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北京手足癣医院专家 http://news.39.net/bjzkhbzy/210117/8598844.html

中华耳科学杂志,年19卷3期

光学相干断层扫描成像技术在中耳力学研究及疾病诊断中的应用

孟琦张天虹

OCT是一种高分辨率、非接触的无创成像技术,广泛应用于多种基础研究和临床领域。在耳科学方面除了应用于耳力学的基础研究,它在中耳疾病(如中耳炎、胆脂瘤、传导性听力损失等)的诊断和评估中也有独特的应用价值。本文我们将重点介绍OCT在中耳力学研究中的应用的最新进展,以及它在提高耳科疾病诊断方面的潜力,讨论OCT在耳科临床应用方面的挑战,并探讨未来我们将如何克服这些挑战。

1光学相干断层扫描成像技术

1.1发展历史

年Takada等提出光低相干干涉测量法,Youngguist等研究出光学相干反射计,为OCT的出现奠定了基础。OCT最早应用于年,当时它被用于采集离体的视网膜和冠状动脉的横截面图像[1]。年时域OCT(timedomainOCT,TD-OCT)正式应用于眼科临床,年频域OCT(spectraldomainOCT,SD-OCT)诞生。年首次在4个离体颞骨上对正常的中耳结构进行了成像,证明了OCT成像对中耳的可行性[2]。年Heermann等[3]首次将OCT安装在手术显微镜上应用于5例镫骨成形术和5例III型鼓室成形术,以确定拟使用的假体长度。OCT的初步经验使得这项技术引起了学者们的极大兴趣。此后,OCT在耳科领域的应用蓬勃发展。

1.2工作原理

OCT在概念上类似于超声成像,利用光波的飞行时间信息(到达物体并返回的时间)来定位组织结构。其基本原理是把光束投射到被成像的组织上,光束被不同距离的显微结构反射,通过测量反射光的时间延迟,以及反射或反向散射光的强度,并将反射信号转化为数字信号,经过计算机处理,再转换为二维或三维的图像,从而显示出被成像组织的各层显微结构。与超声波测量不同,超声波测量中声波回波可以直接测量,OCT测量是间接测量,利用低相干干涉测量原理,其原理示意图见图1。OCT具有快速高分辨率成像的能力,可以对中耳和内耳进行三维容积重建,成像出中耳和内耳的细微结构,为中耳和内耳疾病的诊断提供更详尽的信息。目前在耳科领域常用的OCT技术包括SDOCT、频域相位敏感OCT(spectral-domainphase-sensitiveopticalcoherencetomography,SDPS-OCT)、光学相干层析多普勒振动成像技术(opticalcoherencetomographydopplervibrography,OCT-DV)及纳米敏感光学相干断层扫描成像技术(nano-sensitiveopticalcoherencetomography,nsOCT)等。

1.3OCT在中耳力学研究中的应用

耳力学是耳生物力学的简称,属生物力学在耳科学或听觉医学的分支范畴,是一门采用力学原理来研究中、内耳诸结构运动及其形变的科学。耳力学的研究主题是耳各部分结构与听觉功能之间的关系。研究领域包括中耳力学和内耳力学两大部分,其中中耳力学研究对中耳手术、中耳植入装置、听力学等有重要意义。近十几年OCT在中耳力学的研究能力方面实现了显著飞跃,Just等[4]首次在术中使用OCT对镫骨底板的形态进行了成像确定了镫骨切除治疗耳硬化症患者镫骨底板的变化,这项研究证明了利用OCT动态观察环状韧带、镫骨底板和内耳结构的可能性。Subhash等[5]首次报道了利用OCT进行人中耳振动测量的研究,通过使用SDPS-OCT来测量中耳内结构的振动,对观察鼓膜(tympanicmembrane,TM)和听骨链振动有较高灵敏度。Chang等[6]利用OCT同时观察TM和听骨的声音诱导运动,该方法能以纳米级的灵敏度捕捉到完整的灰鼠耳蜗和听骨的三维运动。然而,上述系统的频率范围在3kHz下,且很难可靠、准确地测量听骨链的相位延迟。因此最近Chang等提出了一种改进的OCT系统,克服了这两个局限性,在听骨链相位延迟的测量上有了更高的精度[7]。可见OCT振动成像结合三维结构图像获取数据的独特能力使我们能够观察到听骨运动的更详细信息,证实OCT是听力研究的重要工具。有学者将OCT与其他功能诊断方法如激光多普勒振动造影结合使用开发了OCT-DV技术以研究中耳结构对声音的响应,并证明OCT-DV可以诊断某些在纯解剖图像中不明显的功能性病变[8-10]。但是,当对活体受试者进行OCT-DV成像时,由心跳、呼吸和肌肉运动产生的运动会在采集的图像中引起相位扰动,与尸体实验相比,图像灵敏度显著降低。MacDougall等[11]成功攻克了上述问题,利用OCT-DV技术对清醒的受试者的中耳进行无创、实时的2D、3D和多普勒模式成像(图2),因为所有的测量都是无创的,表明该技术很容易在临床推广。随后其对耳硬化症的耳(13耳)和正常对照耳(42耳)行OCT-DV检查,发现耳硬化症患者的听骨活动度低于正常水平,证实了OCT-DV也可作为一种无创性的术前评估听骨活动度的方法,提示OCT-DV也可能有助于鉴别其他导致传导性听力损失的听骨病变[12]。近期研究发现在正常和中耳积液条件下,OCT-DV可以同时解析TM和部分听骨链的结构和运动。这项研究的结果支持了利用OCT-DV同时测量TM和听骨运动作为最佳诊断工具的可能性[13]。

中耳力学研究已经证明,OCT可被用于在不同频率和不同病理状态下观察声音诱发的TM和听骨运动,但是距离在临床上实现使用OCT作为中耳疾病诊断的辅助手段可能仍需要一段时间,原因之一是OCT所提供的中耳数据的准确性仍需要在更大量的临床患者试验中得到证实,其次是OCT设备比普通的临床工具(如鼓室造影仪、耳镜)贵几倍,随着成本更低的OCT研发,未来在临床上的应用将很广泛。总之,利用OCT进行振动测量,可以为研究听觉器官的力学性质和生理功能提供有价值的信息,OCT已经发展到可以应用于临床的程度,但是真正应用于临床仍需要我们不断的努力。

1.4OCT在中耳疾病诊断中的应用

通常我们用耳镜检查来评估TM表面的状况。然而,标准耳镜有其缺点,即耳镜只能看到TM表面,在TM是半透明的状态下,才可以看到TM后面可能存在的渗出物。传统的耳镜检查诊断中耳炎的敏感性和特异性均不高,而且还偏重于医生的经验,这种来自耳镜的主观观察可能会导致疾病错误的诊断。所以从年开始学者们逐渐将OCT技术应用到耳科的鼓膜和中耳成像中。Djalilian等[14]首次利用OCT对临床患者的TM成像,并对正常和病理条件下的TM微观结构进行了成像,证实了OCT可用于:1)病理学成像,如胆脂瘤和慢性中耳炎;2)评估药物治疗的反应;3)监测鼓室成形术和其他手术后的变化。随后Nguyen等[15]开始将OCT应用于慢性中耳炎的诊断。他们发现几乎所有的慢性中耳炎病例TM后和中耳内都会出现细菌生物膜,生物膜通常非常薄,利用OCT可以无创检测和量化生物膜微观结构,而使用常规的耳镜则无法识别。其对20名患者进行的研究表明,使用OCT诊断慢性中耳炎,诊断敏感性(83%vs74%)和特异性(98%vs60%)高于标准耳镜检查[16]。Cho等[17]评估了正常和病理的TM,并证明了OCT图像的优势。

在高分辨率OCT图像中,正常TM的厚度是可测量的,三层TM的结构是可分辨的。Guder等[18]将SDOCT技术应用于手术显微镜,对11例慢性鼓膜炎患者进行了OCT测量,OCT可以观察到慢性鼓膜炎中的三层TM结构,其TM厚度比正常TM和其他病理条件下的TM厚度增加,术中OCT测量有助于检测慢性鼓膜炎和其他条件下TM的微观形态变化。Monroy等[19]采用OCT对34名儿童中耳炎患者的研究显示,急性中耳炎与较厚的TM相关,虽然慢性中耳炎的生物膜和TM的总的厚度较大,但TM厚度正常,提示慢性中耳炎的TM恢复到相对正常的厚度水平。可见OCT为无创、定量鉴别正常、急性和慢性中耳炎提供了新的方法。对于中耳积液的患儿,OCT可对其TM和中耳积液成像,进而对渗出程度进行定性评估[20]。利用OCT影像学结果可以证实手术治疗(包括鼓膜切开术和鼓室置管术),能有效清除中耳内感染相关成分,包括中耳液和生物膜[21]。因此,OCT被认为是评价慢性中耳炎渗出程度的一种工具,可以量化慢性中耳炎的严重程度并监测感染的消退程度。此外通过将OCT和气动耳镜耦合到一个单一的设备中,实现了对TM顺应性的定量评估,可以用来更好地了解感染对TM动力学的影响[22]。最近一项关于OCT耳镜在中耳积液诊断和鉴别诊断中的可行性的研究显示,OCT检测中耳积液的准确率为90.6%,敏感性为90.9%,鉴别非浆液性中耳积液的准确率为70.8%,敏感性为53.6%,提示OCT耳镜检查有助于中耳积液的准确检测[23]。这些研究表明OCT可以提供TM的结构信息,如TM的厚度、中耳生物膜的存在和厚度、中耳积液的存在及其性质、TM微米级的气动位移等。

随着小型手持式扫描仪和便携式系统的发展,OCT在临床上的实际应用价值得到了证实[24,25]。一项利用nsOCT技术观察65名儿童的TM的结构变化的研究显示,与标准OCT相比,nsOCT可以在早期检测到纳米结构的变化,并且这种方法的应用可以为研究人体组织的微生物和炎症效应提供新的视角,同时可能增加OCT对中耳炎的诊断评估和临床决策的敏感性[26]。Monroy等[27]提出了一个灵活、全面的OCT图像特征自动提取、数据分类并提供临床相关结果的平台系统。该平台可用于测试正常、有生物膜的耳朵和既有生物膜又有中耳积液的耳朵的OCT图像之间的区别,有助于非专家或缺乏经验医生准确的诊断中耳生物膜的存在。可见OCT可以优化中耳疾病的诊断和治疗,且在临床应用方面已经有较高可行性。

1.5OCT技术面临的挑战

将OCT应用于临床研究面临着很多挑战,外耳道呈S型弯曲,因此获得进入中耳的清晰视线本身就是一项挑战。考虑到人耳TM相对于耳道的自然曲率和倾斜方向,并考虑到患者之间的正常解剖变异性,实际系统必须能够在超过10mm的深度范围内成像,以捕获整个中耳;早期研究中使用的SD-OCT无法达到该范围[28]。OCT成像中耳、内耳面临的另一个主要问题是,成像光束必须首先通过TM,在TM病理性增厚或钙化的情况下,这是很难实现的。另外,与未通过TM的成像相比,通过完整TM成像时产生的光学损耗会导致信噪比降低15-20dB[29]。因此,到目前为止,大多数中耳的OCT临床成像都是在术中进行的,其TM已经被移除。中耳的OCT成像通常是靠1毫米细的内窥镜导管来实现的[30]。此外,虽然OCT设备不会因疼痛或发热而引起耳道不适,但患者需要保持完全静止以减少运动伪影,因此不适合应用于年龄较小的幼儿中,OCT的成像能力受年龄的影响,年龄较大的儿童更容易成像。当然为了解决上述问题,学者们不断努力优化和研发新的OCT系统。最近Guo等[31]开发的结合了TD-OCT和SD-OCT法的双模OCT系统就能够实现图像引导的高频测量,这是一个令人振奋的消息。

2展望

近十几年来,OCT在耳科学领域的应用已成为主流研究方向。本文重点介绍了OCT在中耳成像上的研究进展,OCT在内耳成像上的研究进展我们虽然不详细探讨,但我们了解到OCT技术能够通过相对较薄的骨骼成像,无创性地测量小鼠耳蜗顶点的振动,也就是说利用该技术不仅可实现耳蜗三维结构的成像,还可无侵入地测量耳蜗内Corti器等细小结构的微振动[32,33]。

利用OCT不仅可以观察到中耳和内耳的形态学信息,而且可以观察到中耳及内耳结构的动态振动。研究证实OCT既能成像大鼠和小鼠中耳听骨、镫骨动脉、鼓膜卵圆窗等细微结构,又能获得内耳图像[34]。OCT技术是一种无创、高分辨率、实时成像中耳和内耳显微结构的新技术,可以为中耳和内耳疾病提供更多的诊断信息。总之,OCT在中耳力学和耳科疾病诊断中已经取得了重要进展。未来,OCT有望从一个纯粹的研究工具转变为一个常规的临床辅助诊断工具。这将在成本、易用性、安全性和可靠性等方面对患者和医生产生积极影响。

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