通常的OCT血管造影术依靠运动来产生对比，并且每个扫描点至少需要采集两次数据，不仅成像时间较长且受运动状态影响较大。美国学者James A. Winkelmann等提出了一种光谱对比OCT血管造影术的方法，即使用可见光，利用血管中内源物质不同的光谱特性，如血红蛋白，实现单次扫描造影。研究证实该方法不但具有分子敏感性，还能够成功区分出淋巴管、血液和组织。研究成果在2019年以“Spectral contrast optical coherence tomography angiography enablessingle-scan vessel imaging”为题发表于Light: Science & Applications。
 

研究背景
 

OCT是一种无创光学成像方式，可以微米级分辨率对组织形态进行三维成像。除结构信息外，对OCT信号的增强处理还能提供功能和分子信息。早期利用血管内红细胞运动反向散射引起的多普勒相移来测量血流速度和描绘血管，称为Doppler OCT。随后利用相位方差、顺序扫描减法和散斑方差等算法，增强了OCT中的脉管系统对比度。但基于运动的OCT血管造影术也存在局限性，如对活体动物呼吸和脉搏运动敏感，通常会导致投成像结果中出现亮带伪影。

 除基于运动的OCT血管造影术之外，通过分辨不同光谱的吸收特征的SD-OCT（spectral domain OCT）在成像中也取得极大进展。光谱可见波段OCT成像使生物组织带上了真彩色。随着可见光谱OCT的发展，通过内源性造影剂定量血红蛋白浓度和氧合，通过外源性纳米颗粒造影剂获得分子信息将成为可能。

 本研究提出了一种新颖简便的血管造影成像的方法，称为SC-OCTA（spectral contrast OCT angiography）。SC-OCTA利用血红蛋白的*光谱特征，无需重复扫描即可进行3D血管造影，不仅能避免之前OCTA普遍存在的基于运动的伪影，并实现了迄今为止最快的SD-OCT血管造影采集速度。此外，这种基于光谱的血管分割方法对血流运动没有要求，因此能够对止血组织中的脉管系统成像，如心血管疾病中受损脉管系统出血。

 通常生物成像倾向于使用约700-900 nm的近红外（near-infrared, NIR）区域，因为相较于大于1000 nm的长波长，短波长能提供更高的OCT轴向分辨率，并且该区域落在“光学窗口”内。在“光学窗口”中，水和血红蛋白的吸收最小，使得光波能够高度渗透入组织中。这不但使得NIR OCT系统能够深入组织，同时降低了对血液和组织散射光谱特征的敏感性。血液吸收系数在400-600 nm内会高两个数量级，组织散射系数也会约为正常的两倍，这使可见光OCT系统对血液氧化敏感，能获得更高的图像对比度。

 SD-OCT通过对获取的干涉记录进行傅立叶变换来获取不同深度的样本信息（图1a）。通过短时傅里叶变换（STFT）对光谱进行二次采样，获得光谱相关的OCT A-line。因此，通过观察550-600 nm光谱相关OCT图像强度的对比度，可以在空间上观察到血液和组织的相反光谱斜率。研究人员在557和620 nm处发现Kaiser窗口，其半峰全宽（FWHM）约为38 nm，在血液和周围组织之间呈现高光谱对比度。

  

结果与讨论
 

为验证SC-OCT的成像能力，研究人员选择人体下唇粘膜（唇内侧）进行了成像对比研究。通过两个Kaiser窗中OCT图像强度的比值（620 nm除以557 nm），获得人体下唇粘膜的体内B-scan（图1b），以下称为SC-OCTA。在557 nm处的逆向OCT强度图像中，以下称为反向557 nm图像，由于在可见范围内的高对比度和高吸收，可轻易观察到血管。对于OCT系统，557 nm窗口和620 nm窗口的轴向分辨率分别为3.80和4.72 μm。根据比尔定律和米氏理论模拟，SC-OCTA方法只需一次扫描就能扫描到直径约4 μ m的毛细管。

 为证实毛细血管成像能力，比较了反向557 nm和SC-OCTA正面投影与传统的OCTA相位和振幅对比结果（图1c）。发现几种成像图中都可以看到唇粘膜中相同的八个毛细血管环，但传统OCT血管造影术需要对样本进行至少两次扫描。获取传统OCTA数据需要18.2 s，SC-OCTA数据需要4.5 s。傅里叶环相关分析得到传统OCTA的有效分辨率为20.19 μm，反向557 nm的有效分辨率为12.2 μm，SC-OCTA的有效分辨率为8.92 μm。这一分析表明相较于OCTA，反向557 nm和SC-OCTA对体内运动不敏感。唇粘膜的详细大视野证明了SC-OCTA在每个点扫描位置仅用一条A-line就能分辨出小动脉和毛细血管（图1d，e）。此外反向557 nm图像无法区分低散射结构和血红蛋白吸收，图1d中可见白色箭头所示的唾液腺导管，但在SC-OCTA图像中不可见（图1e）。



 

图1 人唇粘膜的活体成像。a.可见光OCT系统的简化示意图，可获得样本的3D光谱信息。b-e.健康志愿者唇粘膜（下唇）的活体成像。b.反向557 μm和反向620 μm的B-scan及其相应的STFT窗口，以及显示每个血管对比阴影的SC-OCTA B-scan。c.表面毛细血管环的血管造影正面投影与传统运动对比OCTA（64–111 μm）的比较、反向557 μm（55.6–140 μm）和SC-OCTA（83–209 μm）的表面毛细血管环的正面投影，及其相应的投影强度的比较。d.反向557 nm的3D渲染。e.与图d同一视场的深度编码血管图，包含来自SC-OCTA的饱和度和数值，以及来自反向557 nm的血管深度色调。红色方框为毛细管回路放大图。d和e中白色箭头为SC-OCTA正确未识别的唾液腺导管。

  因为SC-OCTA不依靠运动来进行对比，所以它可以对不流动的血液和高度运动的样本进行成像。研究人员制作了一个直径约为55 μm的牛血管模型，并记录了不同流量（图2）和振动下SC-OCTA和OCTA信号的信噪比。结果表明，与OCTA相比，SC-OCTA信号受流动的影响不显著，因此可以对高度运动的样本成像。

 

图2 牛血管模型成像。不同流动条件下SC-OCTA和OCTA的正面投影和相应的信噪比。SC-OCTA（流动：22.76 ± 1.42；2 min：21.99 ± 1.95；15 min：14.08 ± 1.30）。OCTA（流动：7.69 ± 1.13；2 min：5.74 ± 1.21；15 min：2.35 ± 0.60）。在流量测量过程中，模型血液灌注量为0.0006 μL/s，然后在停止灌注后2 min和15 min进行测量。可见在灌注停止后2 min，SC-OCTA信噪比没有受到显著影响，但15 min后由于血液浓度降低，信噪比受到显著影响。
  为证明SC-OCTA在止血情况下的效用，对新处死的小鼠大肠的浆膜表面进行了成像（图3）。这是已知的shouci使用OCT对具有内源性造影剂的非运动血液的组织进行血管造影。结果表明，OCTA在止血情况下难以分辨出任何血管，而SC-OCTA可以快速检测到几个血管（图3a）。

图3 小鼠大肠浆膜面止血成像。a. SC-OCTA和OCTA的正面投影和B-scan（蓝色虚线位置）对比。白色箭头为SC-OCTA（56–280 μm）和OCTA（28–33 μm）探测到的同一血管。可见在止血的情况下，SC-OCTA成像效果依旧良好，而OCTA甚至难以识别出大血管。b.大视野SC-OCTA，带有饱和度和值以及反向557 nm的血管深度色调。图为浆膜表面成像，位于大肠管腔侧表面正下方的低信号毛细血管环在SC-OCTA扫描中未能清晰显示。

  为证明SC-OCTA的分子敏感性，对新处死的小鼠网膜淋巴管和血管（图4a-d）以及心脏表面进行成像，并将同一心脏表面的成像图与组织学成像进行比较（图4e-g）。发现SC-OCTA能够将血管从低散射的淋巴管和脂肪细胞中区分出来。结合SC-OCAT和反向557 nm图像得到的depth-integrated SC-OCTA，其B-scan能够在三维空间显示出血管信息（图4），能够在毛细血管水平将唇粘膜脉管系统从唾液腺导管和组织中区分出来。此外depth-integrated SC-OCTA还展现出冠状动脉分支成像的能力，并能将其与邻近的淋巴管区分开来（图4e）。高分辨率和对比度还允许对淋巴管进行成像，能够轻易辨别出其中瓣膜的三尖瓣结构（图4d）。
 

图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比较。绿色箭头：血管；白色箭头：淋巴管；红色箭头：脂肪细胞。b.侧视剥离图，depth-integrated SC-OCTA展示血管（绿色），移除血管的反向557 nm展示脂肪/淋巴组织（白色/橙色），全光谱505–695 nm OCT显示高度散射的组织（灰色）。c.颜色编码的3D渲染。depth-integrated SC-OCTA（绿色）显示血管，反向557 nm（白色/橙色）显示脂肪细胞（红色星号）和淋巴管（黑色箭头）。蓝色虚线为a横截面位置。d. c中黑框内淋巴管瓣膜1 （LV1）和淋巴管瓣膜2 （LV2）的3D渲染和B-scan横截面图，显示出三尖瓣结构。e.颜色编码的3D渲染。depth-integrated SC-OCTA （绿色）显示血管，反向557 nm（白色/橙色）显示白色淋巴管。f. e的俯视图，显示血管分支（黄色箭头）和淋巴管（白色箭头）。g.相应的免疫荧光显微图。

  

全文小结
 

本研究展示了一种基于可见光谱OCT的血管及组织成像方法，能够以单次扫描实现分子灵敏度的三维成像。随着OCTA算法的持续优化，有希望将可视OCT用于内窥镜检查，以实现具有分子灵敏度的微创体内成像。 参考文献：Winkelmann, James A. , et al. "Spectral contrast optical coherence tomography angiography enables single-scan vessel imaging." Light: Science & Applications 8.1(2019).