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光学相干断层扫描的癌症成像:临床前进展和临床潜力

2022-05-06作者:浏览次数:16  来源:北京心联光电科技有限公司
上一篇文章中我们重点介绍了新型OCTA影像学技术,在这篇文章中我们将通过国际顶尖期刊NATURE REVIEWS CANCER(影响因子:51.848)中的一篇经典综述来进一步了解光学相干断层扫描成像技术(OCT)吧!
简单的说OCT 技术以迈克尔逊干涉原理为核心,基于弱相干光信号探测,获取样品的背向反射和背向散射光信号,再通过横向扫描获得多个 A-scan信息,重建得到组织横断面图像;最后再通过纵向扫描进而获得样品的三维立体图像。相比于传统的影像学技术, OCT 凭借其高时间分辨率、高空间分辨率的非接触、快速、无创的优点,可实现高分辨活体三维无标记成像。因此,在医学界,它成为了一种极具吸引力的前沿技术。

 

近十年来,OCT 技术得到了的高速发展与进步,在眼科学、生物医学、工业界等领域取得了令人瞩目的成就。这些进展大大推动了眼科,心脏病学和胃肠道癌筛查的商业化和临床应用。近年来OCTA技术与血管内OCT技术的发展,为临床前活体内癌症成像临床应用开发,提供了一系列令人兴奋的新功能,不仅可以实现高分辨组织内部结构成像,还可以探测和监测体内癌症的进展和反应的功能相关信息。
        OCT Endoscope (OCE) ImagingSystem 内窥系统通常包括光源,干涉仪和显微镜或成像导管,显微镜或成像导管将光传递到要成像的组织并从中收集反射,获取组织高分辨信息。与荧光显微镜相比,具有更深的成像深度并且无需标记等优势。OCT可以通过皮下成像用于皮下模型,或者可以应用于外科手术暴露的内部部位进行区域成像。
微结构成像
       结构(解剖)成像是精准测量肿瘤体积,解剖定位肿瘤或定义肿瘤微环境的关键。活体超声和微计算机断层扫描(μCT)通常用于此目的,两者都具有成像范围大和穿透力强的优点,但受相对较差的软组织成像对比度的阻碍,限制了其对解剖结构的解释。
       通过使用光学散射传递的光学信息,可以从OCT测量中生成微结构图像。由于在软组织上的光学散射比声学散射或X射线吸收变化更大,因此微结构OCT图像通常比超声和CT提供更大的图像对比度。大大提高了肿瘤边缘的高分辨检测能力,更能够阐明肿瘤部位的微环境功能变化等情况。



         肿瘤的微结构OCT成像。(一)使用微观结构的对比,可以在背侧皮褶腔模型中将肿瘤组织(同种异体移植的MCaIV乳腺腺癌)与周围宿主皮下和肌肉组织区分开。通过定义肿瘤边缘,可以计算三维肿瘤体积。(b)内窥镜在小鼠结肠中由乙氧基甲烷诱导的大肠癌的显微组织OCT。高软组织对比度和接近组织学分辨率可对结肠上皮微结构进行成像。图像显示了在不同组织深度(垂直方向)上的对比度与沿结肠的距离(水平方向上)的对比。疾病进展-从正常组织到胃肠上皮内瘤变(GIN)到腺瘤-可以通过标志性的修改(例如组织分层的丢失)来监控。(c)通过量化OCT微结构数据集中的散射,可以在细胞毒性干预过程中监测肿瘤的生存能力。在此,在白喉毒素(下图)或未治疗(上图)施用两天后,展示了皮背背腔模型中的LS174T人结肠直肠腺癌异种移植物的代表性生存力图像。在给予白喉毒素的动物中,散射的增加表明生存力的显着降低。横向范围a:5毫米(x),4.4毫米(y)。c中的比例尺:500μm。
 
活力监测
       肿瘤模型内部的成像能力有助于阐明空间异质性的治疗反应。使用18-氟脱氧葡萄糖(FDG)标记的微型正电子发射断层扫描(μPET)扫描仪可以在全身成像研究中绘制生存力图,但其有限的分辨率(通常大于1毫米)不能很好地匹配小动物模型中的肿瘤大小尺度。GFP表达的肿瘤可用于监测存活率,因为荧光蛋白载体的半衰期约为36小时,但这些技术受限于成像视野和深度。     
 OCT技术可以通过光学散射的相关变化来区分肿瘤的可存活和不可存活的分区。虽然组织结构中调节光学散射的基本变化还没有被确定,但高散射和生存能力的损失之间的相关性已被图像和组织学证实。然而,在将散射变化与生存能力状态联系起来时必须谨慎,因为其他过程可能表现出类似的散射变化。基于OCT的生存能力成像具有无标签的优势,可以很容易地与其他OCT成像方式同时进行,例如,微结构成像;这两种对比度方法都是在相同的获取数据集上操作,仅通过后处理进行区分。在临床前环境下安全稳妥的成像方法的匮乏使得OCT的应用引人注目。
血管造影
       在过去的十年中,了解肿瘤血管生成和肿瘤对血管靶向疗法的反应一直是癌症研究的热点之一。目前的活体血管造影方法包括多普勒超声,微磁共振成像(μMRI),μCT,光声层析成像和荧光显微镜。其中,基于超声,μMRI和μCT的方法由于分辨率有限而无法分辨单个血管。荧光血管造影可用于研究单个血管分辨率下肿瘤模型中的血管生成,然而,该方法需要外源性染料进行血管的系统性标记,在活体成像应用研究中存在一定局限性。而OCT血管造影成像依赖于散射动力学的测量,流动的血液调节光散射,并且可以检测到这种调节并将其用于区分肿瘤的血管内和血管外腔室,与荧光方法不同,基于OCT的血管造影术无需标记。这是其技术最大的优势。但在过去很长一段时间里荧光显微镜与OCT相比,荧光显微镜可提供更小的视野和更高的分辨率成为了一大优势,但是随着OCT技术的进步OCTA技术的发展使其分辨率逐渐赶上荧光显微镜,这就使得OCTA技术在临床和科研领域变得更有前景和潜力。
 

      使用OCT对肿瘤血管生成进行成像。基于OCT的血管造影显示出在不同解剖部位生长的MCaIV鼠乳腺癌中的血管网络截然不同。比例尺,500μm。在这些图像中,三维血管信号被投影到单个图像中,色图用于编码血管深度。
       OCT在临床前癌症研究中最引人注目的应用是在血管造影领域,其不仅能够多次反复成像的能力使其非常适合研究各种部位的肿瘤血管生成和血管反应,而且 宽视野成像以独特的清晰度揭示了肿瘤血管网络的形态特征。该功能用于研究肿瘤微环境脉管相关疾病具有重要作用。使用OCT可以进行快速重复血管造影成像(由于成像时间和外渗标记物的积累,在荧光显微镜存在限制)。
       综上所述,我们可以相信OCT技术在科研以及临床诊断和治疗中的应用前景广阔,可以在多种学科,多种类型的研究中都能提供巨大的能量。目前,已经可以看到OCT技术在除眼科之外的临床应用上拥有巨大潜力。随着OCT技术的发展,OCT技术将来来提供肿瘤内微血管系统的高分辨率可视化。
参考文献
Vakoc,B. J., Fukumura, D., Jain, R. K., & Bouma, B. E. (2012). Cancer imaging by optical coherencetomography: preclinical progress and clinical potential. Naturereviews. Cancer12(5), 363–368.https://doi.org/10.1038/nrc3235
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