光學相干斷層掃描監(jiān)測急性中風進展

華盛頓大學光學和生物醫(yī)學工程領(lǐng)域的著名專家王瑞康教授在頂級期刊IEEE TRANSACTIONS ON MEDICAL IMAGING（IF：7.816）發(fā)表文章《Monitoring Acute Stroke Progression: Multi-Parametric OCT Imaging of Cortical Perfusion, Flow, and Tissue Scattering in a Mouse Model of Permanent Focal Ischemia》文中采用光學相干斷層掃描成像的方法監(jiān)測急性中風的腦部病理改變，這對腦部中風等神經(jīng)血管疾病提供了一種新的研究方向和監(jiān)測手段。接下來讓我們看看這篇文獻的內(nèi)容吧。
腦缺血性中風導致腦組織的損傷，其特征在于神經(jīng)元和血管之間的復雜關(guān)聯(lián)。在其發(fā)展的早期階段進行成像可以預測組織梗塞和半身不遂疾病的發(fā)生與發(fā)展，從而確定最佳干預治療方案，以其對挽救腦功能損害。本文研究了光學相干斷層掃描（OCT）對活體實驗模型的缺血性卒中急性損傷成像。根據(jù)OCT成像提供的內(nèi)源性光散射信號，作者開發(fā)了一個集成的成像平臺，可以測量皮質(zhì)組織內(nèi)血液灌注，血流，紅細胞速度和光衰減的變化，在小鼠模型中局灶性腦缺血期間。在急性期（從閉塞后5分鐘到最初幾個小時），使用多參數(shù)OCT成像顯示模型體內(nèi)多種血流動力學和組織散射反應，包括腦血流量不足，毛細血管非灌注，穿透血管移位，并通過三氯四唑氯化鋅的死后染色確定驗證。
MCAO模型建立后不同時間光學斷層掃描血流成像
MCAO模型建立后不同時間CBF血流范圍圖與光學斷層掃描血流成像疊加
首先本文中作者利用光學相干斷層掃描的光學特性來計算了MCAO模型中的血流衰減系數(shù)并對腦血流 CBF彩色圖對其進行區(qū)域內(nèi)的量化及成像所需的數(shù)據(jù)進行處理。接下來對MCAO模型開始后進行持續(xù)時間的觀察并記錄其光學相干斷層掃描成像的血流灌注量，速度，衰減系數(shù)等指標的變化。


圖1.活體OCT顱窗成像的健康小鼠大腦。A）橫斷面（X-Z）OCT圖像，描述大腦皮層的解剖細節(jié)，灰質(zhì)（GM）和白質(zhì)（WM）。B) 對應的橫斷面(X-Z)OCTA圖像，表示大腦皮層的血液灌注。C）對應的橫斷面衰減系數(shù)圖像的深度依賴性信號衰減補償前圖像。E）峰值振幅的擬合函數(shù)。D）補償后圖像。F) 衰減深度剖面圖（白線在C和D中）的比較顯示出補償后的衰減系數(shù)圖。G）白光圖。H）血管圖。I）血流衰減圖。


圖2.相對腦血流量（rCBF）的測量。A）中風模型腦部2.5小時后MCAO的照片圖像。箭頭表示大腦的血液閉塞的部位。在1.5小時后MCAO模型獲得的血管造影（插圖）與大腦缺血區(qū)域?qū)⒃诳臻g中擴大的同心圖案表示為黃色點狀半圓的空間共定位。B）在1.5小時后MCAO模型的空間分布的血管造影與rCBF顏色的重疊圖。C）rCBFs的輪廓，與血液閉塞部位的距離統(tǒng)計圖。IC，infarct core；P，penumbra；BO，benign oligemia；N，normal。

dMCAO后腦血流灌注和速度的急性變化 
作者使用OMAG和DOMAG圖像進行不同梗死時間點的腦部病理改變的觀察與記錄，結(jié)果顯示在所有小鼠（n=5）中，dMCAO后立即出現(xiàn)明顯的毛細血管灌注下降，并在數(shù)分鐘內(nèi)伴隨著MCA分支的收縮性血管張力發(fā)生明顯的毛細血管灌注下降，在毛細血管灌注的組織和毛細血管非灌注組織之間最終形成一個邊界，該區(qū)域內(nèi)沒有明顯的毛細血管灌注。雖然dMCAO后在MCA范圍內(nèi)出現(xiàn)了一個漸進式的毛細血管灌注下降，但在ACA范圍內(nèi)的毛細血管在一開始表現(xiàn)出短暫的缺血，隨后恢復到基線水平。此外，這兩個區(qū)域的DOMAG結(jié)果顯示血流速度（圖3C和3D）與其下游毛細血管灌注相比變化同步。

圖3.A)和B)分別為中風模型OMAG和DOMAG圖像的時間序列，OMAG圖像顯示腦血液灌注的變化，從基線到131分鐘后dMCAO。右邊的比例尺代表了反射率的對數(shù)灰度。偽彩色DOMAG圖像顯示腦血管中RBC血流速度的雙向軸向成分。在（B）中的紅色代表血液向入射探針光束（負方向），綠色代表相反的（正方向）的顏色;它們的色調(diào)表示速度，從-6.1毫米/秒到+6.1毫米/秒的延伸。刻度條為1毫米。灌注和血流速度的動態(tài)變化，分別在ACA（C）和MCA（D）近端的小區(qū)域（1毫米×1毫米）明顯觀察到。
dMCAO后腦血流的急性變化 
從OMAG振幅估計的相對腦血流變化CBF（rCBF，CBF與基線的相對變化）結(jié)果顯示了CBF下降的現(xiàn)象（圖4A）并記錄了其改變過程，但特別的是dMCAO后在ACA區(qū)域內(nèi)CBF下降到70％的基線用了25分鐘并在這一水平持續(xù)了20分鐘，然后約2小時后逐漸升高到90％的基線水平（見圖4B中的P3線圖）。

圖4.A）大腦的照片，rCBF圖的時間過程與相應的OMAG圖像（灰度）疊加。較為溫暖的顏色代表較高的百分比（％）的基線CBF水平。B）平均痕跡的rCBF反應在三個不同的位置;P1，P2，和P3在頭顱窗口中的所有5只小鼠缺血期間，顯示急性腦卒中相關(guān)的相對CBF的變化對基線的相對變化。陰影區(qū)域表示平均線周圍的兩個標準偏差。每個位置距離閉塞的源頭（P1，P2和P3）是2.5毫米，3.5毫米，和4.5毫米。
 dMCAO后衰減系數(shù)的急性變化
光衰減映射顯示了大腦皮層組織散射的變化。并進行TTC染色以檢驗和解釋活體動物模型OCT結(jié)果。在圖5A中，在毛細血管非灌注區(qū)的衰減系數(shù)值顯著增加，隨后實驗證實為組織梗塞。衰減系數(shù)的增加，引起的缺血區(qū)域的散射增加，結(jié)果表明這可能是由于局灶性腦缺血中的破壞性事件發(fā)展過快導致，這對神經(jīng)元和膠質(zhì)細胞是關(guān)鍵的，最終導致細胞死亡從而改變了光的衰減系數(shù)。

圖5.A)在急性缺血性中風期間的小鼠腦的衰減系數(shù)測量。B）覆蓋的OMAG圖像（紅色）和衰減系數(shù)圖（綠色）。C)TTC染色的冠狀腦切片的頂部視圖。梗塞區(qū)域出現(xiàn)為白色，正常組織出現(xiàn)為紅色。D）一個小區(qū)域的血管（箭頭）相對于基線的變化。血管位移是作為穿透血管和其皮下血管之間的角度變化來測量的。E）每只小鼠的血流圖像測量結(jié)果（平均值±標準值）。F）血液灌注（紅色）和衰減（綠色）的時間過程中的橫斷面皮層組織從表面到350微米的深度的位置的時間過程。
最后總結(jié)，此研究為我們展示了一種新型的OCT成像平臺，用于急性缺血性中風后腦損傷的血管和細胞反應的時空動態(tài)成像。在活體動物模型中能有效地監(jiān)測多種生理病理改變，這將促進臨床前深入研究缺血性腦損傷的機制，并促進一些治療策略的發(fā)展，以改善缺血性中風的預后及治療。