本文介绍的是北京理工大学李勤教授课题组基于OCT数据的心脏血管组织光学特性研究工作,发表在《Journal of Innovative Optical Health Sciences》期刊2021年第1期。
Research on optical properties of cardiovascular tissues based on OCT data
Na Qin, Yana Liu, Lin Huang, Yi Xin, Xiao Zhang, Xiaoming Hu and Qin Li
研究背景
心血管疾病是全球位列第一的致死疾病,其中冠心病是致死率最高的心血管疾病。冠状动脉粥样硬化斑块的破裂或侵蚀是冠心病的病理基础,因此早期发现动脉粥样硬化斑块并准确识别斑块类型有助于医生了解心血管患者的病情,为采取更好的治疗措施提供参考依据,对于预测心血管事件的发生以及降低心血管疾病的发病率和死亡率具有重要意义。
血管内光学相干断层成像(IVOCT)技术已广泛地应用于冠心病的临床诊断与治疗中,具有较高的分辨率,在动脉粥样硬化斑块的检测与识别中发挥了重要的作用。目前临床上大多依靠医生的经验判定斑块类型,评估方法存在一定的主观性以及个体之间的差异性,缺乏客观的量化评价标准。因此,建立客观、准确的动脉粥样硬化斑块量化评价方法能够提高斑块特征信息识别的准确性。斑块特征信息除了从IVOCT图像上获得一些描述斑块物理尺寸的参数外,还可以利用斑块本身的光学特征参数量化表征动脉粥样硬化斑块结构特性,包括衰减系数、散射系数和背向散射系数等。
内容简介
本文通过建立符合OCT原理的光学传输模型,基于OCT数据提取样本组织的光学特征参数,研究了心血管组织光学特性之间的差异性,为进一步研究动脉粥样硬化斑块光学特征参数提供方法学依据,同时也为将来实现动脉粥样硬化斑块的多光学特征参数量化评估奠定基础。
图1. 研究内容及方法
图文导读
本文采用有机硅材料和无机分子粉末制备动脉粥样硬化斑块和血管组织的光学仿体,通过掺杂不同浓度的散射剂和吸收剂利用匀胶机实现不同心血管组织的光学仿体制备,包括单层斑块仿体和多层冠脉仿体结构。
图2. 斑块仿体的光学特征参数统计分析结果图(P<0.01:有显著性差异)
(A)、(C)、(E)分别为Al2O3作散射剂制备的钙化、纤维和脂质三种类型斑块仿体的光学特征参数的统计分析结果;(B)、(D)、(F)分别TiO2作为散射剂时制备时三种斑块仿体的衰减系数、散射系数和背向散射系数统计分析结果。
图3. 冠脉仿体的光学特征参数的统计分析结果图
(P<0.01:有显著性差异; P>0.05:无显著性差异)
提取心血管组织光学仿体的光学特征参数,统计分析结果表明,钙化斑块、纤维斑块和脂质斑块仿体的衰减系数、散射系数和背向散射系数之间均具有显著性差异。冠脉仿体的内膜、中膜、外膜三者之间的衰减系数和散射系数均具有显著性差异;对于背向散射系数而言,内膜与中膜、内膜与外膜之间具有显著性差异,但中膜和外膜之间无显著性差异。
实际的生物组织样本选取了家猪的冠脉,利用实验室自行搭建的SS-OCT进行扫描成像后,进行组织切片HE染色分析。通过组织学结果对比确定冠脉结构,从而获取冠脉内膜、中膜、外膜的光学特征参数进行统计分析。
图4.家猪冠脉的OCT图像与对应组织学染色图像对比
结果表明,对于衰减系数和散射系数,冠脉仿体的内膜、中膜、外膜三者之间均具有显著性差异;对于背向散射系数而言,内膜与中膜、内膜与外膜之间具有显著性差异,但中膜和外膜之间无显著性差异。
图5. 家猪冠脉血管壁结构的光学特征参数的统计分析结果图
(P<0.01:有显著性差异; P>0.05:无显著性差异)
家猪冠脉的结果与冠脉仿体的实验结果一致,再一次证明了不同组织结构之间的光学特性存在明显差异。尽管某些结构之间的个别参数不存在显著性差异,但可以通过多个光学特征参数提高组织结构之间的区分度。因此我们可以基于OCT数据获得动脉粥样硬化斑块的多个光学参数,这种量化表征比依靠经验区分斑块的不同类型具有更高的客观性和准确性,从而为临床医生提供更加准确、高效的辅助诊断信息。
PI简介
李勤教授 1998年7月毕业于北京理工大学光学工程专业,获工学博士学位。先后在清华大学和美国约翰•霍普金斯大学从事博士后研究工作,2002年8月至今在北京理工大学生物医学工程系工作,教授,博士生导师。兼任北京生理科学会副理事长和生物物理专业委员会主任委员,中国生物医学工程学会生物医学光子学专业委员会常务委员,中国光学学会生物医学光子学专业委员会委员等学术职务。2008年入选“教育部新世纪优秀人才支持计划”。2018年受聘为教育部高等学校生物医学工程类专业教学指导委员会委员。
主持和参与多项国家科技支撑计划、863项目、国家重大科学仪器专项课题以及国家自然科学基金项目。发表学术论文100余篇,其中SCI/EI检索论文60余篇。主要研究方向:生物医学光学信息处理技术,生物医学仪器小型化技术、医学图像处理、临床大数据信息挖掘等。获得军队科学技术奖二等奖1项,中国光学工程学会“科技创新奖”技术一等奖1项。