对痛感神经分布发达的皮肤及黏膜活检时可给患者带来了明显的疼痛。OCT具有高分辨率、非侵入性、操作简便、费用低廉等优点,因此可能成为皮肤病临床诊断的有效工具,也为皮肤病研究人员提供新的研究手段[10,11]。OCT可观察到表皮和真皮的超微结构,可起到类似活体组织病理学观察的作用,可用于诊断皮肤疾病。例如,利用高分辨率的OCT能检测到人体健康皮肤的表皮层、真皮层、附属器和血管[11];波长为830nm的光源,将甘油和丙二醇涂于小鼠皮肤表面OCT成像,可见表皮、表皮基底层、真皮乳头层、真皮网状层、皮下组织、筋膜、肌肉和毛囊。Welzel等[11]用各种外部刺激引导正常皮肤形态和功能的改变,并成功地应用OCT检测了其中角质层厚度的改变和由黑素、水肿和红斑导致的改变,表明不同的生理状况将影响皮肤的光学特性。Yeh等[12]用OCT、多光子显微镜(multiphotonmi2croscope,MPM)在皮肤组织仿真模型中检测激光热损伤和随后的损伤修复。Welzel等[13]用OCT鉴别表皮层和真皮层疱疹的定位、恶性黑色素瘤诊断、手湿疹成像、疥螨和螨下面皮肤的孔成像等。ZhongHQ等[14]利用OCT对实验性大鼠皮肤损伤进行成像研究,表明有很好的效果。OCT还可用于接触性皮炎和牛皮癣的检测[15]。三、在心血管系统的应用OCT对冠状动脉硬化、心肌梗死等血管性疾病诊断有独特的优势[16218]。以往的成像技术无法迅速而明确地得到心血管粥样硬化、栓塞、心肌缺血坏死等病情。在冠状动脉OCT成像中,由于该系统的分辨率和灵敏度都很高,冠状动脉组织有较大的后向散射和脂肪钙化斑状的阴影效应,使脂肪钙化斑状层、纤维动脉粥样化和正常动脉壁对比十分明显。Jang等[19,20]研制出基于导管系统的冠状动脉内OCT成像系统并将这种技术首次用于人类,结果表明OCT比血管内超声(intravascularultrasound,IVUS)更加优越,分辨率更高(10μm比100μm),OCT除了能检测出大多数IVUS检测出的结构特征,还提供更详细的结构信息。OCT可以检测到断裂的内膜、腔内血栓、球囊造成的夹层的深度、切割球囊的切口、组织脱垂和未展开的支柱和内膜增生。作者认为这种新成像技术可能在改善冠状动脉介入效果和识别易损斑块方面发挥重要作用。在活体蛙心脏跳动的OCT图像中,可观察到与心脏结构和功能有关的定性、定量信息,如节拍律、室壁位置、心脏收缩和舒张期间心室容积等[1]。美国加利福尼亚大学的Chen等[21],将OCT成像与多普勒技术相结合,组成一种新的检测仪器———光学多普勒层析系统(opticalDopplertomography,ODT),这种系统可以用来检测高散射介质中的流体速度,如皮肤表层的血流速度,可用于确定亚表层中微血管直径和血流速度分布等,对疾病的诊断很有帮助。OCT成像的管状化和内镜式活检[22]可以帮助医师充分了解病变的部位、范围、程度和类型等信息,对心血管疾病的诊断、治疗和疗效提供参考依据。四、在消化系统的应用以往胃肠道病变(如早期的胃炎、胃癌、十二指肠溃疡和胰腺癌等)的早期诊断一直困扰着医学界。常规活检容易造成局部感染,运用OCT可以避免活检对人体的伤害,而且对组织的微观结构的成像质量接近或达到组织病理学水平,使医生能更加直观地了解组织微观结构的变化,并为疾病的诊治提供科学的参考依据[22]。对于肿瘤侵犯血管等难以活检或活检不可到达部位的病变,OCT成像能够以近似无创的方式进行观察。同时在一些必须活检的部位,OCT可以作为导航工具,引导临床医生选择最佳的活检部位,这样降低了活检过程中的并发症,并能提高活检的成功及阳性率。钟会清等[24]利用OCT技术动态观察溃疡的愈合过程,为动态、在体研究溃疡的愈合质量提供了有益的尝试。Evans等[25,26]和Bouma等[27]采用与病理对照的方法研究食管的OCT图像特征及对Barrett食管的诊断意义。结果显示,OCT能清楚地区分正常人食管上皮及肌层,对Barrett食管的诊断敏感性和特异性分别为83%和75%,认为OCT是对内镜一个有益的补充。Sivak等[28]将直径214mm的圆型OCT探针通过内镜插入,得到360°的横向扫描图片,变换探头和黏膜表面的距离产生了不同深度的胃肠壁的图像。在活体胃肠组织的OCT・55・中国激光医学杂志2010年2月第19卷第1期　ChinJLaserMedSurg,February2010,Vol19,No11图像中,隐窝腔、上皮细胞和固有层之间的后向散射振幅之间的差异清楚,黏膜和黏膜下层清晰可见。五、在中医学的应用由于OCT系统比超声波成像、CT、核磁共振和正电子发射层析成像技术等具有独特的优点,可用于中医学方面的临床研究。人体各器官的信息在一些眼、耳、舌面、手腕桡动脉等部位都会有集中的反映,中医对这些区域进行望闻问切就成为诊断病情的依据。其中舌苔面积大,其颜色、形态变化比较明显,直观性强,历来是中医诊病时观察主要区域之一。但对舌苔形状、厚薄的分辨却一直是凭医师的经验,伸缩性大,不能对此有定量分析。曾常春等[29]和ZhongHQ等[30]将OCT应用于中医舌诊中,对大鼠的舌苔及舌苔下浅表舌体组织进行显微成像观察,结果显示此方法能够实现舌体深层组织的显微成像。可观察到三层基本结构:表面舌苔层、舌表面上皮细胞层与舌体组织层;OCT的在体显微扫描也可见三层组织结构:舌苔分布层、舌苔与舌体的紧密连接分界层、舌体组织结构层;通过测量发现,OCT与常规组织切片光镜下显示的舌组织外两层结构具有一定的相似性。另外,对OCT在体显微成像后图像的分析,可以实现将舌苔苔质的厚薄、润燥、腐腻和有根无根的量化性研究,对剥落、消长等变化方面可进行客观的评价,并对脾胃湿热证大鼠舌苔的厚度与舌体的津液量进行了量化性分析[31]。作为一种新兴的成像技术,OCT技术以其独特的魅力在科学研究和医学临床上具有广泛的应用前景。相比于技术已经成熟的超声、CT、PET和MRI等成像装置,OCT技术也有其自身的局限性和缺陷:光源的选择标准不够统一、成像深度浅等,但OCT技术可以作为传统成像技术的补充,随着该技术的不断改进,其应用范围必将进一步扩大。参　考　文　献[1]SwansonEA,IzattJA,HeeMR,etal.Invivoretinalima2gingbyopticalcoherencetomography[J].OptLett,1993,18:186421866.[2]HeeMR,IzattJA,SwansonEA,etal.Opticalcoherencetomographyofthehumanretina[J].ArchOpthalmol,1995,113:3262332.[3]HoehnF,MirshahiA,HattenbachLO.Opticalcoherencetomographyfordiagnosisofposteriorvitreousdetachmentatthemacularregion[J].EurJOphthalmol,2009,19:4422447.[4]TsaiJC.Opticalcoherencetomographymeasurementofret2inanervefiberlayerafteracuteprimaryangleclosurewithnormalvisualfield[J].AmJOphthalmol,2006,141:9702972.[5]ChenHY,WangTH,LeeYM,etal.Retinalfiberlayerthicknessmeasuredbyopticalcoherencetomographyanditscorrelationwithvisualfielddefectsinearlyglaucoma[J].JFormosMedAssec,2005,104:9272934.[6]PoloV,LarrosaJM,FerrerasA,etal.Comparativestudyofretinalnervefiberlayerthicknessinnormaleyes,ocularhypertensives,preperimetricglaucomaandglaucomatoussubjects[J].AnnOphthalmol(Skokie),2009,41:24230.[7]SamarawickramaC,WangJJ,HuynhSC,etal.Macularthickness,retinalthickness,andopticdiskparametersindominantcomparedwithnondominanteyes[J].JAAPOS,2009,13:1422147.[8]ValmaggiaC,HaueterI,KloosP,etal.Thetreatmentofchoroidalneovascularizationsinage2relatedmaculardegen2erationusingeitherAvastinorLucentis[J].KlinMonatsblAugenheilkd,2009,226:2942298.[9]IaccarinoG,CennamoG,ForteR,etal.Evaluationofposteriorpolewithechographyandopticalcoherencetomo2graphyinpatientswithBehcet’sdisease[J].Ophthalmologi2ca,2009,223:2502255.[10]CossmannM,WelzelJ.Evaluationoftheatrophogenicpotentialofdifferentglucocorticoidsusingopticalcoher2encetomography,202MHzultrasoundandprofilometry;ad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