CN1891146A - 改进的基于光学相干断层造影的成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于OCT导管的成像方法，用于可视化患者血管系统的血管易损斑中的分子功能性过程，其中在将造影剂注入到血管系统的血管内之后以及在将成像OCT导管引入具有易损斑的血管内之后，在发射光和吸收光的OCT导管头沿着该易损斑作连续受控运动时产生由造影剂标出的易损斑的OCT图像。

Description

改进的基于光学相干断层造影的成像方法
技术领域
本发明总的涉及基于导管的成像，如其在医学中用于对患者进行血管内检查。在此本发明尤其涉及一种基于OCT的方法，该方法实现并改进了功能性分子过程的可视化。
背景技术
光学相干断层造影(Optical Coherence Tomography，OCT)是一种成像方法，用于以大约15μm的分辨率显示直至2mm深的组织结构。与将声学结构过渡(Strukturuebergang)再现为图像的超声波诊断类似，在OCT中将光学结构过渡显示为二维深度断层图像。这些过渡通过相应的特定于组织的折射指数来表征。利用OCT进行的组织分析可以是无接触的，这尤其是在将该技术集成到导管和内窥镜中时可以实现对诸如心脏、食管、气管等的血管系统的高分辨率血管内检查。但是首先必须冲洗充满血液的要检查的血管，然后才能进行成像，因为在所采用的光波波长下无法透视血液。
为了进行血管内OCT成像，在将引入受检查血管或中空器官的OCT导管以连续受控运动的形式缓慢拉回的同时，在血管内壁反射或散射的激光又耦合到导管的光导体中，该激光被输入分析单元并进行成像分析和处理。通过该方式获得二维截面图像的“堆”，这些图像在原理上可以离线地、也就是在实际测量之后被组合成三维数据组。但大多能在显示屏上看见当前的二维截面图像，该图像通常具有非常高的空间分辨率。根据与导管之间的距离的不同，该空间分辨率在x、y方向上(横切导管轴的平面)可达40μm，在z方向上(导管轴)根据图像重复速率(帧速率；取决于从导管尖端射出的激光的旋转速度)同样可达40到100μm。图像的质量除其它之外还强烈取决于到拍摄的时刻被冲洗的血管在多大程度上没有残余的血液。通常，同样由于残余的血液以及方法本身而使图像(类似于超声波成像中的图像)中的噪声很大，有时甚至有很多伪影，由此致力于寻找最小病理变化的医生目前很难进行可靠的诊断。
WO 02/067767A2公开了采用不同的造影剂来可视化易损斑中的分子功能化过程，其中OCT也可以作为可能的成像方法引入。
US 2004/0258759A1同样公开了采用造影剂来改善光学相干断层造影方法中尤其是用于显示易损斑的成像。
DE10323217A1同样涉及OCT导管，还提到了在易损斑中的应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种方法，可以就形态对比度以及功能性分子过程来进一步改善基于导管的OCT成像。
根据本发明，提供了一种基于OCT导管的成像方法，用于可视化患者血管系统的血管易损斑中的分子功能性过程，其中在将造影剂注入到血管系统的血管内之后以及在将成像OCT导管引入具有易损斑的血管内之后，在发射光和吸收光的OCT导管头沿着该易损斑作连续受控运动时产生被造影剂标出的易损斑的OCT图像，其中在采用相同的造影剂的情况下通过事先进行的非介入式磁共振断层造影方法对易损斑以及与此相关的引入的位置进行定位。
在此，造影剂优选包括顺磁的氧化铁微粒。
根据本发明，还通过将健康血管段中的造影剂浓度与易损斑中的造影剂浓度进行比较来确定巨噬细胞的数量。
附图说明
下面参考附图借助实施例详细解释本发明的其它优点、特征和性质。
图1示意性示出光学相干断层造影的原理，
图2示意性示出基于导管的OCT方法的技术布置，
图3示出健康血管的二维OCT图像，
图4示意性示出早期阶段的冠状硬化(左侧)，以及具有易损斑的发展了的冠状硬化(右侧)。
具体实施方式
下面借助图1解释光学相干断层造影的原理。该原理对应于迈克逊干涉计的功能：从一个多少有些相干的光源射出的光1(例如激光)通过半透射镜形式的分束器分为两个子光束2a、2b。子光束2a被导向干涉镜上，使得该子光束以反射光束3a的形式又到达分束器，穿过该分束器并作为光束4a到达检测器。相反，子光束2b立即穿过分束器，并对准具有反射和散射中心的待检查组织，在该反射和散射中心该子光束以被反射光束3b的形式又到达分束器，但这次被分束器反射并作为光束4b同等地到达检测器。对于干涉条件2a+3a＝2b+3b来说，来自干涉断层的光束4b与光束4a发生干涉，这以检测器图像中的干涉图案来显示。
干涉断层的(穿透)深度通过干涉镜相对于分束器的位置d来限定，该位置优选可以周期性地改变以实现逐层的扫描。干涉断层的厚度以及与此相关的OCT成像的(组织结构)分辨率通过所采用的光的相干长度确定，并由此取决于所采用的光源的频谱。如果例如采用“理想”的激光器(A)，该理想激光器发射出具有单频谱线的“无限长波群”(频谱A)形式的相干光，则相干长度是无限的，并在检测器中给出按照子图像A的干涉信号。如果采用具有一定频谱宽度的光源，如SLED(Super-luminescent Light Emitting Diode，超场致发光二极管(频谱B))，则在检测器中干涉图案被限制为按照子图像B的对应于相干长度的区域。在没有位于干涉断层区域内的组织结构上被反射或散射、但还是通过分束器耦合的光不满足干涉条件，因此不发生干涉。这种光只是被识别为用于调制实际干涉信号的同等的背景。
因此在技术上通过在改变干涉镜位置的同时平移和/或旋转子光束2b/3b，可以扫描待检查的组织区域。在此类似于超声波技术将深度扫描(d的变化)称为所谓的A扫描。
为了获得二维图像横向扫描该组织。用取对数后的灰度或假颜色值显示单次A扫描的振幅值。然后将产生的图像称为B扫描。对于由多个100个单次A扫描组成的一个B扫描来说，大约需要1秒的测量时间。
图2中示出执行基于导管的OCT成像的技术布置。作为宽带光源采用SLED，其相干光通过玻璃纤维被引入纤维光学分束器中。该分束器一方面将该光的包含相干的部分分成投影到干涉镜上的一束光，和通过旋转的耦合镜耦合到沿着径向OCT导管轴旋转的玻璃纤维中、在导管尖端通过垂直于该径向导管轴的一个镜子去耦合、然后垂直地投影到组织上的一束光。另一方面该分束器将被干涉镜和该组织反射的、在区域I中部分发生干涉的光引入检测器，该检测器的测量信号经过放大、滤波，并借助计算机进一步处理为适于在屏幕上显示。
基于导管的成像的目的在于，要尽可能无损地显示中空器官的内部、尤其是血管的内部。这在基于导管的OCT成像中这样来实现，在导管尖端从玻璃纤维中射出的光被与导管的径向轴呈放射状地(以90°角)去耦，并因此在径向引入导管时垂直地投影到血管的内壁上。
通过旋转径向的导管玻璃纤维，扫描圆柱形(或环形)的片段。深度扫描通过比纤维的旋转速度(大约0.5-20MHz)快很多倍的干涉镜的运动来进行。为了扫描感兴趣的更长的组织片段，利用必要时自动的回拉机械装置同等缓慢(0.5-2mm/s)地拉回OCT导管，因此导管尖端径向运动，而且同时纤维旋转，干涉镜同时变形(类似于螺旋CT成像中的卧榻运动)。
这例如在检查健康冠状动脉的情况下会产生具有按照图3的断层图像的图像序列。可以看到OCT导管在其中左下角(自成像)的内腔(暗成像的血管内腔)。高亮显示的是血管壁，其将血管明显地与周围的组织分隔开来。亮度的程度通过光折射指数的变化来给出。因此亮的结构代表强烈反射的区域，或折射指数不连续过渡的区域。
在图3中可以看见整个血管壁的事实是因为在获取图像之前去除了血液、并由对所采用的OCT光波波长(λ≈1300±20nm；短波红外光)来说是透明的介质(例如氯化钠溶液)来代替的原因。在对血管的OCT成像中去除血液是这样来实现的，在引入OCT导管之后吹起一个在导管上顺流设置的吸附气球，该吸附气球在要检查的位置前使血流停止。通过该导管在末梢向气球注入消毒之后的氯化钠溶液，由此净化、也就是冲洗了血管中的血液。在另一种实施方式中(例如在更为复杂的血管解剖结构中)，还可以采用两个或更多的吸附气球。
特别富有启发性的是在血管的动脉粥样硬化狭窄处的基于导管的OCT成像，该狭窄在血管破裂的情况下会导致致命的心肌梗塞(不稳定的心绞痛，急性心肌梗塞)。这种狭窄首先是由于在血管的血管壁上和/或中的沉积物而形成的，一般称为“斑”。由于这样的斑，内腔被剧烈减小(图4，左侧的图)，这影响了血流并因此影响了对连接的器官的供血。在发展和更为危险的阶段，在这样的斑中形成脂肪沉积(脂肪核，Lipid Pool)，具有在内腔和脂肪核之间的薄纤维盖，该脂肪沉积一般会导致发炎，并因此引起巨噬细胞的聚集。这样的斑易导致破裂或侵蚀(血栓)(图4，右侧图)，因此称为“易损斑”，还称为“不稳定的动脉硬化(Artherosklerose)”和“后期的动脉硬化”。
利用基于导管的OCT不仅可以对血管内腔成像，也可以对血管壁成像，并进行动脉硬化(图4)的阶段划分。
本发明现在在于将OCT与特定造影剂的使用结合起来，以一方面普遍提高形态对比度，另一方面使分子功能性过程可见。
根据本发明，造影剂例如由小的顺磁氧化铁微粒(Super Paramagnetic IronOxyde-SPIO)构成，这些微粒的直径在平均150到250nm的范围内。但在原理上，可以采用这种数量级的任何特殊分子作为造影剂，只要该分子能在待检查结构中以在该结构中表现出比周围环境更高的浓度的方式聚集，而且只要该分子具有与周围环境不同的光折射指数。
尤其是巨噬细胞具有这样的特性，优先摄取这样的微粒(尤其是SPIO微粒)，由此在OCT中、还可以在其它成像方法中(如MRT)看见这样的微粒。由于这种增加的摄取，可以识别出巨噬细胞具有新陈代谢，即活跃的，并且最后能分解出最终将引起心肌梗塞的纤维盖。
由于巨噬细胞数量和摄取的微粒之间存在关系，因此可以通过比较健康血管段中(例如在通往检查区域的路径上)的微粒浓度和待检查的病发区域中(例如在易损斑中)的微粒浓度来确定数量，也就是推导出那里具有的巨噬细胞，并因此推断发病阶段。由此通过基于造影剂来可视化巨噬细胞，明显简化了借助OCT对易损斑进行的诊断分析。
由于在介入式OCT检查之前要事先利用非介入式方法(例如MRT或US)进行检查，因此在补充两种检查方法的含义下优选采用对两种方法都同样可用的造影剂。
由于大部分造影剂只能很缓慢地分解，并因此在体内停留的时间很长，例如为了首先非介入式地找到血管段的动脉硬化，可能有意义的是在OCT检查之前进行的MRT检查中就注入造影剂。

Claims (3)

1.一种利用OCT导管的成像方法，用于可视化患者血管系统中血管的易损斑中的分子功能性过程，其中在将造影剂注入到血管系统的血管内之后以及在将成像OCT导管引入具有易损斑的血管内之后，在发射光和吸收光的OCT导管头沿着该易损斑作连续受控运动时产生被造影剂标记的易损斑的OCT图像，其中在采用相同的造影剂的情况下通过事先进行的非介入式磁共振断层造影方法对易损斑以及与此相关的引入位置进行定位。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述造影剂包括顺磁的氧化铁微粒。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过将健康血管段中的造影剂浓度与易损斑中的造影剂浓度进行比较来确定巨噬细胞的数量。
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