内窥光学相干层析成像在消化系统中的应用

【摘要】  基于消化系统是发病率高的系统之一，且消化系统肿瘤发病率最高。本文主要对一种新型的仪器-内窥光学相干层析成像系统在消化系统的应用进行综述，其中包括光学相干层析成像系统的起源、作用原理以及内窥光学相干层析成像系统的一些特点，在应用方面主要综述了该成像系统在食管、肠胃方面的应用情况。

【关键词】  消化系统;内窥光学相干层析成像;Barrett食管;肠胃病

Application of endoscopic optical coherence tomography in digestive system

　　ZENG De-qin，ZENG Li-zhang，FAN Wei.Civil Air Guangzhou tlospital,Guangzhou 510405,China

　　 The digestive system is the one of high incidence of a disease，and the cancer is very difficult.This paper mainly summarizes the application of endoscopic optical coherence tomography in the digestive system，including the origin and the principle of the optical coherence tomography，and the characteristic of endoscopic optical coherence tomography.Finally，we summarize the application of endoscopic optical coherence tomography in the esophagus，intestines and stomach.

　　[Key words] digestive system;endoscopic optical coherence tomography;Barretts esophagus;gastroenterology

　　消化系统是发病率高的系统之一，特别是癌症的发生率，据报道，在全世界胃癌发病率最高的是日本，其次是其他东亚地区，再次就是中国; 食管癌的发病率中国居第二;肝癌中国是世界发病率最高的地区等。而且在许多国家，消化系统癌症的发病率一直呈上升的趋势。研究表明，早期发现、治疗是降低因癌死亡率的关键。内窥镜的方法是用来诊断不同类型的上皮癌症，但单独用可见内窥镜很难确诊瘤的早期形成，例如：发育异常(dysplasia)和瘤。过去采取任意采样活组织切片在白光内窥镜中检测方法来确诊和定位瘤的早期形成，但其灵敏性和特异性相对比较差。数字活组织检查只能提供小部分的黏膜组织病理学检测。例如：在Barrett食管中只有3.5%的黏膜病变被利用病理方法分析出来。 根据Zagaynova等[1]分析，内窥镜的方法分为两种，一种是拍摄(screening);另外一种为查证/确认技术(verification techniques)，其中EOCT属于后面一种，该方法加深了诊断的特异性。染色内窥镜(chromoendoscopy)，荧光内窥镜(fluorescence endoscopy)，和窄带成像(narrow-band imaging)属于拍摄方法(screening methods)，但是对于染色内窥镜虽然被证明具有很高的诊断精确性，但很大程度依靠医务人员的熟练程度。荧光内窥镜被认为是一种很高灵敏性的仪器，但它的独特性有限。现代的确认内窥技术有内窥镜显微镜和多光子荧光显微镜，这两种具有细胞级分辨率;而高频超声波和OCT一般在临床中的应用是组织级分辨率。据报道，高频超声波可以间接的探测肠内的转化情况，但是超声波对于探测发育异常或黏膜内的癌变无效，因为它的空间分辨率是与黏膜层的厚度成正比的。经比较发现EOCT是一种比较理想的检测方法。本文主要是对一种新型的扫描方式-内窥光学相干层析成像系统(endoscopic optical coherence tomography,EOCT)在消化系统疾病诊断中的应用及其发展进行综述。

　　1 OCT的发展

　　光学相干层析成像(optical coherence tomography，OCT)系统的探索始于20世纪80年代末，1988年Fercher等将低相干干涉仪用于眼内测量。1991年Huang等[2]提出OCT的概念，并得到清晰的视网膜图像。随后各地研究小组在提高图像分辨率(例如，纵向分辨率，因纵向分辨率与光源的相干长度有关，所以只有波长越短，谱线越宽的光源能是纵向分辨率提高[3，4]，横向分辨率与透镜的焦距成反比)和信噪比(例如降低参考反射镜的运动速度[5])、提高成像速度和深度、发展对偏振和速度敏感技术各方面进行了卓有成效的研究，目前分辨率一般可达十几微米，最高达几个微米，成像速度最快为数帧每秒。

　　内窥光学相干层析成像(EOCT)是1997年Tearney等[6]在光学相干域反射测试技术基础上并结合成熟的内窥镜技术发展起来的一种新型检测方法。它具有完全的非接触性与非破坏性，有着高分辨率(现可达到几个微米)、快速扫描、轻便、安全可靠性高，另外它与超声波不一样的是，在扫描时不需要其他中间介质。EOCT主要是对心血管系统，胃肠道组织，泌尿系统及呼吸道等管状生物内部组织的高分辨率成像，用于诊断某些癌症及冠状动脉硬化等疾病。

　　2 OCT的工作原理及组成

　　光学相干层析成像系统类似于超声波，但不同的是探测器测量的是后向反射红外光强度，而不是声波，它的分辨率是超声波的10~25倍(5~10 μm)。OCT的实验装置示意图如图1，其主要由一个光纤式迈克尔逊干涉仪组成。光源一般选用低相干光源或飞秒激光光源，采用He-Ne激光器作为初聚焦和准直光源。光源发出的相干光经四端光纤耦合器50/50分束，分别进入信号臂与参考臂，参考光与被样品反射回来的信号光经光纤耦合到达探测器。信号光主要包括样品内部层析面的反射光及非均匀介质的后向散射光，与参考光方向相同且时延匹配的信号光才能产生干涉，而且由于光源有限的相干长度，由干涉参考臂返回的光及样品臂反射的光只有在二者的光学程长差与光源相干长度匹配时才发生干涉，在接收的探测器上可以看出表征样品内部每个点反射大小的探测器电流与样品臂光束深度之间的函数关系包含许多个沿光束深度方向分布的反射点产生的电流应为每个干涉条纹叠加的效果样品中各点反射率深度关系曲线由移动参考反射镜(此称为A扫描方式) 同时记录探测器电流获得以恒定速度移动参考反射镜并记录探测器电流，在多普勒频率下解调，可得到电流的包络此包络即样品中各点在参考反射镜往返移动时的干涉情况样品的二维断层表面可由在移动参考反射镜的同时扫描样品表面获得(此称B扫描方式)，所得的二维数据可绘制成灰度或假彩色图像。

　　图1 OCT的原理图

　　3 EOCT在消化系统的作用

　　3.1 食管 在过去二十年里，Barrett食管已成为一个主要的卫生保健问题[6-9]，它是胃食管反流病患者的一种癌前状态，典型的Barrett食管化生柱状上皮与贲门或胃柱状上皮不同，其形态呈绒毛状，具有特征性的杯状细胞。传统方法是利用内窥镜进行检测，但对于辨认低级发育异常即癌症的早期转化很难确认(low-grade dysplasia or early precancerous tissue transformation)。Yu等[11]利用EOCT在体检测兔子的食管并与病理切片作比较，从EOCT图像能够很清楚地区分上皮层(squamous epithelium)，固有层(lamina propria)，肌肉黏膜层(muscularis mucosa)，黏膜下层(submucosa)和内外肌肉层(inner and outer muscular layers);同时Yu等还利用该仪器装置在体检测正常人的食管和病人的Barrett食管发现，从EOCT图像中，对于正常人食管和兔子的食管一样能够很清楚区分各层;但是对于 Barrett食管，有规律的结构被多层的“地穴状”和“管状”的(multiple crypt- and gland-like structures)东西给中断，而且从图像中发现组织结构具有很高的特异性。因此利用EOCT能够很清楚的区分正常食管和Barrett食管。Isenberg等[12]从33例病人获得314个可用的EOCT图像或者活组织检查(EOCT image stream/biopsy pairs)，并用组织学作为标准来检验EOCT对Barrett食管发育异常进行检测准确性和可行性，结果利用内窥镜检测方法只检测2例患有黏膜损伤;但是利用EOCT检测Barrett食管发育异常诊断的灵敏度可达68%，特异性可达82%，诊断准确度可达78%，详细情况见表1。并且从EOCT图像中能够很清楚地区分高、低级别的Barrett食管发育异常的不同之处。因此说明EOCT对诊断Barrett食管发育异常具有很高的准确率。图2，为Isenberg等所采用的直径为2.4 mm的EOCT探头。同时Qi等[13]也采用EOCT来观察Barrett食管发育异常的情况，其与病理组织结果比较灵敏度可达82%，特异性达74%，准确度达83%;还有Jckle等[14]也利用EOCT对Barrett食管和腺癌食管进行在体的研究;以及Li等[15]采用EOCT对Barrett食管进行观察。表1 诊断检验统计和利用EOCT 对发育注：CI，为置信区间(confidence interval); EOCT，为内窥OCT(endoscopic optical coherence tomography)

　　图3和图4是Pier Alberto Testoni等[16]利用EOCT对肠胃道和胰腺的扫描图像。从图3上发现正常食管壁(esophageal wall)的上面几层都可以分辨清楚;图4，分别是正常食管黏膜; Barrett食管;发育异常;腺癌，它们的EOCT图像是很容易区分的。

　　3.2 胃癌 根据世界健康组织专家报道，黏膜下600~800 μm是诊断和治疗的主要观察部位，但是利用传统的方法很难达到在体高分辨率的准确检测，但是利用EOCT可满足这个要求，而且重复性又很好。Alexander Sergeev等[17]在1998年采用EOCT在体对4位病人的胃组织的上和中部的黏膜层进行观察，发现上皮层(epithelium)，固有层(lamina propria)该层包括幽门腺、血管和淋巴管;并对外生型肿瘤观察，能够很清楚的区分肿瘤组织和血管。

　　3.3 结、直肠癌 筛选性大肠镜检查在西方国家被认为是早期诊断结、直肠癌的标准方法。Yu Chen等[11]采用EOCT在体检测兔子的结肠，从图像中能够区分结肠的上层黏膜层(upper mucosa)，肌肉黏膜层(muscular mucosa)，肌肉(muscularis propria)。Rollin等[18]研究正常结肠和增生性息肉(hyperplastic polyps ，即胃癌的癌前病变)发现后者由于对光的吸收加强，因此使得所得图像缺乏结构层次感，因此发现EOCT对结肠疾病也具有很好的诊断能力。Hariri等[19]在2007年采用氧化偶氮甲烷(Azoxymethane)方法诱导大鼠结肠癌模型，利用EOCT对老鼠进行在体、实时的监测结肠癌的整个产生过程，之后并用组织切片进行检验。从正常的结肠末梢中可以很容易的分辨出(从外至里)黏膜层(mucosa)，黏膜层与黏膜下层交界处(mucosa/submucosa boundary)，黏膜下层(submucosa)，黏膜下层与固有肌层交界处(submucosa/muscularis propria boundary)，固有肌层(muscularis propria)，圆形和纵向肌肉边界(circular and longitudinal muscle boundary)，固有肌层与动脉外膜交界处(muscularis propria/adventitia boundary)，动脉外膜(adventitia)，淋巴集(lymphoid aggregate);在正常直肠和肛门的EOCT图上可以看到上皮转型(epithelial transition)。对于结肠直肠瘤早期形成的观察，不管从EOCT图还是病理切片图都能够发现小部分的变化即黏膜层变厚，这样对光的吸收加强，使得EOCT图的信号稍微减弱，从而使进入下面层的光减少，因此各层的区分度下降。同时笔者还对老鼠腺瘤模型的产生过程利用EOCT进行观察，扫描时间分别是在施加氧化偶氮甲烷后的8、14、22 和26周，在8周时，黏膜的横向厚度增加一些，大概小于几个毫米，这样增加了光衰减;在14周时，疾病区域继续扩大，对光的衰减性明显增大;在22周时，疾病区域还在扩大，约大于几个毫米;在26周时，具有非常明显对光的衰减性。

　　4 展望

　　由上面可知EOCT是一种新颖、可视化技术，它可以解决一些传统方法难以解决的问题，例如：早期肿瘤的检测、肿瘤边界的标记以及肿瘤清除控制等等。但由于生物组织结构的特点使得EOCT的成像深度受限制，在一定程度上限制EOCT的临床应用。但作为一种新发展起来的临床诊断技术，EOCT比传统内窥镜具有分辨率高、无创或微创及重复性好等优点，使其在内脏疾病的诊断和治疗增加了砝码，且随着光学技术的提高，还能呈现出三维内窥光学相干层析成像图像，可以更轻易、更直观地发现病变。相信随着内镜技术、光学技术及计算机图像处理技术的不断进步，内窥光学相干层析成像系统可以逐步完善，并大量应用于消化道早期肿瘤的筛检和确诊以及其他的疾病中。

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