腦缺血性卒中涉及復雜的神經(jīng)元和血管事件級聯(lián)，會造成腦組織損傷。在卒中發(fā)展早期階段進行成像可以預測組織梗死和半暗帶，從而能夠確定最佳干預措施，以補救腦功能損傷。因此，開發(fā)相應的能在缺血性卒中早期表征腦損傷的成像技術是當務之急。美國華盛頓大學和韓國中央大學研究人員Woo June Choi等基于OCT成像提供的內源性光散射信號，開發(fā)了多參數(shù)OCT成像系統(tǒng)，在小鼠局灶腦缺血模型中，能夠在急性階段（血液閉塞后5分鐘到最初幾小時），成像顯示體內的多種血液動力學和組織散射反應，包括腦血流量不足、毛細血管不灌注、穿透血管移位和皮質組織中與梗死核心空間相關的光衰減增加（TTC染色確定）。證明多參數(shù)OCT成像有助于卒中早期缺血性病變的綜合評估，為指導治療決策提供必要信息。文章以“Monitoring acute stroke progression: multi-parametric OCT imaging ofcortical perfusion, flow, and tissue scattering in a mouse model of permanentfocal ischemia”為題發(fā)表于IEEE Trans Med Imaging。
 
 背景

 缺血性卒中時，閉塞后的腦損傷隨時間演變，從超急性期（幾分鐘）到急性期（幾小時），最終到慢性期（幾天）。閉塞后幾分鐘內，缺血損傷中心的腦組織經(jīng)歷了最劇烈的血量減少，達10ml/100g/min（正常的20 %）及以下，產生的嚴重缺氧環(huán)境會導致神經(jīng)元壞死。包圍這種這種壞死組織（也稱為梗塞核心）的是一個低灌注邊緣組織（10-20ml/100g/min；約正常的30-40%），稱為缺血半暗帶。與梗死核心不同，半暗帶區(qū)在功能上受到抑制，但結構和代謝保持完整。半暗帶的及時再灌注有機會幫助可挽救組織恢復功能，以免其在數(shù)小時內永久發(fā)展為梗死。因此在設計卒中急性期靶向治療時，理解和描述可挽救腦組織的血液動力學事件至關重要。

 在治療干預前，對卒中發(fā)作后的腦進行成像，可了解腦組織缺血的嚴重程度和范圍，這對于確定及時的治療方案和評估治療預后至關重要。以前對動物和人類卒中研究中，已經(jīng)使用過正電子發(fā)射斷層掃描（PET）、擴散/灌注加權磁共振成像（MRI）和灌注計算機斷層掃描（PCT）等重要的腦灌注成像技術。其中PET通過評估局部腦血流（CBF）和腦代謝之間的關系，被認為是當前活體檢測梗塞核心和半暗帶的標準。然而其應用性受限于其使用的復雜邏輯，并且由于使用放射性示蹤劑，大腦也不可避免地暴露于輻射。此外示蹤劑注射和成像之間所需的延遲太長（2小時以上），進一步限制了PET在急性缺血性卒中治療決策中的廣泛應用。擴散/灌注加權MRI也是急性評估卒中的常規(guī)方法，其中擴散/灌注不匹配區(qū)域可用作早期卒中患者半暗帶的替代標記物。盡管臨床結果令人滿意，但其方法學結論存在爭議。PCT已應用于常規(guī)快速CT掃描儀進行腦灌注成像，對于早期缺血半暗帶和梗死核心的快速評估非常有幫助。但與PET類似，這種方法需要使用侵入性的放射性造影劑，會給身體帶來輻射影響。

 光學相干斷層掃描（OCT）是一種無創(chuàng)、無標記的光學成像技術，能夠在幾毫米的視野范圍內以微米級的分辨率分辨活體生物組織的顯微解剖結構。OCT掃描協(xié)議和后處理算法的發(fā)展實現(xiàn)了提取血液灌注和血流速度，以及灌注組織的光學特性信息，即功能性OCT。OCT血管造影術（OCTA）已用于活體探索小鼠缺血性卒中模型的皮質脈管系統(tǒng)和血流動力學。OCTA能夠增強紅細胞在血管腔中移動的運動對比，可在無需外源造影劑的情況下，實現(xiàn)小鼠大腦皮質中精細血管網(wǎng)絡和循環(huán)的可視化。此外使用OCT信號的組織表征技術可準確確定缺血性損傷的程度，使用這種方法可創(chuàng)建出小鼠皮質組織的光學衰減系數(shù)圖譜，其中衰減系數(shù)通過分析由于光吸收和散射引起的接收到的OCT信號的衰減來測量。受損皮質組織衰減的變化可用于區(qū)分缺血核心和半暗帶。以前所有使用OCT的研究中，通常在小鼠卒中發(fā)作后幾小時才監(jiān)測大腦缺血性損傷。雖然足以評估缺血性損傷導致的血液動力學和組織特性變化，但血管閉塞后幾分鐘至幾小時內發(fā)生的關鍵病理生理學事件仍不清楚。

 本研究使用單一OCT成像平臺監(jiān)測了卒中發(fā)作后幾分鐘至前3小時小鼠大腦的血液動力學和結構變化。采用大腦中動脈遠端閉塞（dMCAO）模型誘導小鼠大腦局灶性缺血性卒中。OCT成像平臺測量了血液灌注、速度、流量和光衰減多種參數(shù)，由此可以表征卒中急性期皮質脈管系統(tǒng)、CBF、毛細血管灌注和組織散射的演變變化。對血管和組織損傷的綜合評估揭示了發(fā)生在缺血半暗帶和梗死核心的不同事件。

 

 圖1健康小鼠顱窗制備及活體大腦OCT成像。（A）截面（x-z）OCT圖像，描述大腦皮質的解剖細節(jié)，顯示灰質（GM）和白質（WM）。（B）對應的橫截面（x-z）OCTA圖像，表示皮質中的血液灌注。（C）深度相關信號衰減補償前的截面衰減系數(shù)圖像。用（E）中SD-OCT系統(tǒng)歸一化靈敏度滾降信號的峰值幅度的擬合函數(shù)H (z)（虛線）進行校正，得到（D）補償圖像。（F）衰減深度剖面圖比較（C和D中白線）顯示了補償后衰減系數(shù)的降低值�；疑�陰影區(qū)域表示具有明顯更高的衰減系數(shù)的白質（WM）的位置。（G）皮質表面下350μm處（A中兩條紅色虛線間）的3D OCT的最大振幅投影（MAPs）展示結構。（H）OCTA展示血管。（I）衰減系數(shù)。

 

  圖2相對腦血流量（rCBF）測量。（A）dMCAO后2.5h的卒中腦照片。箭頭為大腦血液閉塞部位。插圖為該位置dMCAO后1.5h的血管造影照片，其中缺血區(qū)域在空間上以同心模式擴大（黃色虛線）。（B）彩色rCBF空間分布，覆蓋了dMCAO后1.5h血管造影照片。（C）rCBF分布圖，帶有與血液阻塞部位的距離。IC，梗死核心；P，半暗帶；BO，良性缺血區(qū)；N，正常。

 結果
 01-dMCAO后腦血液灌注和流速的急性變化
 每2min對卒中模型小鼠大腦（n=5）進行OMAG和DOMAG測量，連續(xù)進行3h。圖3為一只動物OMAG和DOMAG圖像的時間進程，分別表示灌注圖和血流軸向速度圖。OMAG圖像（圖3A）中，MCA分支中的血流由于遠端MCA閉塞而顯著減少，導致毛細血管灌注減少，且低灌注區(qū)域隨時間推移（約130min）稍微擴展。與此同時，遠離缺血腦區(qū)域的ACA區(qū)域存在類似的毛細血管無灌注，該區(qū)域毛細血管灌注從近端ACA向大腦側支開始減少（14、16和40min的OMAG圖像中約8點方向），灌注下降持續(xù)了近20min。然而之后灌注慢慢恢復到基線水平（64、78、98和114min的OMAG圖像中約8點方向）。

 DOMAG圖像（圖3B）顯示了表層軟腦膜血管和穿透血管中紅細胞軸向流速的時間進程變化，而不是毛細血管中的。DOMAG信號用梯度顏色編碼表示速度，范圍從-6.1mm/s到6.1mm/s。下潛小動脈和上升小靜脈分別用離散的綠色和紅色表示�？梢娙毖�性腦區(qū)域穿透血管的流速連續(xù)降低，而非缺血性ACA區(qū)域中的穿透血管流速逐漸恢復到基線，與OMAG圖像中的毛細血管灌注反應類似。由于穿透小動脈在將軟腦膜動脈血流分配到下游毛細血管網(wǎng)絡中起關鍵作用，穿透小動脈中的血流中斷對相應OMAG圖像中觀察到的毛細血管密度影響顯著。小ROI圖像（1mm× 1mm）展示了非缺血性和缺血性腦組織中的血流動力學（圖3C，D）。

 

 圖3時間順序的OMAG和DOMAG圖像，顯示年輕成年小鼠大腦皮質中血液灌注和血流速度的同步變化。（A）OMAG圖像顯示腦血流灌注從基線到dMCAO后131min的變化。右邊刻度代表反射率對數(shù)灰度。（B）偽彩色DOMAG圖像顯示腦血管中紅細胞流速及流向。紅色代表向入射探測光束（負）移動，綠色代表相反（正）方向；色調表示速度，從-6.1mm/s到+6.1mm/s。通過分別靠近（C）ACA和（D）MCA的小區(qū)域（1mm× 1mm）視圖可以清楚觀察到灌注和血流速度的動態(tài)變化。 

 02-dMCAO后腦血流的急性變化

 研究了dMCAO后CBF相對于基線值的百分比變化。在相應的OMAG圖像上以假彩色顯示dMCAO后rCBF的空間分布（圖4A）。較暖的顏色對應較高的基線CBF百分比。可見由于dMCAO，急性缺血后的CBF基于皮質位置表現(xiàn)出兩種不同反應。在靠近閉塞MCA部位的缺血區(qū)，rCBF水平單調下降（變得越來越藍），而靠近ACA的非缺血區(qū)的rCBF水平最初下降（從紅色變?yōu)辄S色），然后逐漸恢復到基線水平。

 測量每只小鼠（n=5）三個空間位置（P1、P2、P3，分別距閉塞位置2.5、3.5、4.5mm）CBF的相對變化的時間進程（圖4B）。P1（最靠近閉塞）處的rCBF曲線表明，動脈閉塞后幾分鐘內，CBF值顯著下降至基線值的約60 %（半暗帶），閉塞后3h內進一步下降至基線值的20 %以下（梗死核心）。同樣，P2（靠近局部灌注不足）處rCBF曲線顯示，3h內CBF從基線的70%降至約35%，對應良性缺血區(qū)至缺血半暗帶的CBF閾值。然而P3（離局部灌注不足最遠）的rCBF曲線通常在3h內呈現(xiàn)出典型的凹上形狀，CBF在dMCAO后25min內下降到基線的約70 %，在20min的平穩(wěn)CBF灌注后，逐漸恢復到基線的90%，在已知良性缺血區(qū)的CBF閾值范圍內（基線的66-92%）。
 

 圖4 CBF對急性腦缺血反應的時空變化。（A）與相應的OMAG圖像（灰度）重疊的偽彩色CBF時間進程。較暖色代表較高的基線CBF水平百分比（%）。（B）三個不同位置rCBF反應的平均軌跡，顯示CBF相對于基線的急性卒中相關的相對變化。

 03-dMCAO后衰減系數(shù)的急性變化

 衰減系數(shù)的時間歷程圖展示了dMCAO后皮質組織散射特性的變化（圖5A）。觀察到局灶缺血周圍的皮質區(qū)（圖5A右側）衰減系數(shù)增加（>3mm^-1），并且隨著腦缺血的進展該區(qū)域空間上出現(xiàn)擴展，這清楚表明外側的皮質散射特性發(fā)生了變化。此外皮質區(qū)域的邊緣（圖5A中箭頭）在dMCAO后8min出現(xiàn)，并表現(xiàn)出明顯更高的衰減系數(shù)（> 4.5mm^-1），隨時間推移而擴展。這一明顯的邊界區(qū)域劃分出了中等衰減系數(shù)亮度區(qū)域（圖5A右側）。圖5B為dMCAO后130min的OMAG圖像（紅色）和衰減系數(shù)圖（綠色）的疊加。非灌注區(qū)域的邊界在空間上與衰減系數(shù)的邊界區(qū)域相關，表明缺血腦的特征是血液灌注以及皮質組織光散射的變化。在OCT成像的終點（dMCAO后130min）對成像小鼠的大腦進行TTC染色，以檢查腦損傷（圖5C）。染色結果可見配準的衰減邊緣區(qū)和白色區(qū)域（梗塞核心）。因此，通過定位衰減系數(shù)時間圖中的強白帶，可以很容易地識別梗塞。

 比較OMAG圖像還可觀察到MCA附近缺血腦組織中穿透血管的位移，特征為高衰減系數(shù)（> 3mm^-1）。圖5D顯示了短暫MCA閉塞后小ROI（圖5B中白框）中穿透血管的位移，其中兩個穿透小動脈（箭頭）出現(xiàn)逐漸移動，在OMAG圖像中顯示為左折疊。位移表示為軟腦膜分支與其貫穿血管間相對于基線的角度差。圖5E顯示5只小鼠的角度偏差平均超過約17度，而相對于ACA區(qū)域中的穿透血管，該偏差是邊緣性的（< 3度）。通過比較OMAG和衰減系數(shù)測量值得出的這一觀察結果表明，血管遷移與大腦缺血性損傷有關。

  圖5急性缺血性卒中期間小鼠大腦衰減系數(shù)反應的皮質組織散射變化。（A）短暫性MCA閉塞后大腦皮質衰減系數(shù)的演變。（B）dMCAO后130min的OMAG圖像（紅色）和衰減系數(shù)圖（綠色）的疊加。（C）dMCAO后130min的TTC染色腦切片俯視圖。梗塞區(qū)域顯示為白色，正常組織顯示為紅色。箭頭指示類似軟腦膜動脈的血管分支（B中箭頭）。（D）小區(qū)域（B中白框）穿透血管（箭頭）相對于基線的位置變化。血管位移測量為穿透血管與其軟腦膜血管之間角度的變化。（E）每只小鼠血管位移的測量結果（avg ± std）。（F）B中白線處距表面350μm的截面皮質組織中血液灌注（紅色）和衰減（綠色）的時間過程。


 結論

 本文使用一種多參數(shù)OCT方法，活體監(jiān)測了小鼠dMCAO模型中，缺血性卒中早期的腦組織損傷進展和血流損傷。利用紅細胞和皮質組織的固有光學散射特性提供了一系列內源性對比圖像，提供了關于大腦脈管系統(tǒng)、血流速度、CBF和小鼠大腦組織特性變化的深度分辨信息。通過開放顱骨窗口，以2min間隔對dMCAO后的急性期（最初3小時）的持續(xù)檢測，揭示了該階段的腦血流動力學和皮質組織散射變化之間的時空關系，為組織梗死發(fā)病機制、缺血損傷后半暗帶發(fā)展，以及相關的血流動力學事件提供了新的見解。此外這種監(jiān)測體內多種生理事件的能力，將允許臨床前對缺血性腦損傷的潛在機制進行深入研究，幫助制定適當?shù)闹委煵呗詠砀纳迫毖�性卒中的結果。
 
 參考文獻：Choi, W. J. ,  Y. Li , and  R. K. Wang . "Monitoring Acute Stroke Progression: Multi-Parametric OCT Imaging of Cortical Perfusion, Flow, and Tissue Scattering in a Mouse Model of Permanent Focal Ischemia." IEEE Transactions on Medical Imaging PP.6(2019):1-1.