前沿 | 具有长焦深和高分辨率的光学相干层析血管造影术

研究背景

      光学相干层析成像（OCT）常用于眼底成像和脑成像中。如果使用OCT对目标区域进行结构观察，只有病情恶化到发生结构上的改变时才能观察出病变。幸运的是，一些早期病变会率先反映到血管网络的变化上，比如脑中风、眼底糖尿病视网膜病变、老年黄斑变性等。倘若能在最初的血管网络发生变化时及时探测到，就可以施加干预阻止病情恶化。光学相干层析血管造影术（OCTA）作为无损、非标记、高分辨率的血管网络探测方案，在眼底和大脑检测中均有广阔的应用前景。在不损失分辨率的情况下扩大成像视场，有助于快速找出病变的位置，对光学医学成像技术有着重要价值。

      然而，由于横向分辨率与焦深（DOF）的制约关系，追求高分辨率往往就伴随着焦深的减少，导致在焦平面之外的横向分辨率迅速衰减。所以当对具有非平整表面的样本（如眼底、大脑以及大多数的生物组织）进行大视场高分辨率成像时，往往需要进行分块扫描再拼接，这就涉及到机械移动和复杂的图像拼接算法，极大地降低了成像速度。而对于血流动力学等对时效性要求较高的应用而言，耗时的增大可能会导致医生对当下病情的误判。所以想要对非平整样本进行非拼接的大视场快速高分辨率成像，就对光束的焦深提出了更高的要求。

论文导读

      本研究使用衍射光学元件（DOE）设计了适用于大视场OCTA的针形光束（Needle-shaped Beam，NB），搭建了具有长焦深高分辨率的血管造影系统。本研究中设计的针形光束通过对焦点的个数、像素的位置和初始相位的优化来改善光束质量使其兼顾了焦深的增大与光束的强度，保证了在焦深扩展后仍然具有足够的能量来获得高质量的血管造影。在文中对比了传统高斯光束（Gaussian Beam，GB）和NB在对鼠脑进行OCTA实验时的差异，凸显出了NB在大视场OCTA应用中的优势。本研究以Visualizing cortical blood perfusion after photothrombotic stroke in vivo by Needle-shaped beam optical coherence tomography angiography为题目于2024年3月发表于 PhotoniX 期刊。

主要研究内容

      针对OCTA中存在的横向分辨率与焦深的制约关系，本文提出了基于NB的OCTA系统，能够在不进行轴向扫描、拼接的前提下，在620 μm的轴向空间内保持优于8 μm的横向分辨率，焦深相较于传统的高斯光束扩大了3.4倍，能够实现对非平整表面样本血管分布的快速非拼接采集。并使用NB-OCTA实现了对脑中风长达10天的动态监测，定量分析了不同区域具有代表性的血管面积密度和直径，展示了中风后血流灌注的动态时空变化过程，有助于加深对缺血性中风损伤和随后的血管再生机制的理解。

技术突破

      OCTA已广泛用于对脑血管成像。然而，由于高分辨率的高斯光束焦深较短，而小鼠大脑又具有弧度，高斯光束较短的焦深只能使其有效照明相对平坦的区域，导致想获得大视场高分辨率脑部OCTA需要对多个小视场进行拼接，这就增加了硬件上的移动和图像拼接过程所带来的耗时和复杂性。相比而言，针形光束的焦深得到扩大，能够有效照明更大的鼠脑区域，

      在本实验中我们通过使用620 μm长的针形光束获得了小鼠大脑6.4 mm×4 mm的非拼接大视场血管造影图像，如图1所示。为了更好地可视化大脑弧度，我们对深度信息进行了颜色编码，从图1中的结果可以看出使用传统的高斯光束（能在180 μm的轴向范围实现优于8 μm的横向分辨率）可以对处于其焦深范围内相对平坦的区域进行血管成像，但由于焦深较短会漏掉外围下边缘的许多血管。相反，具有更长焦深的NB-OCTA则可以对整个区域清晰成像。

      在介绍中风观测实验之前，我们先介绍了为什么需要使用NB-OCTA来观测中风。如图2所示，分别使用高斯光束和针形光束来观测将要开展中风研究目标区域，该区域位于小鼠大脑矢状缝的左侧。视场大小为3.1 mm×2.5 mm，由于大脑的自然弯曲，该区域呈现左低右高的分布。通过对该区域三维OCT数据的读取求得其左右两侧的高度差为450 μm，该数值超过了绝大多数高分辨率OCT系统的焦深。传统的解决方案是先对一个处于焦深内部的子区域进行采集，再通过旋转样本或探头扫描其他区域，再将分块扫描的子图像进行拼接。然而这种方法需要复杂的软硬件配合，耗时严重，因此不适用于快速成像的场景，比如对脑中风这种血流灌注状态实时变化的应用场景来说，耗时的采集可能会影响医生对当下中风状态的判断。

      相比而言，本研究所提出的NB-OCTA具有比目标区域高度差更大的DOF，可以在不需要分区扫描的情况下对样本直接进行高分辨率成像，实验结果如2所示。高斯光束聚焦在红色方框所对应的轴向位置，从图中能够清楚观察到处于高斯光束DOF之外的黄色和绿色框中的分辨率下降严重，而使用NB-OCTA获取的结果则仍然保持高分辨率。在图2（c）、（d）、（e）中各选择了一条血管（图中蓝色箭头所示）来对其直径进行测量，测量结果分别如图（f）、（g）、（h）所示，黄色框中的血管直径在GB-OCTA中由于分辨率的下降由18 μm展宽至34 μm，绿色框中的血管直径在GB-OCTA中由21 μm展宽至34 μm，红色框中的血管直径展现出了一致的测量结果。

      基于图2的实验结果，对该区域进行光致中风造模并使用NB-OCTA对中风后的恢复过程进行观测。图3显示了中风后小鼠脑皮层从急性缺血到慢性恢复的整个过程，前两张baseline图像是诱导前的正常状态。在中风诱导后，形成了一个局部核心缺血区，中风第一天（数据采集于诱导后的30分钟），观察到部分血流信号缺失。在接下来的两天里，缺血区明显扩大，核心区域的血管网络明显消失。大约第四天，血管网络开始恢复，缺血区开始缩小。此外，图中红色箭头所示的大血管直径明显扩大变粗，可能是为了补偿其他被堵塞血管的运输功能。在第五和第六天，更多被堵塞的血管出现自发再灌注。从第七天开始，缺血区趋于稳定，因补偿效应而变粗的血管也开始恢复正常。然而，与中风形成前的初始图像相比，一些深层毛细血管没有出现再灌注。

      本实验揭示了血流灌注的动态时空演化，为中风实时监测和治疗评估提供了强大的监测工具，有助于在缺血性中风和其他疾病临床治疗中提供指导。若是使用传统的GB-OCTA，由于焦深受限且样本存在高度差，想获得同样视场的高分辨率图像需要分块扫描再拼接，工作量大，且实时性差。

观点评述

      在整个中风恢复过程中，血液的灌注状态是实时变化的，如果使用传统的GB-OCTA观察这一过程，由于焦深较短需要进行图像拼接，进而导致成像速度较慢，而且拼接后的图像并不代表完全相同的采集时刻，这可能会影响临床医生和研究人员对中风状态做出准确判断。NB-OCTA焦深的扩大可以在不进行分块扫描和拼接子区域的情况下实现快速成像，这也使得术中导航成为可能。借助GPU的帮助，NB-OCTA可以在手术过程中提供大视场高分辨率结构信息和血流信息的实时横截面图与3D体数据。有理由相信，NB-OCTA成像可以帮助医生准确识别器官结构并定位病变区域，从而迅速而准确地做出决策。例如精确判断肿瘤切除范围，最大程度地保留正常组织等。

主要作者

      金国藩（通讯作者），光学仪器与光学信息处理专家，中国工程院院士，清华大学精密仪器系教授。

      郭翔宇（共同一作），清华大学精仪系博士研究生，研究方向为光学生物医学成像技术。有关研究成果以第一作者发表在PhotoniX、Biomedical Optics Express等期刊，2024年1月在SPIE Photonics West会议做邀请报告。

      赵精晶（共同一作），华中科技大学医疗装备科学与工程研究院、生命科学与技术学院双聘研究员，博导，国家级青年人才。2018至2023年，斯坦福医学院结构生物学系Adam de la Zerda实验室博士后、研究科学家，2017年获清华精仪系博士学位（导师尤政教授），获美知名大学工学院和医学院Tenure Track教职。以主要作者身份在Nature Photonics、Optica、ACS Nano、Cell Device、Science Advances等发表论文30篇，获中美专利20余项，在SPIE西部光电等国际会议等做邀请报告或分会场主席十余次，获国际流式协会发明家奖，任CYTO年会执委会委员、第30和31届Cytometry Development Workshop主席团成员等。

• PhotoniX 属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。是中国光学工程学会会刊，由中国光学工程学会、清华大学、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编。期刊拥有强大的国际编委和编辑团队。PhotoniX 主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

• PhotoniX 已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、ProQuest、CNKI、INSPEC、Dimensions等10多个数据库收录。2022年6月获得首个影响因子19.818，位列Q1区。同时进入《2022年中国科学院文献情报中心期刊分区表》，位列物理与天体物理大类和光学小类双一区，为Top期刊。中国科协首次颁布“光学工程和光学领域高质量期刊目录”PhotoniX 位列T1级。
  

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