本文介绍的是浙江大学光电科学与工程学院李鹏副教授关于一种基于手术显微镜的SS-iOCTA系统,实现术中结构和血流灌注成像的研究工作,发表在《Journal of Innovative Optical Health Sciences》期刊2021年第1期。
Swept source intraoperative OCT angiography
Ziyi Zhang, Tiepei Zhu, Tongtong Cao, Zhaoyu Gong, Lin Yao, Kaiyuan Liu, Juan Ye and Peng Li
研究背景
为了精确地引导手术器械,提升手术的安全性和成功率,眼科手术过程中需要组织内部的深度信息反馈,包括组织的结构信息和血流信息,而这些信息一般无法通过普通手术显微镜获取。术中光学相干断层成像(intraoperative OCT, iOCT)结合了光学相干断层成像(OCT)技术和手术显微镜系统,可实现无创、实时、高分辨率的术中断层成像。目前,由于OCT成像中毛细血管与视网膜组织之间的对比度较低,术中OCT的应用局限于结构成像,缺少术中血管造影的研究。本文介绍了基于手术显微镜的扫频术中OCT血管造影(SS-iOCTA)系统,可提供术中结构图像和血流灌注图像,更全面地监测和导航眼科手术。
内容简介
本文介绍了一种基于手术显微镜的SS-iOCTA系统,可实现术中结构和血流灌注成像。本文通过对猪眼样本实施体外深板层角膜移植(DALK)实验,验证了该系统的结构成像能力;通过对大鼠脑皮层进行在体血管造影实验,验证该系统的血流灌注成像能力。实验结果表明,SS-iOCTA系统可以帮助外科医生做出正确的术中决策,在临床手术中有广泛的应用前景。
图文导读
SS-iOCTA系统简介
图1 基于手术显微镜的SS-iOCTA系统
(a)系统设置示意图;(b)实验系统的样品臂、计算机屏幕和样品台(由外科医生操作)的实物拍摄,其中:1-扫描振镜,2-计算机屏幕,3-用于固定手术显微镜的定制支架, 4-CCD相机,5-手术显微镜的主体,6-三轴可调节位移台。
术中结构成像验证实验
通过对10只猪眼样本实施了体外深板层角膜移植(DALK)实验,获取了实时术中断层成像结果和手术显微镜成像结果,验证了SS-iOCTA系统的术中结构成像能力。
图2 使用SS-iOCTA系统对猪眼样本实施DALK时的术中断层成像结果和手术显微镜成像结果
(a)环钻后的角膜基质;(b)前三分之二的角膜基质被切除;(c)将针插入角膜基质,针尖位置如黄色箭头指示;(d)将空气注入角膜基质后,形成弥散的小气泡,如在角膜基质中的高散射信号所示;(e)进一步切除角膜基质,使得剩余的角膜基质足够薄,得以放置移植物;(f)箭头指示了移植物和受体角膜基质之间的边界,表明两者完全吻合。手术显微镜每幅图像中的黄线代表OCT的扫描位置(B扫描)。图2中的所有图像均来自DALK进行期间,使用SS-iOCTA系统拍摄的实时视频。比例尺:2mm。
另外,如果从平行于OCT扫描位置(B扫描)的方向将针插入角膜基质,金属手术器械可能造成OCT成像中一些关键结构信息丢失,例如基质的前后边界。因此,本实验在小范围内进行了三维扫描,并实时显示三维结果的最大值投影(如图3(a))。
图3 切除前三分之二角膜基质后,将针头从平行于B扫描方向插入基质的术中断层成像结果和手术显微镜成像结果
(a)三维OCT的最大值投影;(b)CCD摄像机获取的图像。比例尺:2mm。
术中血流成像验证实验
通过对大鼠脑皮层(其血管直径与正常人眼的视网膜血管直径相近)进行在体血流灌注成像实验,验证SS-iOCTA系统的血流灌注成像能力。实验中,血流成像采用ID-OCTA算法,该算法将三维空间中动态信号分布的3σ边界线作为分类线,剔除静态组织信号,实现在体、无标记、三维光学血流运动造影。
图4 OCTA验证实验结果
(a)OCT信号的分布,其中蓝色表示周围的静态组织信号,红色表示动态信号,黄线是ID-OCTA算法生成的分类线;(b)OCTA的二维en-face图像;(c)通过手术显微镜的CCD照相机拍摄大鼠脑皮层血管分布的图像。比例尺:1mm。
总之,本文介绍的SS-iOCTA系统可以获取组织内部的深度信息反馈,包括组织的结构信息和血流信息。在临床应用中,术中结构成像有助于监测和指导角膜移植等需要深度方向上组织结构信息的手术,术中血流灌注成像有助于监测和指导激光光凝术等需要血流灌注信息的手术。使用SS-iOCTA系统,可获取高分辨率的结构信息、血流灌注信息、手术器械与组织的相互作用状态,有助于对各类眼科手术实现更全面的监测和导航。
PI简介
李鹏,浙江大学光电科学与工程学院副教授,博士生导师。长期从事光学相干成像技术及应用研究,发展了运动/光强/图形多维特征空间OCTA等系列技术。在IEEE TMI、JCBFM、OL、BOE等期刊发表SCI论文60余篇。获得浙江省杰出青年基金资助、华为等企业资助,主持各类国家、省部级项目6项。申请/授权国际国内发明专利20余件,实现专利成果医疗产业转化1件。