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使用少模干涉术以3-D细胞分辨率进行心脏成像以诊断冠状动脉疾病

尹必伟和美国麻省总医院和哈佛医学院的跨学科研究人员开发的一种新的成像技术,可在亚细胞水平上提供分辨率,以对心脏的血管系统成像。结果,心脏研究人员可以更精确地研究和诊断人类冠状动脉疾病。传统上,心脏病专家使用血管内光学相干断层扫描(OCT)评估冠状动脉斑块的积聚,冠状动脉斑块的狭窄会使动脉狭窄而引起冠状动脉疾病。

但是,OCT技术仅受30微米(μm)的横向分辨率限制,因此研究人员无法获得亚细胞水平的图像来了解这种疾病。新开发的少模干涉术血管内成像系统包含3微米的分辨率,可提供动脉壁中细胞和亚细胞结构的图像。增强的视图可以在疾病诊断期间以更高的精度提供有关单个晶体,平滑肌细胞和炎症细胞的详细信息。该研究成果现已发表在《光:科学与应用》上。

光学相干地形图(OCT)是一种主流成像方法,主要用于在临床环境中获取横截面反射率,以对包括人体腔内器官在内的一系列人体组织成像。血管内OCT(IVOCT)在进入冠状动脉疾病过程中进入冠状动脉斑块结构并指导经皮冠状动脉介入治疗(PCI)十分重要。世界死亡的主要原因。生物工程师和心脏病学家最近展示了先进的IVOCT技术,例如将传统形式与其他成像和传感模式(例如荧光和近红外光谱法)相结合的多峰IVOCT 。其他创新包括偏振敏感的IVOCT来测量组织双折射并提供成像对比度,以及心跳IVOCT以便在不引入运动伪影的情况下在体内密集成像冠状动脉。提高OCT系统横向分辨率的最具挑战性的技术障碍包括调整横截面成像的聚焦深度(DOF)。先前实现DOF增加的研究具有阻止冠状动脉成像的腔内临床应用的外形或复杂性。

在目前的工作中,尹等人。美国专利No.5,775,404 描述了一种基于多模干涉术的血管内成像系统,该系统具有扩展的DOF,用于在大于1mm的深度范围内以细胞分辨率进行截面成像。该技术使他们能够通过柔性,亚毫米直径的导管离体和体内观察完整的人冠状动脉的细胞和亚细胞结构。研究人员使用低相干干涉技术解决了路径长度延迟问题,以解码在实验设置中以不同光程长度传播的每种模式所携带的信息。

多种传播模式可以同时询问不同深度的样本,以通过公共信道传输深度编码信号进行处理。该过程增加了反射测量系统的采集能力,而无需其他照明和检测通道。为了可视化效果,Yin等人。模拟了沿光束路径中心不同深度处的聚焦光束场,其中散射粒子将像差作为场干扰引入到光束场中。传播过程的自我修复(自我重建)特性表明散射介质中每种模式的独立性。

基于这一概念,研究团队创建了一种以超连续谱激光器为光源的血管内少模干涉测量(IVFMI)成像设备。他们使用低相干性干涉仪作为光信号处理单元,使用导管进行深度编码和反向散射信号检测,并使用光机械进行扫描。使用该装置,研究人员对管腔壁进行了螺旋扫描,以对动脉进行三维(3-D)重建。他们使用动脉内的导管以每秒17帧的速度获取横截面图像。与传统的IVOCT(血管内OCT)方法相比,该研究小组利用IVFMI(血管内少模干涉法)解决了细胞和亚细胞结构,将体积分辨率提高了近1000倍。

例如,当科学家比较对应于人尸体冠状动脉同一横截面的标准IVOCT和IVFMI图像时,他们仅使用IVFMI就能清楚地区分密集晶体。相比之下,使用标准IVOCT技术获得的图像模糊不清且呈球状,使其更有可能错误地将其表征为巨噬细胞积累。同样,研究小组使用IVFMI导管观察了平滑肌细胞,而传统的IVOCT方法无法解决该问题。

动脉的IVFMI横截面也分辨出胆固醇晶体,由于其明显的反射,通常难以使​​用常规方法成像。由于通过IVFMI设置启用了扩展自由度,研究人员在一次圆周扫描中同时分辨了距导管鞘数百微米至几毫米的微结构。

由于炎症细胞驱动动脉粥样硬化斑块的发展,尹等人。表示内膜平滑肌细胞和巨噬细胞发生血细胞渗出使用IVFMI。图像显示了腔内肿块的精细细节,包括存在于纤维蛋白网中的明亮细胞(如白细胞)形成了血栓。研究人员使用从尸体冠状动脉管腔壁获得的IVFMI数据进行3-D重建,还开发了从具有动脉粥样硬化斑块的活体主动脉获得的IVFMI数据的3-D重建。他们通过观察凸起到管腔的表面形态来检测正常动脉壁的斑块。 (管状结构(如动脉)的内部空间)。

研究小组使用横截面图像观察了正常介质中胶原蛋白和平滑肌细胞的网络,并提高了清晰度。他们还于成像前一小时在植入支架的管腔壁部分获得了3-D重建的IVFMI数据。IVFMI过程使支架支柱的微结构细节可视化,并为血管内成像提供了前所未有的细节。Yin等。观察到围绕一些支架撑杆的小,高反射率,微米大小的点,甚至可以识别图像中微结构血小板的精细细节。

通过这种方式,尹必伟及其同事开发并演示了一种技术,该技术可以克服实施少数模式干涉测量法的问题,从而将焦点深度(DOF)增大一个数量级以上。光学配置技术具有较小的占地面积,深度编码能力和传输稳定性,在深度分辨内窥镜检查中具有重要的应用。结果证实了这项新技术具有获得具有良好信噪比的图像的潜力,并显示了人体尸体冠状动脉离体和体内兔动脉内与疾病相关的明确的细胞和亚细胞微结构。

该设备在物理和机械上与临床中用于常规IVOCT成像的冠状动脉导管相同。这些发现表明,有可能将新的IVFMI技术用于临床成像,以便在心脏导管实验室观察人的细胞冠状动脉病变。该技术可用于查看血管内成像以外的细胞成像,以包括腔器官(如胃肠道和肺道),以提高临床诊断的准确性。

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