Lasers Med Sci：扫频OCTA监测人体口腔病变微血管

口腔粘膜病变种类繁多，可构成复杂多样的损害，同时有些口腔表征也可作为全身性疾病诊断的依据或线索。华盛顿大学研究人员Wei Wei等开发了基于光学相干断层扫描（OCT）的血管造影术（OCTA），以10mm× 10mm视野对人体口腔微循环组织床内的血流进行了成像。在单次3D采集中获得唇粘膜组织的3D结构和血管图像。使用OCT断层影像和血管造影检查了口腔溃疡的病理性粘膜部位，并监测了为期2周的病变愈合过程。定量评估了固有层内毛细血管袢密度，展示了其在健康和患病状况下的显著变化差异。此外还对其他易患溃疡部位的组织解剖结构及血管形态学进行了成像，如舌、牙槽粘膜和唇系带，证明了OCT/OCTA在临床诊断和监测口腔组织异常治疗中的应用前景。文章以“Microvascular imaging and monitoring of human oralcavity lesions in vivo by swept-source OCT-based angiography”为题发表于Lasers Med Sci。

背景

口腔粘膜疾病是世界上最常见的疾病之一，不仅损害消化功能，还会威胁全身健康。以口腔癌为例，2016年美国约有48,250例新确诊病例，全球超过640,000例。不幸的是大多口腔癌患者在相对较晚的阶段才发现，导致平均5年死亡率高达约43%。因此早期癌变的检测在预防和治疗口腔癌中起着重要作用。其他口腔疾病虽不直接威胁生命，但重复的检查及治疗仍会给患者和医疗保健系统造成沉重负担。此外糖尿病或维生素缺乏等全身性疾病，以及长期吸烟或饮酒等局部影响也可引发口腔粘膜生理变化。因此，低成本高效的诊断工具对筛查和诊断口腔异常、分析病变和监测病变恢复来说是非常有必要的。

一般来说口腔疾病临床诊断由视觉检查、触觉评估和侵入性活检组成。但受到视觉分辨率和主观标准的限制，医生通常很难获得疾病的详细状态。内窥显微镜可能帮助提高对粘膜表面检测的分辨率，但无法触及更深层的结构/血管，而这些结构/血管的异常通常携带有价值的病变信息。光声显微术（PAM）在体内成像组织微血管特征中具有一定前景，然而口腔粘膜PAM成像的可行性尚未得到证实。

光学相干断层扫描（OCT）具有高分辨率、高扫描速度以及适合的成像深度，很适合非侵入性口腔成像。已经有很多研究使用OCT分析各种生理性口腔结构，证明了OCT体内口腔粘膜疾病成像研究的可行性。虽然OCT在可视化组织形态方面很有前景性，但无法提供关于血液灌注的信息。众所周知微循环支持许多重要功能，从临床角度来看，毛细血管床是血液和组织之间发生营养代谢交换的血管区域。在口腔诊断中，毛细血管袢长期以来一直被用作疾病的临床指标，如高度发育不良、原位癌、系统性硬化和浸润性癌等。特别是对于口腔癌和治疗引起的粘膜炎，组织血管对于早期变化的检测是至关重要的，可用于评估癌边缘，以及当前临床条件下是否存在临床症状不明显的异常。因此正确显示和分析微血管特征对于改善疾病分期和治疗管理至关重要。

光学相干断层扫描血管造影术（OCTA）能够使用内源性运动对比产生3D深度分辨血管信息。自从OCTA被引入到口腔组织成像领域以来，使用其可视化脉管系统的报道很少。作为OCTA变体之一，散斑方差OCT（svOCT）血管造影术已被证明能够描绘唇组织内的脉管系统，然而提供的信息有限，只能量化微血管的参与情况。扫频OCT（SS-OCT）可通过专门设计的前/侧观察探头实现对人嘴唇、舌头和颊粘膜的微血管成像，但2mm× 2mm的视场（FOV）较小，通常不能获得关于病变组织的有用微血管信息。在临床实践中，有必要评估覆盖100 mm²以上FOV的微血管网络，才能在相对较大的组织面积上识别潜在的微血管异常，便于进一步检查和病理分析。

本文开发了基于SS-OCT的血管造影系统（图1），以在人口腔中提供10 × 10 mm²以上的3D微循环信息。通过对口腔粘膜溃疡病变（一种常见的口腔粘膜疾病）进行成像，发现溃疡病变渗透到上皮（EP）和固有层（LP）。此外还检查了易患溃疡的各种口腔组织部位的组织形态学和血管特征，证明了该系统的应用潜力。

图1 （a）SS-OCT系统设置示意图，其中样品臂终端是一个手工制作的（b）手持探针，用于人体口腔的宽视场OCTA成像。

结果

01-健康人体口腔粘膜组织的体内OCT/OMAG成像

图2a为健康男性志愿者（27岁）的下唇照片，黄色方框内为扫描区域。可见在上皮（EP）中没有观察到角质化，与正常组织学非常一致。在图2c中，一层薄的基底膜（BM）清楚区分开了上皮层和下面的固有（LP）层。已知固有层是由胶原和弹性蛋白纤维网络组成的纤维结缔组织层，进一步分为两个子层：不同于成纤维细胞松散/紧密连接的乳头状和网状层（对应图2c中的低/高OCT信号强度）。图2d显示了位于固有层内的浅丛，以及进入结缔组织乳头的毛细血管。3D OMAG图像数据集中的正面OCT血管造影照片描绘出了唇粘膜内的毛细血管网（图2e），其中毛细血管袢集中，起源于但近似垂直于固有层中的下层血管丛。如图2f所示，在更深的网状层（RL）中可以更清楚地识别出固有层血管丛，可见大血管分支（VL）和小分支（VB）。


 

 图2 健康唇粘膜的活体OCT/OMAG图像。（a）下唇唇粘膜组织照片，黄框为成像区域。（b）粘膜结构的OCT MIP图像。（c，d）b，e，f中水平虚线处的OCT截面图像及对应的OMAG截面图像。（e，f）乳头层致密浅表毛细血管袢和网状层血管丛的OMAG MIP图像。（g）融合结构（灰色）和脉管系统（黄色）图像数据集的体积式渲染图。

02-体内OCT/OMAG成像溃疡病变对人体口腔粘膜组织的影响

对一名36岁男性志愿者的异常口腔粘膜组织进行了成像，该患者患有复发性口腔小溃疡（口疮性溃疡）。图3a为发生后第7天唇粘膜上的口腔溃疡，图3b正面图像中也可识别出。溃疡表现为小的、卵圆形的、高反射的组织破裂，边缘界限清楚（红斑晕）。横截面OCT结构图像和相应OMAG血流图像从穿过溃疡中心的位置提取。在溃疡中观察到一个蜕皮样穿孔，图3c中可见角状高反射点（红色箭头）。出现的散射体被认为是死细胞，是炎症阶段吞噬过程的结果。可以解释为口腔溃疡诱发淋巴细胞介导的免疫反应，引发EP层的崩解和坏死。OMAG图像中（图3d）也存在这种散射，意味着OMAG足够敏感，能够检测漂浮在溃疡空间中的散射体的缓慢运动。在乳头层的毛细血管网（图3e）和网状层的下层血管网（图3f）中，明显可见穿孔溃疡中毛细血管袢大量损失，但溃疡下方的浅表血管丛中损失较少。

图3 出现口腔溃疡后第7天唇粘膜的体内OCT/OMAG图像。（a）带有溃疡（U）的下唇粘膜组织。（b）溃疡影响区域的正面OCT MIP图像。（c）分别在b、e和f中水平虚线处的OCT横截面和（d）对应的OMAG横截面图像，显示溃疡穿孔内缓慢运动的浮动散射体（红色箭头）。（e，f）乳头层和网状层内的微脉管系统的正面OMAG MIP图像。（g）融合结构（灰色）和脉管系统（黄色）图像数据集的体积式渲染图。

在溃疡发生后第11天，OCT/OMAG图像显示增殖阶段的溃疡病变在无任何医学干预的情况下即出现明显自愈合，包括病变部位的收缩和上皮层的再上皮化，图4a-g也可见溃疡病变中新血管的形成。图3和图4中溃疡区域均用黄色方块标出。


 

 图4口腔溃疡发生后第11天唇粘膜的活体OCT/OMAG图像。（a）带有溃疡（U）的下唇粘膜组织。（b）相应的正面OCT MIP图像显示恢复中的粘膜表面。（c，d）分别在b、e和f中水平虚线处的OCT横截面和相应OMAG横截面图像。（e，f）分别是乳头层和网状层内的微脉管系统的正面OMAG MIP图像。（g）融合结构（灰色）和脉管系统（黄色）图像数据集的体积式渲染图。

03-体内OCT/OMAG成像口腔溃疡进展

为观察口腔溃疡进展，监测了从溃疡形成到其自然恢复的过程（图5）。本研究的成像FOV为5mm×5mm，可提供更细致的溃疡区域图像。图5a.1和a.2可见上皮层表层侵蚀。在第3天（图5b.2），溃疡区域观察到的血管（绿色箭头）很少，这可能是因为溃疡和盖玻片之间有一个气泡，类似单透镜将探测光束聚焦到更深处。在图5b.1-2和d.1-2中有强OMAG信号穿过病变（黄色虚线圆圈之间的区域），这可能是因为炎症发作后含有免疫细胞的间质液飞进溃疡。然而在第5天，炎症引起的OMAG信号完全减弱，而溃疡下面的大部分血管消失（图5B3，D3）。第7天的活动溃疡图像如图3，但与图3d不同的是图5d.4中不可见死细胞或死细胞簇。这可能是因为5mm× 5mm成像模式的B帧速率（200帧/秒）比10mm× 10mm成像模式（160帧/秒）更快，使得对检测非常缓慢移动的细胞相对不太敏感。之后，如OCT/OMAG结果（图5a-d.5至a-d.8）所示，溃疡穿孔封闭，经过1周的伤口愈合（从第9天至第15天），固有层中的损伤基本恢复。但上皮层仍然需要一个多星期才能完全恢复。

图5 用于评估2周期间溃疡病变恢复的体内OCT/OMAG图像。（a.1~a.8）唇组织结构的正面视图；（b.1~b.8）相应的脉管系统正面视图，其中白色虚线表示穿过溃疡病变的（c.1~c.8）横截面结构图像和（d.1~d.8）血流图像。

04-基于量化毛细血管袢密度评价溃疡发展

已知粘膜毛细血管袢容易受到口腔疾病的影响，其数量与疾病进展相关。为确定是否可以在OCTA图像上识别和量化毛细血管袢数量的变化，研究人员计算了垂直于口腔组织表面的单个毛细血管袢，毛细血管袢在正面OMAG图像中表现为规则分布的点或逗号。从OMAG体积数据集中分割结缔组织乳头（约50μm厚）。图6a.1-8显示了分割出的每天的乳头层OCTA血管造影图片，描绘了分辨率良好的单个毛细血管袢。在图6a.8中，增殖阶段的血管化（红色箭头）表明存在活跃的伤口愈合。手动计数距溃疡中心给定距离（2.25-3.5mm）处环形区域的毛细血管袢，并计算其密度。在同一天测量同一受试者对侧无溃疡区的毛细血管环作为对照。图6b显示了受试者健康区域（红线）和溃疡区域（蓝线）中毛细血管袢密度的变化。可以发现从溃疡开始（第1天），毛细血管袢密度显著增加到高于健康水平，然后在第15天下降到相同水平，与几乎无变化的健康组织趋势截然不同。

图6 （a.1~a.8）浅表乳头层的OMAG平均强度投影，通过测量毛细血管袢密度定量评估溃疡发展。白色弧线间为用于量化的感兴趣区域（ROI）。（b）受口疮溃疡影响的区域（蓝线）和对侧健康区域（红线）中毛细血管袢密度随恢复时间的变化（Loops/mm²）。健康唇粘膜组织的毛细血管密度约20.3 Loops/mm²。相比之下，溃疡组织的毛细血管密度约26.3 Loops/mm²。

05-不同人体口腔组织的活体OCT/OMAG成像

人类口腔中有各种易患溃疡的部位，包括唇粘膜、舌、牙龈、牙槽粘膜和唇系带。为进一步证明本研究所述仪器的成像灵活性，对另一名健康志愿者（28岁男性）的舌头、下唇系带和上唇系带进行了成像（图7）。

图7b.1可见舌头粗糙的上表面描绘出的突起，被称为舌乳头。根据图7c.1，e.1中血管形态可识别出两种类型的舌乳头：宽的蘑菇状菌状乳头（Fungi）和薄的长圆锥状丝状乳头（Fili）。味蕾在菌状乳头表面积累以感知味道，菌状乳头中有丰富的毛细血管袢，看起来像盛开的花朵，而丝状乳头不参与味觉，毛细血管较少。

口腔检查时，系带异常可能是各种口腔综合征的指标。不正常的系带也可能影响假牙安装或保持，给患者造成心理障碍。传统检测异常系带一般是通过视觉，施加张力观察乳头尖端的运动或缺血引起的褪色，很大程度上取决于医学经验和检查者的主观标准。而OCT/OMAG系统很容易克服这些缺点。对粗糙的下唇系带成像（图7c.2）发现，在下系带和牙槽粘膜中有大量毛细血管，左下角有少量附着龈的毛细血管（红色箭头），这在临床研究中可能具有较大价值。图7（c.3）显示了上唇上叶脉样毛细血管的分布，明显受到系带的影响。因此基于OCT的血管造影可以做到识别系带异常、分析正畸手术和避免复发，是有巨大临床应用价值的工具。


 

 图7 人体口腔内各种组织床的活体OCT/OMAG成像。（a.1~a.3）分别为上舌尖、下唇系带和上唇系带的照片，其中黄色方框为扫描FOV。（b.1~b.3）3D组织结构和（c.1~c.3）相应的血管OMAG MIP图像，其中白色虚线处分别获取（d.1~d.3）横截面结构图像和（e.1~e.3）相应的血流图像。
 

结论

本研究对口腔溃疡病变，以及口腔疾病的各种候选组织部位中的微脉管系统进行了光学相干断层扫描血管造影（OCTA）成像、监测和量化，展示了OCTA在检查唇组织溃疡病变方面的潜在应用。还通过OCTA和毛细血管分析提供了存活状态下血管生成的定量信息，可作为评估伤口愈合过程的一个可靠指标。

虽然仍有一些问题有待解决，如手持式探头中的光学器件还可以优化，扩大其在宽视场激光扫描中的应用、加大成像深度以方便对像舌系带或舌上的外翻乳头这中物理上复杂且位置较深的结构成像，还有毛细血管袢计数的自动化及分级。但本研究的成果足以证明OCT血管造影技术在体内对口腔组织进行微血管成像的能力，对现有OCT血管造影术的进一步技术优化有望使其在临床中得到更广泛应用。

参考文献：Wei, W. ,  W. J. Choi , and  R. K. Wang . "Microvascular imaging and monitoring of human oral cavity lesions in vivo by swept-source OCT-based angiography. " Lasers in Medical Science (2017).