光學相干斷層成像在活體腎移植術中的應用研究

李俊霞通信作者，譚建明，方玉宏，李偉軍，黃正

（1.聯(lián)勤保障部隊第九OO醫(yī)院 腎臟病科，福建 福州 350025；2.聯(lián)勤保障部隊第九OO醫(yī)院 泌尿外科，福建 福州350025；3.醫(yī)學光電科學與技術教育部重點實驗室/福建師范大學福建省光技術重點實驗室，福建 福州 350007）

0 引言

等待腎移植的人數(shù)每年都在增長，但是腎臟的供應往往難以滿足需求，而在腎移植手術中仍然難以避免一些常見的損傷，如供者腎臟缺血再灌注損傷（ischemiareperfusion injury，IRI）。移植腎IRI可導致移植腎術后很多并發(fā)癥如移植腎功能的延遲恢復、急性排斥反應、移植腎失功等。但是目前并沒有可靠有效的方法用于判定供體腎臟的活性及是否在移植后會發(fā)生腎功能延遲恢復，尤其在術中實現(xiàn)實時、迅捷、直觀的監(jiān)測，目前國內(nèi)尚未看到相關研究。已有OCT研究資料已經(jīng)證實它可以采集到組織樣本的詳細、準確的組織學信息[1]。在國外一些研究中證實OCT能夠顯示在樣本中受到缺血或腎毒性損傷時的腎臟病理形態(tài)改變[2]。對供腎的OCT分析有助于預測移植腎的功能，為術后的治療和護理提供及時有用的信息。

1 資料與方法

1.1 一般資料。本研究以2015年3月至2018年3月于聯(lián)勤保障部隊第九〇〇醫(yī)院器官移植中心實施的活體移植手術的供體和受體為研究對象，共14對，均為血緣親屬供腎，其中12例為父母捐獻給子女，1例為哥哥捐獻給弟弟，1例為姐姐捐獻給弟弟，均為自愿捐獻。

1.2 主要儀器設備。OCT系統(tǒng)：SS-OCT（OCS1310V1，ThorLabs公司，美國），是傅里葉域掃頻源OCT系統(tǒng)，使用MEMS-VCSEL掃頻激光光源，工作中心波長為1300 nm，工作帶寬為100 nm，靈敏度為100dB，在空氣中的軸向分辨率和橫向分辨率分別約為12μm和7μm。波長掃描頻率為100 kHz，可實現(xiàn)實時二維和三維成像，最大掃描視場（FOV）為10 mm×10 mm。

圖1 便攜式手持式OCT系統(tǒng)

1.3 實驗方法。在活體腎移植術中，使用OCT系統(tǒng)采集了14例供體腎臟在暴露后取腎前、供體腎臟離體灌注后以及移植至受體血流再通后的實時影像資料。對于每一個入組病例，分別就活體腎移植移植前（在體）、離體（即腎臟轉(zhuǎn)移到修腎臺，無菌冰浴，進行灌注后）和移植后再灌注（即體內(nèi)）分別采集OCT圖像。在腎移植手術的這段時間內(nèi)，腎臟采用我們的手持式OCT成像探頭采集。OCT成像儀的整個手持式探頭覆蓋無菌手術儀器罩，保證無菌、透明，從而保障OCT成像儀無阻礙的成像。采樣時分別對腎臟上、中、下極的多個位置成像，以分析整個腎臟的狀態(tài)。對每個采樣點，采集圖像大小為X×Z=5 mm×3.2 mm（1000×350像素），同一位置重復掃描100次，每個采樣點成像所需時間約為4 s。受體接受供腎移植后，腎臟的血流重新建立，再次對腎臟成像。而后對活體腎成像的數(shù)據(jù)（包括復雜的OCT信號的幅度和相位信息的記錄）進行處理與分析。并關聯(lián)腎移植術后腎功能恢復的情況，探討OCT用于檢測移植腎活性的可行性及意義。

2 結果

2.1 供體基線特征。14對活體腎移植，均為血緣親屬供腎，供體女性9例，男性5例，年齡（48.12±5.22）歲，術前實驗結果示：BUN（4.72±1.23）mmol/L，SCr（73.22±10.59）μmol/L，GFR（102.05±15.32）mL/min，收縮壓（126.34±8.78）mmHg，舒張壓（75.66±8.92）mmHg。

2.2 受體術后并發(fā)癥及移植腎存活情況。所有患者均未見明顯術后感染、急性排斥反應、移植腎延遲恢復等，14例患者和移植腎至今存活，1例患者因受到額外的熱缺血損傷，術后腎功能恢復延遲，術后20天降至正常，術后3個月再次出現(xiàn)腎功能異常，肌酐升高至224 μmol/L。1例于術后5個月發(fā)現(xiàn)肌酐升高，升至155 μmol/L，治療后恢復正常。OCT在腎移植術中整個采集過程，保持無菌狀態(tài)，同時因成像速度快，14對供體及患者術中及術后48 h內(nèi)均未見其引起的不良反應及并發(fā)癥，反映其應用的安全性。

2.3 供體正常腎臟OCT成像（在體）?；铙w腎移植時，供體腎臟充分暴露的情況下，OCT經(jīng)整個供腎表面，上中下極分區(qū)域采集圖像。OCT圖像數(shù)據(jù)通過實驗儀器裝置收集，實時可視化。計算結構尺寸，然后加入到重建圖像，揭示腎臟的解剖結構的定量信息。關注的腎組織結構：小管、腎小球、血管，可根據(jù)不同的形態(tài)鑒定。圖2顯示代表橫斷面人的腎臟的OCT圖像，它清楚地觀察到，OCT可以穿透腎包膜500μm內(nèi)的穿透深度。腎的解剖尤其是腎小管結構容易區(qū)分。

圖2 供腎者正常腎臟OCT成像，顯示腎包膜下腎小管開放情況（標尺250um）

2.4 離體腎臟OCT成像。在供體腎臟離體后，無菌冰浴，灌注液灌注的情況下，OCT對整個供腎表面分上、中、下極三個區(qū)域進行成像，圖3顯示了典型的不同個體的活體腎移植前OCT成像。OCT圖像可見腎包膜下包含腎小管的腎實質(zhì)結構，最重要的是近曲小管管腔開放顯著變化（見圖3）。移植后腎功能的分析表明，這種近曲小管管腔直徑的減少程度與代表移植后腎功能較差的血清肌酐和尿素氮（BUN）測量值密切相關。

圖3 離體腎臟體外OCT成像（標尺250μm）

2.5 腎移植術后活體腎OCT成像。移植后，重新建立對供腎血流灌注，我們在患者腹腔內(nèi)進行腎臟的OCT成像（見圖4-a至圖4-b）。圖4-a代表了腎移植后人體腎臟OCT成像，顯示腎包膜下腎小管開放情況，整個圖像顯示腎包膜下淺表的近端腎小管的橫截面成像。腎小管管腔開放的程度較好，充分反映了腎移植術后腎功能情況。圖4-b代表其中一個患者受到額外的熱缺血損傷，本例患者的移植腎開放的腎小管區(qū)域內(nèi)數(shù)目和密度較低，管腔直徑變小，和移植后腎功能恢復較差有明顯相關。

圖4 腎-a臟腎O移C植T成后像人 體

圖4 -b腎移植后人體腎臟OCT成像

2.6 OCT成像影響因素。因為捐贈的腎臟為了移植前更好保存，可能經(jīng)常腎臟包膜外有脂肪組織，或者術中采集OCT圖像，為保證無菌，避免手術污染，常常在整個手持式探頭覆蓋無菌儀器套，保證無菌、透明，我們評估了這些因素對OCT系統(tǒng)成像腎臟能力的影響。無論是透明的無菌手術儀器罩（見圖5）還是一層淺層脂肪結締組織圖都一定程度阻礙了OCT對腎臟成像的深度。

圖5 二維OCT圖像腎臟，包圍透明的無菌手術儀器罩（箭頭）

3 討論

目前沒有可靠有效的方法用于判定供體腎臟的活性及是否在移植后會發(fā)生腎功能延遲恢復，尤其在術中實現(xiàn)實時、迅捷、直觀的監(jiān)測，目前國內(nèi)尚未看到相關研究。已有的移植后腎臟生化分析結果令人失望，無法證明其準確性[3]。目前常用的影像學檢查手段有各自的局限性[4]。更為重要的是，受分辨率的限制，這些方法均不能有效的對腎小管成像并預估供體腎臟的活性及移植腎功能延遲恢復的發(fā)生。而移植腎活檢屬于有創(chuàng)性檢查，具有一定風險，短期內(nèi)也不宜重復進行，因此，在臨床上迫切的需要有一個客觀并且可靠的實驗方法來預判供體腎臟的活性，以安全有效的遴選并使用供體腎臟。

光學相干斷層掃描（OCT）為獲得淺表腎皮質(zhì)的光學橫截面提供了一種非侵入性方法[5]，能夠顯示在樣本中受到缺血或腎毒性損傷時的腎臟病理形態(tài)改變[6]。已有的研究表明，利用掃描共聚焦顯微術可以無損成像活體兔腎臟表面的腎組織，對確定急性腎小管壞死的程度有一定幫助。美國Andrews等觀察到與移植后腎臟功能密切相關的腎小管組織病理學改變[7]。美國馬里蘭大學陳郁教授與Georgetown醫(yī)學院Andrews教授合作，率先開展了移植腎臟活性的OCT評估研究[8]。還有一些研究者使用近紅外共聚焦顯微術和多光子顯微術在動物模型中對腎臟結構功能進行無損成像[9]。然而，這類顯微術最大的局限性在于最大穿透深度有限（約100μm），使得對人腎臟進行無損成像非常困難，并不適合移植過程中對腎臟無損成像。相比其他形式的光學顯微技術，OCT成像不必與組織接觸，擁有更長的成像距離和更深的穿透深度，可以對腎臟器官的顯微結構進行成像，而且腎小管的形態(tài)與移植后腎臟功能有著極為密切的關系。因此利用OCT技術安全有效遴選供體腎臟，更準確地預測移植后功能具有潛在的臨床意義。

本論文旨在探討OCT技術對判斷移植腎活性的臨床應用價值。通過分析活體腎移植手術前后臨床資料和供體在體、離體灌注后、移植到體內(nèi)恢復血流灌注后的人體腎臟這幾種情況下OCT圖像變化，判斷OCT技術評估移植腎活性的意義及成像的安全性。通過應用OCT研究活體腎移植的臨床病例，OCT能直觀的觀測到腎臟的超微機構，尤其是腎小管的結構和分布可清晰成像，活體腎移植時，供體腎臟充分暴露的情況下，OCT經(jīng)整個供腎表面，上中下極分區(qū)域采集圖像。OCT圖像數(shù)據(jù)通過實驗儀器裝置收集，實時可視化。計算結構尺寸，然后加入到重建圖像，揭示腎臟的解剖結構的定量信息。我們的研究還發(fā)現(xiàn)在供體腎臟離體后，無菌冰浴，灌注液灌注的情況下，OCT對整個供腎表面分上、中、下極三個區(qū)域進行成像，OCT圖像可見腎包膜下包含腎小管的腎實質(zhì)結構，最重要的是近曲小管管腔開放程度及大小的顯著變化。這種近曲小管管腔直徑的減少程度與代表移植后腎功能較差的血清肌酐和尿素氮（BUN）測量值可能密切相關；移植后，重新建立對供腎血流灌注，再次OCT成像，顯示了腎包膜下近端腎小管的橫截面成像，腎小管管腔開放的程度可以為預測腎移植術后腎功能情況提供有價值的幫助。同時我們還評估了透明的無菌手術儀器罩或者淺層脂肪結締組織這些因素對OCT系統(tǒng)成像腎臟能力的影響，發(fā)現(xiàn)都一定程度阻礙了OCT對腎臟成像的深度，這主要受限于OCT儀器成像的深度。但是由于我們應用的OCS1310V1型SS-OCT成像系統(tǒng)本身的一些局限性，如分辨率低于一些國外一些團隊所使用的OCT儀器，盡管其采集圖像速度及采集區(qū)域范圍要大大高于對方，我們的研究還是發(fā)現(xiàn)對腎小球、腎血管的成像并不理想。OCT采集的圖像能反應類似的組織微觀結構。但是如何量化仍需進一步研究[10]。目前，我們正在和福建師范大學光學院合作，積極開發(fā)自動分割并計算腎小管的直徑和密度，腎小球的血流速度的算法。主要采用MATLAB軟件，利用數(shù)字圖像處理中的分割算法，微結構量化算法等將腎臟的結構和功能參數(shù)與表征移植腎臟活性的生化指標相關聯(lián)。并利用腎臟功能和結構參數(shù)將移植腎臟活性區(qū)分為正常，輕微損傷，中度損傷和重度損傷。以利于篩選和有效利用供體腎臟用于移植，將缺血性腎功能延遲與受體自身的排異反應相區(qū)別。