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前沿进展：高分辨血管成像与定量方法研究

 

 

高分辨血管成像技术具有重要的应用价值，可以为各种血管疾病的监测、诊断和治疗提供关键支持。

 

现有的高分辨血管成像手段已经在临床上得到了广泛应用：光学相干断层扫描血管造影（OCTA）技术可以实现对微小血管的非侵入式成像，在眼科疾病的临床诊疗中发挥了重要作用，辅助医生实施青光眼、糖尿病视网膜病变和黄斑变性等诸多疾病的筛查和诊断；近红外二区（NIR-II）血管成像技术作为一种新兴的血管成像技术，对肿瘤、癌症、体内血管、皮肤病的临床诊疗手段有十分积极的指导意义；此外，多光子荧光显微技术在分子特异性方面具有优势，已广泛应用于血管壁的结构、血管周围组织环境和血流动力学等动物和人体血管的形态和功能的研究。

 

随着激光散斑血流成像、超分辨超声和光声成像等成像方法的完善和发展，高分辨血管成像在无标记、突破声学衍射极限和大深度成像等方面也得到了进一步拓展。高分辨血管成像技术提供了更加丰富的血管信息，促进了血管分割、图像配准和异常检测等图像处理算法的发展，从而大大提高了血管类疾病相关研究的精度与效率。

 

 

来自浙江大学光电科学与工程学院的刘翊婕、王春承团队在综述文章《高分辨血管成像与定量方法研究进展（特邀）》中，介绍了高分辨血管成像技术及其在生物医学领域中的应用，并侧重评述了适用于高分辨血管图像的定量表征方法。

 

高分辨血管成像的技术手段

 

高分辨血管成像的技术手段多种多样，文章主要介绍了6种成像技术：OCTA技术、NIR-II血管成像技术、多光子荧光显微（MPEF）技术、激光散斑血流成像（HR-LSCI）技术、超分辨超声成像技术和光声成像（PAM）技术。

 

OCTA技术：通过检测干涉信号获得深层组织反射率特征，利用运动颗粒引起的OCT信号改变对血流进行成像，可同时显示血管的结构和血流信息，已广泛应用于视网膜血管性疾病的科研和临床应用。

图1 OCTA技术方案和成像结果。

 

NIR-II血管成像技术：近红外波长范围内存在“窗口效应”，NIR-II作为激发光源可提高生物成像的信噪比，其荧光探针在成像时信号增强，有利于高对比度和高分辨率的长时程生物成像，该技术对有机外源造影剂的生物相容性、亮度和光稳定性要求较高。

图2 NIR-II发射荧光团进行结构和功能成像

 

多光子荧光显微血管成像技术：多光子荧光显微成像技术可用于观察生物组织中的血管结构和血流动态，分辨率高，可实现亚微米级横向分辨率成像，且能与多种成像技术结合，实现多模态成像。

图3 多光子荧光显微血管成像技术

 

激光散斑血流成像技术（HR-LSCI）：激光散斑血流成像技术（HR-LSCI）基于散斑图案模糊效应分析，具有视场大和分辨高的优点，常用于皮肤血管、视网膜血管和脑血管成像等场景，但成像结果往往伴随着较高的噪声，且时空分辨率难以兼顾。

图4 激光散斑血流成像技术

 

超分辨超声成像技术：超声成像分辨率受声波衍射极限限制，超分辨超声成像技术受光激活定位显微等光学超分辨显微原理的启发，通过对微气泡进行质心算法定位和信号叠加，可提高超声成像的分辨率。

图5 超分辨超声成像

 

光声成像技术：光声成像技术基于光致超声效应，同时具备光学成像的高对比度特性和超声成像的高穿透深度特性，适用于声学特性均匀但光学性能不均匀的组织，未来的发展方向包括抑制环境噪声、提高时空分辨率等。

图6 光声成像

 

血管图像的定量方法

 

一、血管形态学的处理手段

1、图像预处理：包括噪声伪影去除与血管分割。样本组织整体迁移的运动伪影可通过增加相关映射的窗口大小或基于虚部的相关映射OCT来解决；血管信号对比度下降可通过线场平行扫描源成像技术提高A扫描速率来改善；深度学习辅助的图像处理方法可消除运动伪影；尾部伪影可通过提取浅层信号或比较A扫描帧间信号消除；血管分割误差造成的伪影可通过机器学习的方法减少。

图7 ID-OCTA成像方案（a）标记了不同信号的OCT强度横截面；（b）带有分类线的ID空间映射；（c）利用均值减法矫正尾部伪影前后的图像

 

2、形态学基础上的血管重建与骨架化：使用分割算法会破坏部分微小血管结构的完整性，可根据血管的形态特点实现断裂区域的连接，确保血管结构特征的完整性，基于体绘制技术的三维OCTA血管图像的可视化有助于临床医生观察微血管的变化。

图8 基于OCTA扫描结果的视网膜血管图像分割系统

 

图9 血管提取主要步骤。（a）原始图像；（b）多尺度血管增强结果；（c）分数阶微分处理结果；（d）血管提取结果

 

3、血管图像的整体形态学分析：血管图像的处理方法从二维拓展到三维，有血管空间取向和空间排列等分布特征参量，以及血管骨架密度、分形维数、血管直径和卷曲程度等形态特征参量，还有用于计算血管密度的半自动化算法和定义血管骨架密度的简单方法，此外血管直径可通过边缘检测和计算径向距离之和来估计，血管的弯曲度可用斜率变化或相对角度变化率来表示。

图10 不同组别视网膜微血管三维形状建模与数据分析。（a）3D血管网格表面；（b）血管面积畸变率图；（c）不同尺寸血管的分类结果

 

二、像素/体素级血管参数定量表征

1、空间取向：是像素/体素级血管参数定量表征方法中最基础的参量，在二维和三维空间中用方位角θ和极角φ描述，现有的权重矢量求和算法通常预设纤维状结构形态相近，采用固定的窗口尺寸对图像进行全局扫描，可能会影响取向表征的精度，窗口优化方法可根据血管厚度信息自动确定窗口大小，提高精度。

图11 空间取向的定义和权重矢量求和算法。（a）二维平面取向定义；（b）三维空间取向定义；（c）空间取向的权重矢量求和算法

 

图12 窗口优化方法的成像、表征和仿真。（a）小鼠脑血管三光子显微成像；（b）基于厚度信息和窗口优化方法的权重矢量求和算法概要；（c） 仿真纤维及方向真值；（d）表征精度对比

 

2、分布特征：方向方差可表征纤维状结构排列有序程度，其值在0到1之间，接近0时血管排列趋向整齐，接近1时趋向杂乱；局部密度可反映血管分布的密集程度，通过计算窗口内表示血管的像素点数与总像素数的比值来得到。

 

3、形态特征：波纹度用于描述血管的像素/体素级弯曲程度，可通过计算空间取向窗口内非中心矩阵元与中心矩阵元方向值的差来得到；血管厚度可通过高斯滤波器、直方图均衡化、形态学分割、最小距离算法、自适应距离传输和自适应相关算子等方法来近似估计。

图13 paWav算法及应用。（a）算法流程图；（b）三维算法表征仿真的弯曲纤维；（c）小鼠体内血管的多参量表征分布

 

图14　厚度算法步骤示意图

 

4、多参量融合分析系统的应用：对鲜红斑痣成像时，使用ID-OCTA技术改善血管图像质量，均值减法处理伪影，基于多参数分析结果建立多参数分析系统和疾病分类模型，展示了多参量分析方法在临床应用上的前景。

图15 鲜红斑痣多参量分类模型。（a）数据聚类三维散点图；（b）分类检验精度；（c）基于三参量分类的ROC曲线；（d）基于多参量分类模型的t-SNE梯度图

 

三、血管功能性和血液动力学参数定量表征

1、血氧饱和度：血氧饱和度指血中氧合血红蛋白相对于全部可结合的血红蛋白容量的比值，对其监测可反映生理活动状况，传统测量方法为人体采血后化学分析或使用指套式光电传感器，光声成像技术可实现对血氧饱和度的空间分布可视化，未来的发展趋势包括小型化、集成化、柔性化和可穿戴化等。

 

2、血流流速和血流量：血流流速是血液在血管内流动的直线速度，血流量是单位时间内流过血管某一截面的血量，血流流速的检测方法有吲哚菁绿荧光成像、四维计算机断层血管造影术和柔性连续波多普勒超声设备等，血流量的检测方法包括核磁共振成像和扩散相干干涉光谱技术等，对血管成像结果的定量表征包括图像预处理、血管重建与参数计算和统计学分析等步骤。

 

总结与展望

 

OCTA（Optical Coherence Tomography Angiography，光学相干断层扫描血管造影）在微循环血管研究中应用广泛。在眼科，可用于检测糖尿病视网膜病变患者视网膜微血管的变化及黄斑疾病中脉络膜新生血管的情况；在心血管疾病研究中能评估心肌微循环状态；在皮肤科有助于研究银屑病、硬皮病等疾病中皮肤微循环的异常；在神经系统疾病里能提供脑血管微循环信息。

 

未来，OCTA的临床价值有望进一步提升，在疾病早期诊断方面能更早发现微循环异常，为早期干预提供依据；在治疗监测中可动态观察效果，为治疗方案调整助力；有助于个性化医疗，为患者制定更精准的方案；在疾病预后评估方面能预测发展趋势和康复情况。总之，OCTA应用前景广阔，将为临床医学发展和患者治疗带来更多益处。

 

声明：本文仅用作学术目的。内容及图片来源于《激光与光电子学进展》、《高分辨血管成像与定量方法研究进展（特邀）》；DOI：10.3788/LOP232137；如涉及版权问题，可联系工作人员删除处理。