1. СПЕЦКУРС
«ОПТИЧЕСКИЙ ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ БИОИМИДЖИНГ»
Лекция 1
Внутрисосудистая оптическая когерентная томография –
возможности и ограничения
Лекция 2
Кросс-поляризационная оптическая когерентная томография в
оценке структуры атеросклеротической бляшки – новое
направление в развитии внутрисосудистой ОКТ
http://niibmt.nizhgma.ru/grants/
Нижний Новгород, 2013
2. СПЕЦКУРС
«ОПТИЧЕСКИЙ ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ БИОИМИДЖИНГ»
лекция 1
Внутрисосудистая оптическая когерентная
томография – возможности и ограничения
Гладкова Наталья Дорофеевна, Губарькова Екатерина
Владимировна, Киселева Елена Борисовна
Лаборатория изучения оптической структуры биотканей НИИ БМТ
(Нижегородская государственная медицинская академия)
http://www.niibmt.nizhgma.ru/grants/
Нижний Новгород, 2013
3. Актуальность внутрисосудистой визуализации
В целом: сохраняется острая необходимость в понимании
факторов, влиящих на развитие острой коронарной патологии и
поиска способов улучшения ее терапии;
В частности: визуализация и слежение за развитием
атеросклеротического процесса в сосудах (различение стадии
бляшки и ее компонентов)
Этапы развития атеросклероза
4. Актуальность внутрисосудистой визуализации
Просвет артериального сосуда
Тромб
Разрыв покрышки
Критерии уязвимости
атеросклеротической бляшки
(по Virmani R, 2000):
Фиброзная капсула
Липидное ядро
средний размер бляшки 2-3 мм в
диаметре;
наличие липидного ядра –
ядро занимает более, чем 40%
объема бляшки;
толщина фиброзной капсулы
менее 65 µм;
содержание и тип коллагена
фиброзной капсулы
5. Современные методы коронарной визуализации
Гистология
ВС УЗИ
ЯМР
Высокочастотный
внутрисосудистый ультразвук и
ядерно-магнитный резонанс
Экран монитора современного
контрастного коронарного
ангиографического исследования:
• можно наблюдать диаметр
просвета сосуда, но нельзя
судить о толщине капсулы
бляшки
• высокое напряжение магнитного
поля не дает достаточного
контраста изображения для
наблюдения толщины капсулы
бляшки (гистология)
Honda et al, 2008
6. Внутрисосудистый ультразвук (ВС УЗИ)
- «золотой стандарт» в визуализации сосудов
регистрируется отраженный «эхо»-сигнал, обусловленный
пространственным распределением акустического импеданса.
Разрешающая способность порядка 100 мкм
Оптическая когерентная томография (ОКТ) –
инновационный метод внутрисосудистой оптической
визуализации
регистрируется обратно рассеянный свет от оптических
неоднородностей исследуемой среды.
Разрешающая способность порядка 5-10 мкм
7. Принцип метода ОКТ:
низкокогерентная интерферометрия рассеянного от объекта света в
инфракрасном диапазоне длин волн (700-1300 нм), которые имеют
наибольшую глубину проникновения в биоткани (до 2 мм)
«Свет» позволяет визуализировать «слои» коронарных артерий
ИНТИМА
МЕДИЯ
АДВЕНТИЦИЯ
ИНТИМА
МЕДИЯ
АДВЕНТИЦИЯ
8. ОКТ во временной области - TD-OCT, Time
domain OCT (1-е поколение). Основной принцип:
временная селекция обратно рассеянной от объекта компоненты
света на разной глубине осуществляется с помощью интерферометра
с изменяющейся длиной опорного плеча
ОКТ в частотной области - FDОCТ, Frequency domain OCT (2-ое
поколение). Основной принцип FD-OCT –
разложение обратно рассеянного света по
спектральным
компонентам.
Скорость
получения изображений до 3000-4000 кадр/сек.
Последнее
достижение:
внутрисосудистая система
визуализации C7XR (LightLab
Imaging).
Принцип:
OFDI,
frequency domain imaging.
LightLab М3 Imaging Console,
LightLab Imaging Inc., США
optical
10. Как ОКТ может помочь в реальной клинической
практике???
11. 1. ОКТ в прижизненной диагностике состояния
атеросклеротической бляшки
Эксцетрическая
Изъязвленная
Надрыв
бляшка
бляшка
бляшки
12. 1. ОКТ в прижизненной диагностике состояния
атеросклеротической бляшки
T. Kume и соавт. (2006): высокая корреляция толщины капсулы
бляшек на гистологии и ОКТ-изображении (r=0,9; p<0,001).
T. Kubo с соавт. (2007): сравнение возможностей ВС ОКТ ВС УЗИ и
ангиоскопии у больных с острым инфарктом миокарда, показало, что
ОКТ лидирует в обнаружении разрыва бляшки (73% против 40 и 43%
соответственно; p=0,021), эрозии (23% против 0 и 3%; p=0,003) и
тромба (100% против 33 и 100%; p<0,001). Индекс согласия составил
0,61–0,83.
T. Sawada и соавт. (2008): возможности ОКТ для обнаружения
тонкой капсулы фиброатеромы очевидно выше — 77,8% по
сравнению с ВС УЗИ - 45,9%.
Работы по обнаружению
с помощью ОКТ бляшек с тонкой
фиброзной капсулой проводили: M. Kashiwagi и соавт. (2009), I.K.
Jang и соавт. (2005), K. Fujii с соавт. (2008).
13. 2. ОКТ в прижизненной диагностике нестабильной
(«уязвимой») бляшки
Фиброзная капсула
По контрасту капсулы и липидного ядра можно измерить толщину
капсулы и выявить «уязвимые бляшки с толщиной капсулы <65 мкм
Возможна раздельная оценка элементов бляшки и прижизненная
надежная диагностика тонкой капсулы фиброатеромы только
в бляшках большего размера
Гладкова НД, Губарькова ЕВ, Шарабрин ЕГ, Стельмашок ВИ, Бейманов АЭ, СТМ, 2012
14. 3. ОКТ для прижизненного обнаружения
макрофагов в атеросклеротических бляшках
Низкая плотность макрофагов
гистологические изображения
изображе
ОКТ-изображения
зображения
Высокая плотность макрофагов коррелирует с высоким риском разрыва
бляшки и ассоциирована с острыми коронарными событиями (Moreno P.R., 1994)
Высокая плотность макрофагов
Tearney G.J. et al, 2003
15. 3. ОКТ для прижизненного обнаружения
макрофагов в атеросклеротических бляшках
ОКТ-изображение
500 мкм
Красным цветом очерчены области с
высокой плотностю макрофагов
MacNeill B.D. et al, 2004
16. 4. ОКТ для прижизненной диагностики
коронарного кальциноза
Кальциевые отложения могут быть
обнаружены ОКТ с высокой
чувствительностью (96%) и
специфичностью (97%)
(Yabushita H. et al, 2002;
MacNeill B.D. et al, 2005)
кальций
кальций
липид
5 мм
Преимуществом ОКТ перед другими методами отображения кальция (КТ,
ВС УЗИ) является возможность создания трехмерного объемного
изображения кальциевой области (Tearney G. J. et al, 2002)
17. 5. ОКТ для прижизненного наблюдения за стентами
Ангиография
ВС УЗИ
ВС ОКТ хорошо
расправленного стента
Плохо
расправленный
стент
Гладкова НД с соавторами, СТМ, 2012
18. • Реканализированный тромб во 2-м сегменте передней межжелудочковой ветви
левой коронарной артерии (В.И. Стельмашок , Беларусь, 2012 )
• Состояние после имплантации стента в зоне реканализированного тромба
Ангиография
ВС УЗИ
ВС ОКТ
19. 6. ОКТ для прижизненного наблюдения
особенностей коронаротромбоза
Неполное прилегание
страт стента к
сосудистой стенке
Пристеночный
тромб
ВС ОКТ
Гладкова НД, Губарькова ЕВ, Шарабрин ЕГ, Стельмашок ВИ, Бейманов АЭ, СТМ, 2012
20. 6. ОКТ для прижизненного наблюдения
особенностей коронаротромбоза
Острый коронарный синдром (ВС ОКТ в первые 72 часа)
Острый тромбоз артерии
Разрыв покрышки бляшки
21. Преимущества внутрисосудистой ОКТ
преимущества метода — безопасность, высокое пространственное
разрешение, высокая скорость получения изображения;
преимущества устройства — невысокая стоимость, мобильность,
возможность использования эндоскопических зондов и получения
изображений просвета сосудов; катетер ОКТ не требует преобразователя,
непосредственно отображает структуру, является миниатюрным и
недорогим;
исключительные
клинические
возможности
—
безопасность
многократных повторных применений, быстродействие и режим реального
времени получения информации, что определяет целесообразность
интраоперационного использования метода; способность видеть
кальцинаты в бляшках, визуализировать гиперплазированную неоинтиму,
возможность наблюдать поведение стентов, а также предсказывать
поведение атеросклеротической бляшки, которое основано на ее
морфологических особенностях.
Гладкова Н.Д. с соавторами, 2012
22. Ограничения внутрисосудистой ОКТ
Малая глубина проникновения ОКТ-сигнала - визуализация
ограничивается 2–3 мм. Это влияет на качество изображений артерий,
содержащих некротические разрушения, а также приводит к
неспособности ремоделировать всю толщу артериальной стенки.
Невозможность получения интракоронарного ОКТ-изображения в
клинической практике из-за неспособности инфракрасного излучения
проникнуть через кровь. Поэтому в отличие от ВС УЗИ ВС ОКТ требует
осветления или смывания крови из просвета сосуда.
Гладкова Н.Д. с соавторами, 2012
23. Пути совершенствования внутрисосудистой ОКТ
1. Улучшение тканевых характеристик с помощью аппаратных
средств:
- Увеличить контрастность изображения фиброзной капсулы и липидной
ткани помогает поляризационно-чувствительная ОКТ, измеряющая
двулучепреломление ткани.
- Доплер-ОКТ для оценки перфузии ткани.
- Количественная обработка ОКТ-изображений для объективизации
диагностики и принятия клинических решений при лечении.
2. Развитие ОКТ в частотном диапазоне — спектральная ОКТ
(Frequency domain OCT): получение трехмерных микроскопических
изображений значительных объемов, сопоставимых с размерами
просвета внутренних органов (развитие новых лазеров, улучшение
спектрометров, создание минимально инвазивных катетеров и
эндоскопов, а также разработки новой стратегии обработки оптических
сигналов).
Гладкова Н.Д. с соавторами, 2012
25. СПЕЦКУРС
«ОПТИЧЕСКИЙ ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ БИОИМИДЖИНГ»
лекция 2
Кросс-поляризационная оптическая когерентная
томография в оценке структуры атеросклеротической
бляшки – новое направление в развитии
внутрисосудистой ОКТ
Гладкова Наталья Дорофеевна,
Губарькова Екатерина Владимировна, Киселева Елена Борисовна,
Лаборатория изучения оптической структуры биотканей НИИ БМТ
(Нижегородская государственная медицинская академия)
http://www.niibmt.nizhgma.ru/grants/
Нижний Новгород, 2013
26. Метод оптической когерентной томографии
Зеркало
Источник
низкокогерентного
излучения
основан на низкокогерентной
интерферометрии в
инфракрасном диапазоне длин
волн (700-1300 нм).
Сканирование
f
И
z
Делитель
Объект
Сканирование
П
Возможно получение
изображений структуры тканей
в режиме реального времени
на глубинах до 1-2 мм
с микронным разрешением
(до 3 мкм).
Сигнал ОКТ
35
30
А-скан
I(z), дБ
25
20
15
10
5
0
150
250
350
450
550
650
750
850
z,мкм
27. Внутрисосудистая ОКТ – использование
внутрисосудистых катетеров
Внутрисосудистый катетер
(Light Imaging Inc, CША)
Новая система C7 XR
ОКТ как альтернативный или дополнительный инструмент к
внутрисосудистому ультразвуковому исследованию (ВС УЗИ)
28. Основные задачи внутрисосудистой оптической
когерентной томографии (ВС ОКТ)
1. Контроль постановки и мониторинг стентов: скорость
гиперплазии неоинтимы на стратах стента, особенности
морфологических изменений в атеросклеротических бляшках
при рестенозе, а также ранняя диагностика связанных со
стентированием осложнений: плохо расправленный стент и
диссекция интимы.
2. Диагностика «уязвимой» атеросклеротической бляшки:
толщина фиброзной капсулы менее 64 мкм с 95% вероятностью
может привести к разрыву бляшки (критерий «уязвимости» по R.
Virmani)
29. Атеросклеротические изменения стенки
артериального сосуда
1- проникновение
I
макрофагов
II
Утолщенная
интима
Интима
Медиа
2 – патологическое
утолщение интимы
Липидная
полоска
Адвентиция
III
Просвет артериального
сосуда
3 – формирование
фиброзной капсулы
IV
Склонность к
разрыву
Тонкая
фиброзная
капсула
Фиброзная
капсула
Липидное ядро
Макрофаги
4 – некротическое
липидное ядро, замена
I типа коллагена на III
5 – липидное
некротическое ядро,
коллаген в различных
состояниях
6 - тромбоз
Этапы развития
атеросклеротической бляшки
Стадии
атеросклероза
Stary et al., 1995
30. Критерии уязвимости
атеросклеротической бляшки
(по Virmani R, 2000):
средний размер бляшки 2-3 мм в диаметре;
наличие липидного ядра – ядро занимает более,
чем 40% объема бляшки;
толщина фиброзной капсулы менее 65 мкм;
содержание и тип коллагена фиброзной капсулы.
31. Возможности ВС ОКТ для диагностики АСБ
• Способна демонстрировать
толщину капсулы бляшки с
разрешением до 3 мкм, но не тип
коллагена
• Надежная диагностика тонкой
капсулы фиброатеромы только
в бляшках большего размера, но
слабый контраст между
капсулой и липидным ядром в
случае небольшой бляшки
ОКТ изображение
Brezinski, et al., 2006
33. КП ОКТ – поляризационно-чувствительная
модификация ОКТ
Зеркало, λ/4
Оптический
щуп
y
E
y
x
x
E
Ex=E
Изображение в ортогональной
поляризации
50/50
y
Широкополосный
источник света (СЛД)
Волны с
поляризацией,
ортогональной
исходной (y)
E
x
Ey
Ex
Поляризационный
делитель
Линза
x
y
Ex
Фотоприемник
y
Волны, сохранившие
исходную
поляризацию (x)
x
Ey
Фотоприемник
0.5 mm
Изображение в исходной
поляризации
Gelikonov et al. 2006
АЦП
Усилитель
сигнала
Ткань
34. Задачи КП ОКТ при оценке структуры
атеросклеротической бляшки:
Просвет
артериального
сосуда
различать – липидное ядро, утолщенную
интиму или фиброзную капсулу
различать организованный и
дезорганизованный коллаген
измерять толщину тонкой фиброзной
капсулы менее 65 мкм
диагностировать «уязвимые» бляшки
определять стадию АСБ
Фиброзная
капсула
Липидное
ядро
35. Кросс-поляризационный оптический
когерентный томограф (ИПФ РАН, г. Нижний Новгород)
двулучепреломление + деполяризация
Длина волны – 1300 нм
Мощность излучения – до 6 мВт
Пространственное разрешение – 10 – 15 мкм
Глубина изображения – 1 – 1,5 мм
Время получения изображения– 1,5 – 2 сек
Ортогональная
поляризация
Исходная
поляризация
КП ОКТ изображение аорты
Губарькова Е.В. с соавторами, 2013
36. • Ткань неизмененной стенки аорты
1 мм
1 мм
окраска
гематоксилином и
эозином
окраска пикросириусом
красным в
поляризованном свете
1 мм
КП ОКТ изображение
Губарькова Е.В. с соавторами, 2013
37. • Атерома аорты с толстой фиброзной капсулой
наличие липидного некротического ядра и фиброзной капсулы, в которой преобладают
организованные коллагеновые волокна I типа коллагена и также присутствуют
дезорганизованные воспалением коллагеновые волокна
Фиброзная капсула
Липидное ядро
1 мм
1 мм
окраска гематоксилином и
эозином
окраска пикросириусом
красным в
поляризованном свете
1 мм
Липидное ядро
КП ОКТ изображение
КП ОКТ позволяет наблюдать нижнюю границу капсулы атеросклеротической бляшки – по
аналогии формы и линейных размеров при сравнении с гистологическим препаратом
Губарькова Е.В. с соавторами, 2013
38. • Атерома аорты с тонкой «уязвимой»
фиброзной капсулой
1 мм
1 мм
окраска гематоксилином и
эозином
окраска пикросириусом
красным в
поляризованном свете
1 мм
КП ОКТ изображение
Стрелки – толщина тонкой фиброзной капсулы менее 65 мкм
Губарькова Е.В. с соавторами, 2013
39. • Атерома аорты с толстой фиброзной
капсулой
1 мм
окраска гематоксилином
и эозином
1 мм
окраска пикросириусом
красным в
поляризованном свете
КП ОКТ изображение
Губарькова Е.В. с соавторами, 2013
40. • Кристаллы кальция в фиброзной
капсуле атеросклеротической бляшки
1 мм
1 мм
окраска гематоксилином
и эозином
окраска пикросириусом
красным в
поляризованном свете
1 мм
КП ОКТ изображение
Стрелки – кристаллы кальция в фиброзной капсуле
Губарькова Е.В. с соавторами, 2013
41. • Толщина интимы неизмененной стенки аорты и фиброзной
капсулы разных стадий атеросклеротической бляшки
IV стадия - собственно
атерома,
Vа стадия –четкое
липидное ядро,
покрытое тонкой
фиброзной капсулой,
Vс стадия – очень
толстая фиброзная
капсула с минимальным
липидным ядром
*– статистически значимое отличие относительно серии ортогональных КП
ОКТ изображений с Vc стадией бляшки р<0.01 (критерий Манна-Уитни);
**– статистически значимое отличие относительно серии гистологических
препаратов с Vc стадией бляшки, р<0.01 (критерий Манна-Уитни).
Губарькова Е.В. с соавторами, 2013
42. Интегральный фактор деполяризации (ИФД)
xy
8
50
OCT Signal
6
100
150
4
потенцирование
4
отношение
2
200
3
0
50
100
250
150
200
250
Depth
40
60
80
100
xx
120
140
160
180
DF
20
2
8
7
50
1
100
6
OCT Signal
усреднение
5
0
50
100
150
200
250
Depth
4
150
3
8
2
200
1
6
0
50
100
250
150
200
250
Depth
20
40
60
80
100
120
140
160
180
OCT Signal
4
200
250
20
40
60
80
100
120
140
160
180
2
200
250
Depth
ИФД
Заявка на изобретение № 2013135571 от 29.07.2013. Киселева Е.Б. и др.
43. • ИФД КП ОКТ изображений неизмененной стенки аорты
и разных растадий атеросклеротической бляшки
*– статистически значимое отличие от неизмененной стенки аорты, р = 0.01 (критерий Манна-Уитни);
**– статистически значимое отличие между указанными состояниями, р<0.01 (критерий Манна-Уитни).
Губарькова Е.В. с соавторами, 2013
44. Заключение
КП ОКТ способна отличать область здорового сосуда от
атеросклеротической бляшки, а в ней дифференцировать компоненты липидное ядро, утолщенную интиму или фиброзную капсулу
КП ОКТ способна определять функциональное состояние коллагена в
капсуле атеросклеротической бляшки по яркости ОКТ-сигнала в
ортогональной поляризации - отличать организованный и
дезорганизованный под действием воспаления коллаген
Ортогональная поляризация демонстрирует более контрастное
изображение АСБ, позволяя с большей точностью измерить толщину
фиброзной капсулы атеросклеротической бляшки и с высокой
достоверностью обнаруживать бляшки с толщиной менее 65 мкм (по
критериям уязвимости атеросклеротической бляшки R. Virmani)
По совокупности оптических признаков кросс-поляризационная ОКТ
способна диагностировать стадию атеросклеротической бляшки и
все признаки, указывающие на её уязвимость
45. Группа по КП ОКТ исследованию сосудов
Идейный
руководитель
Проф. Н.Д.Гладкова
Молодые ученые
Е.В. Губарькова
Морфологи
Л.Б. Снопова
Н.Н. Проданец
Е.Б. Киселева
Клиницисты
Е.Г.Шарабрин
Е.Б.Шахов
Физики: КП ОКТ прибор
Проф. В.М.Геликонов, Г.В.Геликонов
Физики: обработка
КП ОКТ изображений
Е.А.Сергеева, М.Ю.Кириллин
