IEEE Trans Med Imaging急性卒中监测：使用多参数OCT研究局灶缺血小鼠模型

脑缺血性卒中涉及复杂的神经元和血管事件级联，会造成脑组织损伤。在卒中发展早期阶段进行成像可以预测组织梗死和半暗带，从而能够确定最佳干预措施，以补救脑功能损伤。因此，开发相应的能在缺血性卒中早期表征脑损伤的成像技术是当务之急。美国华盛顿大学和韩国中央大学研究人员Woo June Choi等基于OCT成像提供的内源性光散射信号，开发了多参数OCT成像系统，在小鼠局灶脑缺血模型中，能够在急性阶段（血液闭塞后5分钟到最初几小时），成像显示体内的多种血液动力学和组织散射反应，包括脑血流量不足、毛细血管不灌注、穿透血管移位和皮质组织中与梗死核心空间相关的光衰减增加（TTC染色确定）。证明多参数OCT成像有助于卒中早期缺血性病变的综合评估，为指导治疗决策提供必要信息。文章以“Monitoring acute stroke progression: multi-parametric OCT imaging ofcortical perfusion, flow, and tissue scattering in a mouse model of permanentfocal ischemia”为题发表于IEEE Trans Med Imaging。
 

背景

缺血性卒中时，闭塞后的脑损伤随时间演变，从超急性期（几分钟）到急性期（几小时），最终到慢性期（几天）。闭塞后几分钟内，缺血损伤中心的脑组织经历了最剧烈的血量减少，达10ml/100g/min（正常的20 %）及以下，产生的严重缺氧环境会导致神经元坏死。包围这种这种坏死组织（也称为梗塞核心）的是一个低灌注边缘组织（10-20ml/100g/min；约正常的30-40%），称为缺血半暗带。与梗死核心不同，半暗带区在功能上受到抑制，但结构和代谢保持完整。半暗带的及时再灌注有机会帮助可挽救组织恢复功能，以免其在数小时内永久发展为梗死。因此在设计卒中急性期靶向治疗时，理解和描述可挽救脑组织的血液动力学事件至关重要。

在治疗干预前，对卒中发作后的脑进行成像，可了解脑组织缺血的严重程度和范围，这对于确定及时的治疗方案和评估治疗预后至关重要。以前对动物和人类卒中研究中，已经使用过正电子发射断层扫描（PET）、扩散/灌注加权磁共振成像（MRI）和灌注计算机断层扫描（PCT）等重要的脑灌注成像技术。其中PET通过评估局部脑血流（CBF）和脑代谢之间的关系，被认为是当前活体检测梗塞核心和半暗带的标准。然而其应用性受限于其使用的复杂逻辑，并且由于使用放射性示踪剂，大脑也不可避免地暴露于辐射。此外示踪剂注射和成像之间所需的延迟太长（2小时以上），进一步限制了PET在急性缺血性卒中治疗决策中的广泛应用。扩散/灌注加权MRI也是急性评估卒中的常规方法，其中扩散/灌注不匹配区域可用作早期卒中患者半暗带的替代标记物。尽管临床结果令人满意，但其方法学结论存在争议。PCT已应用于常规快速CT扫描仪进行脑灌注成像，对于早期缺血半暗带和梗死核心的快速评估非常有帮助。但与PET类似，这种方法需要使用侵入性的放射性造影剂，会给身体带来辐射影响。

光学相干断层扫描（OCT）是一种无创、无标记的光学成像技术，能够在几毫米的视野范围内以微米级的分辨率分辨活体生物组织的显微解剖结构。OCT扫描协议和后处理算法的发展实现了提取血液灌注和血流速度，以及灌注组织的光学特性信息，即功能性OCT。OCT血管造影术（OCTA）已用于活体探索小鼠缺血性卒中模型的皮质脉管系统和血流动力学。OCTA能够增强红细胞在血管腔中移动的运动对比，可在无需外源造影剂的情况下，实现小鼠大脑皮质中精细血管网络和循环的可视化。此外使用OCT信号的组织表征技术可准确确定缺血性损伤的程度，使用这种方法可创建出小鼠皮质组织的光学衰减系数图谱，其中衰减系数通过分析由于光吸收和散射引起的接收到的OCT信号的衰减来测量。受损皮质组织衰减的变化可用于区分缺血核心和半暗带。以前所有使用OCT的研究中，通常在小鼠卒中发作后几小时才监测大脑缺血性损伤。虽然足以评估缺血性损伤导致的血液动力学和组织特性变化，但血管闭塞后几分钟至几小时内发生的关键病理生理学事件仍不清楚。

本研究使用单一OCT成像平台监测了卒中发作后几分钟至前3小时小鼠大脑的血液动力学和结构变化。采用大脑中动脉远端闭塞（dMCAO）模型诱导小鼠大脑局灶性缺血性卒中。OCT成像平台测量了血液灌注、速度、流量和光衰减多种参数，由此可以表征卒中急性期皮质脉管系统、CBF、毛细血管灌注和组织散射的演变变化。对血管和组织损伤的综合评估揭示了发生在缺血半暗带和梗死核心的不同事件。

 
图1健康小鼠颅窗制备及活体大脑OCT成像。（A）截面（x-z）OCT图像，描述大脑皮质的解剖细节，显示灰质（GM）和白质（WM）。（B）对应的横截面（x-z）OCTA图像，表示皮质中的血液灌注。（C）深度相关信号衰减补偿前的截面衰减系数图像。用（E）中SD-OCT系统归一化灵敏度滚降信号的峰值幅度的拟合函数H (z)（虚线）进行校正，得到（D）补偿图像。（F）衰减深度剖面图比较（C和D中白线）显示了补偿后衰减系数的降低值。灰色阴影区域表示具有明显更高的衰减系数的白质（WM）的位置。（G）皮质表面下350μm处（A中两条红色虚线间）的3D OCT的最大振幅投影（MAPs）展示结构。（H）OCTA展示血管。（I）衰减系数。



图2相对脑血流量（rCBF）测量。（A）dMCAO后2.5h的卒中脑照片。箭头为大脑血液闭塞部位。插图为该位置dMCAO后1.5h的血管造影照片，其中缺血区域在空间上以同心模式扩大（黄色虚线）。（B）彩色rCBF空间分布，覆盖了dMCAO后1.5h血管造影照片。（C）rCBF分布图，带有与血液阻塞部位的距离。IC，梗死核心；P，半暗带；BO，良性缺血区；N，正常。

结果

01-dMCAO后脑血液灌注和流速的急性变化
每2min对卒中模型小鼠大脑（n=5）进行OMAG和DOMAG测量，连续进行3h。图3为一只动物OMAG和DOMAG图像的时间进程，分别表示灌注图和血流轴向速度图。OMAG图像（图3A）中，MCA分支中的血流由于远端MCA闭塞而显著减少，导致毛细血管灌注减少，且低灌注区域随时间推移（约130min）稍微扩展。与此同时，远离缺血脑区域的ACA区域存在类似的毛细血管无灌注，该区域毛细血管灌注从近端ACA向大脑侧支开始减少（14、16和40min的OMAG图像中约8点方向），灌注下降持续了近20min。然而之后灌注慢慢恢复到基线水平（64、78、98和114min的OMAG图像中约8点方向）。

DOMAG图像（图3B）显示了表层软脑膜血管和穿透血管中红细胞轴向流速的时间进程变化，而不是毛细血管中的。DOMAG信号用梯度颜色编码表示速度，范围从-6.1mm/s到6.1mm/s。下潜小动脉和上升小静脉分别用离散的绿色和红色表示。可见缺血性脑区域穿透血管的流速连续降低，而非缺血性ACA区域中的穿透血管流速逐渐恢复到基线，与OMAG图像中的毛细血管灌注反应类似。由于穿透小动脉在将软脑膜动脉血流分配到下游毛细血管网络中起关键作用，穿透小动脉中的血流中断对相应OMAG图像中观察到的毛细血管密度影响显著。小ROI图像（1mm× 1mm）展示了非缺血性和缺血性脑组织中的血流动力学（图3C，D）。

 
图3时间顺序的OMAG和DOMAG图像，显示年轻成年小鼠大脑皮质中血液灌注和血流速度的同步变化。（A）OMAG图像显示脑血流灌注从基线到dMCAO后131min的变化。右边刻度代表反射率对数灰度。（B）伪彩色DOMAG图像显示脑血管中红细胞流速及流向。红色代表向入射探测光束（负）移动，绿色代表相反（正）方向；色调表示速度，从-6.1mm/s到+6.1mm/s。通过分别靠近（C）ACA和（D）MCA的小区域（1mm× 1mm）视图可以清楚观察到灌注和血流速度的动态变化。 

02-dMCAO后脑血流的急性变化

研究了dMCAO后CBF相对于基线值的百分比变化。在相应的OMAG图像上以假彩色显示dMCAO后rCBF的空间分布（图4A）。较暖的颜色对应较高的基线CBF百分比。可见由于dMCAO，急性缺血后的CBF基于皮质位置表现出两种不同反应。在靠近闭塞MCA部位的缺血区，rCBF水平单调下降（变得越来越蓝），而靠近ACA的非缺血区的rCBF水平最初下降（从红色变为黄色），然后逐渐恢复到基线水平。

测量每只小鼠（n=5）三个空间位置（P1、P2、P3，分别距闭塞位置2.5、3.5、4.5mm）CBF的相对变化的时间进程（图4B）。P1（最靠近闭塞）处的rCBF曲线表明，动脉闭塞后几分钟内，CBF值显著下降至基线值的约60 %（半暗带），闭塞后3h内进一步下降至基线值的20 %以下（梗死核心）。同样，P2（靠近局部灌注不足）处rCBF曲线显示，3h内CBF从基线的70%降至约35%，对应良性缺血区至缺血半暗带的CBF阈值。然而P3（离局部灌注不足最远）的rCBF曲线通常在3h内呈现出典型的凹上形状，CBF在dMCAO后25min内下降到基线的约70 %，在20min的平稳CBF灌注后，逐渐恢复到基线的90%，在已知良性缺血区的CBF阈值范围内（基线的66-92%）。

图4 CBF对急性脑缺血反应的时空变化。（A）与相应的OMAG图像（灰度）重叠的伪彩色CBF时间进程。较暖色代表较高的基线CBF水平百分比（%）。（B）三个不同位置rCBF反应的平均轨迹，显示CBF相对于基线的急性卒中相关的相对变化。

03-dMCAO后衰减系数的急性变化

衰减系数的时间历程图展示了dMCAO后皮质组织散射特性的变化（图5A）。观察到局灶缺血周围的皮质区（图5A右侧）衰减系数增加（>3mm^-1），并且随着脑缺血的进展该区域空间上出现扩展，这清楚表明外侧的皮质散射特性发生了变化。此外皮质区域的边缘（图5A中箭头）在dMCAO后8min出现，并表现出明显更高的衰减系数（> 4.5mm^-1），随时间推移而扩展。这一明显的边界区域划分出了中等衰减系数亮度区域（图5A右侧）。图5B为dMCAO后130min的OMAG图像（红色）和衰减系数图（绿色）的叠加。非灌注区域的边界在空间上与衰减系数的边界区域相关，表明缺血脑的特征是血液灌注以及皮质组织光散射的变化。在OCT成像的终点（dMCAO后130min）对成像小鼠的大脑进行TTC染色，以检查脑损伤（图5C）。染色结果可见配准的衰减边缘区和白色区域（梗塞核心）。因此，通过定位衰减系数时间图中的强白带，可以很容易地识别梗塞。

比较OMAG图像还可观察到MCA附近缺血脑组织中穿透血管的位移，特征为高衰减系数（> 3mm^-1）。图5D显示了短暂MCA闭塞后小ROI（图5B中白框）中穿透血管的位移，其中两个穿透小动脉（箭头）出现逐渐移动，在OMAG图像中显示为左折叠。位移表示为软脑膜分支与其贯穿血管间相对于基线的角度差。图5E显示5只小鼠的角度偏差平均超过约17度，而相对于ACA区域中的穿透血管，该偏差是边缘性的（< 3度）。通过比较OMAG和衰减系数测量值得出的这一观察结果表明，血管迁移与大脑缺血性损伤有关。

图5急性缺血性卒中期间小鼠大脑衰减系数反应的皮质组织散射变化。（A）短暂性MCA闭塞后大脑皮质衰减系数的演变。（B）dMCAO后130min的OMAG图像（红色）和衰减系数图（绿色）的叠加。（C）dMCAO后130min的TTC染色脑切片俯视图。梗塞区域显示为白色，正常组织显示为红色。箭头指示类似软脑膜动脉的血管分支（B中箭头）。（D）小区域（B中白框）穿透血管（箭头）相对于基线的位置变化。血管位移测量为穿透血管与其软脑膜血管之间角度的变化。（E）每只小鼠血管位移的测量结果（avg ± std）。（F）B中白线处距表面350μm的截面皮质组织中血液灌注（红色）和衰减（绿色）的时间过程。


结论

本文使用一种多参数OCT方法，活体监测了小鼠dMCAO模型中，缺血性卒中早期的脑组织损伤进展和血流损伤。利用红细胞和皮质组织的固有光学散射特性提供了一系列内源性对比图像，提供了关于大脑脉管系统、血流速度、CBF和小鼠大脑组织特性变化的深度分辨信息。通过开放颅骨窗口，以2min间隔对dMCAO后的急性期（最初3小时）的持续检测，揭示了该阶段的脑血流动力学和皮质组织散射变化之间的时空关系，为组织梗死发病机制、缺血损伤后半暗带发展，以及相关的血流动力学事件提供了新的见解。此外这种监测体内多种生理事件的能力，将允许临床前对缺血性脑损伤的潜在机制进行深入研究，帮助制定适当的治疗策略来改善缺血性卒中的结果。

参考文献：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.