摘要
气道的尺寸难以量化,因为支气管镜光学畸变和有限的能力来衡量的深度。解剖光学相干断层扫描(一个一种新的成像技术可能克服这些限制。本研究评估的准确性一个OCT针对现有技术的幻影、切除猪和在活的有机体内人类呼吸道。
进行了三项比较研究:1)比较10根塑料管中微米级的面积测量结果一个OCT-derived区域;2)一个从切除的猪呼吸道OCT衍生气道顺应性曲线进行了比较使用内窥镜技术与曲线得到;和3)从气管支气管亚段气道的尺寸被使用测得的一个四名麻醉病人在接受支气管镜检查时的OCT值,并与计算机断层扫描(CT)测量值进行比较。
在塑料试管中测量显示一个10 .准确可靠。在猪的航空公司,一个oct导出的依从性测量与内镜数据比较接近。在人类呼吸道中,用一个OCT和CT密切相关。奥特曼情节表明,一个OCT直径和面积测量值分别比CT高7.6%和15.1%。
气道测量使用一个OCT准确、可靠,与现有成像技术相比具有优势。使用一个OCT结合传统支气管镜可以实时测量气道尺寸,在需要气道口径知识的临床环境中非常有用。
支气管镜检查是许多迹象表明广泛执行程序。这些中的一些,气道狭窄,气管软化和阀门用于内窥镜肺减容部署如,要求气道的尺寸的知识,以便优化干预和/或纵向地评估疾病进展。迄今为止,支气管镜都依赖前过程成像,通常与计算机断层摄影(CT),以定量的气道的尺寸,例如口径或狭窄的长度。CT具有经过验证的能力提供这样的测量,但它不能在手术过程中被利用。这提出时,例如,一个支架植入过程期间支气管镜希望确认狭窄尺寸,以确保适当的支架的选择,作为并发症可从尺寸不佳支架出现一个主要的限制1,2。
虽然可以直接从支气管镜图像获得定量信息,两个主要障碍使这样做很难。首先,支气管镜显示三维解剖结构作为二维图像,从而限制观察者到规深度的能力。其次,在支气管镜的前端的广角镜头,而用于促进最广泛的意见,导致图像失真,特别是在外围。一些技术已经发展到允许从支气管镜图像量化3-9。然而,这些技术意味着复杂的校正算法,并进行精确校准通常需要已知大小的目标(如。将活检钳或测量装置置于视野内。
本文描述了一种新的成像技术,解决了这些问题。光学相干层析成像(OCT)是一种基于低相干干涉原理的光学成像技术。在其传统的形式,OCT允许对2-3毫米深的皮下气道进行分析,提供一种接近组织学分辨率的“光学活检”。呼吸系统的应用主要集中在检测恶性和异常的上皮变化10,11。解剖10月(一个OCT)是常规的OCT的修改旨在范围在较大的距离,以允许实时中空器官的宏观成像12。在人体上呼吸道的应用表明在活的有机体内这种技术的效用,但它尚未在气管支气管树验证13-16。
我们小组之前已经详细说明了申请的技术考虑一个十月到中央航空公司17。本文的目的是验证一个用于人气管支气管树的OCT。
方法
的准确性一个OCT进行了系统中的塑料管,猪支气管和人类气道通过与由比较测量验证一个OCT和其他成像技术。我们医院的人类研究伦理委员会批准了这项研究,患者提供了知情同意。这项动物研究得到了我们机构动物伦理委员会的批准。以下方法的详细信息可以在附带的在线存储库中找到。
解剖光学相干断层扫描
该一个ØCT unit consists of a 1.3-mm wide fibre-optic probe housed within a plastic catheter (outer diameter 2.2 mm) as previously described12-14,17,18。导管通过标准支气管镜的工作通道进入感兴趣的气道。该探头以2.5 Hz的频率旋转,引导一束宽带光束(中心波长1310 nm,带宽32 nm)垂直于气道,从而建立一个显示在监视器上的气道内腔的旋转扫描。探测器能够扫描36毫米的半径的最优横向分辨率156μm 2.35毫米的距离,虽然这随距离。一个定制的计算机程序可以使用户在采集后立即手动跟踪内部腔和直径。当旋转时,该探头也可沿气道段以0.4 mm·s机械收缩-1,以生成容量数据集。我们称之为“回拉”扫描。
塑胶管
构建了一个由10个圆管(直径2.6-50.0 mm)组成的塑料气道模型(online repository, E1),并使用内部测微计(Bowers Metrology, Bradford, UK)对管进行测量,测量精度为0.01 mm。每根管子上的三个独立位置都是由一名研究人员拍摄的一个倍频程然后,将30对图像进行之前随机化以测量直径和内部区域(A的一世)。为了评估观察者内的重复性,在3周后重复测量。对于观察者之间的重复性,第二个研究者重复测量。为了评估纤维光学探头在支气管镜检查中对弯曲测量准确性的影响,在活的有机体内通过将支气管镜插入复苏人体模型(online repository, E2),重复测量,模拟病情。
切除猪航空公司
气管和两个支气管区段从8周龄的猪的肺解剖。Side branches were ligated with surgical silk and the segments (length ∼60 mm) were placed horizontally in a perspex chamber of Krebs solution at 37°C as described elsewhere19。该ends were cannulated, one being connected to a reservoir containing Krebs solution, the height of which could be adjusted to vary the transmural pressure, thereby manipulating airway size (fig. 1⇓)。
采用视频内窥镜技术观察气道管腔,采用硬质纤维光学内窥镜(SES1711D;通过器官腔的出口插入气道(图1)·)19。在选定的分析部位,粘膜表面被染色。透壁压力增加5 cmH2O从- 15cmh开始2O到+30 cmH2O,然后下降到- 15cmh2O.染色-粘膜交界面描绘气道内周的照片被捕获并传送到计算机工作站分析腔a一世使用ImageJ软件,版本1.38t(美国国家卫生研究院,贝塞斯达,MD;http://rsb.info.nih.gov/ij)。然后取出内窥镜一个OCT导管进入气道管腔,进入染液环,重复测量。成像顺序(一个随机选择OCT或内窥镜检查。我们通过构建气道顺应性曲线来比较两种方法一世。依从性首先从曲线在0 - 10cmh之间的斜率来描述2O(变化最大的区域),然后用指数表达式(也用于描述肺的非线性弹性行为)拟合正压数据,形式为V =一个-乙×exp (-ķP),其中V是气道管腔面积,P是跨壁压和一个,乙和ķ是常数。Colebatch形状因子ķ定义了面积-压力曲线的非线性,是与气道尺寸无关的可膨胀性指标20.。
的潜在用途一个在气管支气管狭窄的背景下,紧接着气道顺应性的测量,在切除的猪气管中通过在其中心周围绑上缝合材料来模拟狭窄。该一个OCT探头通过气管管腔推进超出“狭窄”,然后穿过狭窄机械收缩而连续记录。这个回调扫描使用三维软件的浏览器进行了分析(VolView; Kitware,克利夫顿公园,NY,USA)来测量狭窄的尺寸。
在活的有机体内人类的航空公司
研究对象是从计划进行支气管镜检查的患者中招募的,他们也需要胸部CT作为医疗护理的一部分。64层扫描仪(Philips Brilliance CT 95089;Philips Medical Systems, Best,荷兰)使用肺增强重建算法从声门扫描到肺基底(220 mA, 120 Kvp,体素大小0.625×0.625×0.625 mm)。同一天,在异丙酚麻醉下进行支气管镜检查,麻醉的深度足以允许自主呼吸。
为了确保在CT和支气管镜检查中获得相似肺容积的扫描,阻抗容积描记带(Respitrace 10.9230;动态监测,阿兹利,纽约州,美国)是定位在胸腔和腹部和校准使用等体积操纵。合并的腹部和胸腔信号是测量总胸壁位移(肺容积变化)的一种方法,用于监测CT和支气管镜检查期间肺容积的变化21。在CT扫描,呼吸在功能残气量(FRC)使用求和Respitrace信号以引导自愿屏气暂停。全身麻醉期间FRC下降22。为了将纤维支气管镜检查与之前的CT检查相匹配,我们注意到基线纤维支气管镜使用麻醉前一段平静的潮汐呼吸,一旦麻醉稳定,应用呼气末正压和压力支持将纤维支气管镜恢复到基线(在线知识库,E3)。在每个研究对象中,7至11个正常气道位置(从气管到亚段气道)被使用成像一个OCT: 6次呼吸周期,每一次约20 min。
支气管镜检查,A后一世测量短轴直径一个OCT与CT图像比较。使用Pulmonary Workstation 2.0软件(VIDA Diagnostics, Iowa City, IA, USA)对CT图像进行分析,该软件将CT数据重新格式化为三维图像,并计算垂直于气道的气道面积和直径。在每个位点,取三个相邻CT切片的平均值。为一个OCT图像,在呼气末(FRC)对连续三次呼吸进行测量并取平均值。
结果
比较研究
塑胶管
一个OCT-derived一一世测量10个塑料管(范围5.3-1,963.5毫米)2)与微米A非常接近一世测量(图2所示⇓),with the mean difference across the tubes being -0.1±5.6 mm2(-0.3±3.5%),零差线附近分布均匀。重复测量的变异系数为0.8%。通过复苏人体模型重复测量显示,有一个小的偏见,高估了a一世,和一个paired t-test showed the difference of the means to be 2.1 mm2(95%置信区间0.7-3.5 mm2,p < 0.01)。观察者内部和观察者之间的布兰-阿尔特曼变异性图显示了很好的一致性(图3)⇓)。计算的观察者内和观察者间重复性系数分别为5.7和7.1 mm2,分别表示所有10个管的平均面积的<2%。
切除猪航空公司
3个气道被解剖,4个部位(A-D)被染色(1个支气管在2个部位被染色)。气道的一世ranged 9.0–170.0 mm2。在每个部位,上行和下行肢体的压力/A一世分别用内窥镜和透射电镜绘制曲线一个OCT-derived一一世(图4⇓)。为每个技术顺应性曲线是相似的,平均形状因子,ķ,则无显著差异(平均值)ķ = 0.11 (endoscopy)与ķ = 0.12 cmH2Ø-1(一个OCT);对的装置-0.03-0.01差异的95%置信区间;p = 0.24). Compliance measured using the slope of the curve between 0 and 10 cmH2两种技术之间没有差别,分别为2.2毫米和2.1毫米2·而言不啻2Ø-1(95% confidence interval for the difference of means -0.3–0.2; p = 0.64).
气管狭窄的二维和三维重建如图5所示⇓。最窄处为横向尺寸7.9×7.6 mm,狭窄长度23 mm。
讨论
尽管在胸部成像领域的一场革命,当代支气管镜仍然缺乏一个可靠的工具的过程中,以量化支气管解剖。本文描述了使用一种新颖的成像技术,一个10月,在塑料管中,切除猪气道和气管在活的有机体内人类呼吸道。如一个OCT独立操作的常规支气管镜成像,它克服了支气管气道量化的主要限制:失真的图像从该气道的尺寸难以导出,需要后过程分析。我们的验证研究的结果表明,一个OCT是一种适合实时测量气道尺寸的辅助支气管镜技术。
这项研究表明的实用性和准确性一个OCT在三种实验环境下。在塑胶管,一个OCT提供准确、可重复的A一世测量的直径范围很广。相对于测微计,A一世测量时,一个通过人体模型的OCT导管平均增大2.1 mm2。这可能是由于导管/探头在使用过程中发生弯曲造成的在活的有机体内扫描,从而导致扭转和不均匀的探针旋转。无论如何,这种差异(表示30次测量的平均面积的<1%)的幅度在临床上是不显着。使用一致性测量在离体猪呼吸道一个OCT和一种内窥镜技术也类似,强调了潜在的一个OCT以确定气道的生理特性,如支气管镜期间区域遵守。最后,比较一个OCT与人类的CT测量结果也显示了密切的一致性。我们的方法的一个优点是非常小心地控制受试者的肺容积,这可能会影响气道的大小24。事实上,据我们所知,在定量支气管镜研究中,这是第一个这样做的研究。然而,尽管在CT和一个OCT扫描,进行了测量相隔几个小时,使气道困难内的确切位点进行比较。同时成像本来优选的,但是这将是难以实现的同时支气管镜和CT扫描复杂,并会造成CT图像伪影。
然而,正如上面所讨论的,两者之间存在着密切的一致一个整体上,OCT和CT,一个OCT得到直径和A的测量值一世分别比CT测量结果高7.6%和15.1%。这一发现与Coxson的研究形成了对比et al。25谁,使用常规OCT,发现了A的测量值一世小气道(平均气道尺寸12.5±6.1 mm)2),与CT测量相比,平均低31%。这种差异很容易归因于Coxson研究中较高的CT肺容积et al。25(总肺活量)相对于支气管镜下OCT图像(清醒镇静时的潮汐呼吸)。通过使用阻抗容积描记带,我们的研究仔细地控制了肺容积,使我们能够在CT扫描时估算FRC,并在支气管镜检查时估算肺容积。
我们发现了CT和CT的相对差异一个较小气道的OCT测量值最大(图7c)·我们已经确定了造成这种差异的两种机制。首先,它的存在是可能的一个OCT导管可机械增加气道小口径,导致A高估一世,虽然我们只测量了气道大于导管,且两者之间明显存在部分空气空间(图6f)·)。其次,CT部分体积平均,导致低估了A一世,在直径小于2-3毫米的气道中尤为明显,且随着成像平面的倾斜而增大26,27。此外,部分体积平均在我们的研究中可能更重要,因为我们在FRC扫描而不是总肺活量。这不是一个值得关注的问题一个OCT,这里的“切片厚度”轴向的等价一个ØCT image in, for example, a 5-mm diameter airway is ∼0.2 mm, compared with 0.625 mm using modern CT scanners. Further, unlike CT, the一个OCT探头位于气道平面内,扫描时靠近气道轴线,避免了斜位成像。即使在最大的气道中,支气管镜与气道管腔的相对大小增加了斜位扫描的可能性,接近18°的角度也需要产生5%的面积误差(online repository, E6)。
潜在的应用
一个OCT可以证明在几个支气管镜的设置是有益的。支架气道狭窄的部署需要预支气管镜成像,通常用CT。这提供了有关网站,数量和狭窄的尺寸的重要信息。然而,CT通常在肺总容量进行和扫描并不总是最近在过程的时间。它仍然是,因此,在支气管镜现任估计狭窄长度和口径,其可以是非常主观的。的能力来扫描一个狭窄和导出直接定量尺寸将是支架尺寸选择非常有利的。凭借实时成像的,一个OCT也可能被证明在软化障碍的治疗中是有用的,动态气道塌陷的定量评估是可取的。这可能在儿科支气管病学中特别有用,因为需要对气管-支气管软化症进行纵向评估,理想情况下不需要电离辐射。最后,在支气管内瓣膜展开时需要测量气道的大小,以便内镜下肺体积缩小。这个相对较新的领域可能受益于……的能力一个调整气道直径,优化阀门选择。
限制
虽然一个OCT可以成像的气道尺寸范围很广,而目前的模型地下细节有限,因此无法测量气道壁厚。导管的尺寸也可以被认为是一种限制,因为探针导管系统将可测量气道的尺寸限制为约2.5 mm。这与哮喘和慢性阻塞性肺病最有趣的小气道很接近,但不像。然而,这种技术限制是暂时的,因为更小的探头还在开发中。
在正常的呼吸过程中,探针的旋转速度足以进行扫描。更快的采集速度将提高三维重建的能力,以解释呼吸和心脏运动。尽管如此,我们最近已经证明了将图像“门”到呼吸周期特定阶段的能力28。最后,与任何新技术,成本是一个因素。我们的设备是定制的原型,使得单位成本难以估计。较大的中心专业从事介入手术将可能率先实现从这种技术的潜力,并从中受益。
结论
本文证明了该方法的准确性和精密度一个并展示了它重建三维图像的能力。与现有的支气管镜气道定量方法相比,该技术的一个优点是可以独立于支气管镜的扭曲作用进行操作。这一工具对介入支气管镜医师有相当大的价值,因为它可以改善疾病严重程度及其进展的评估,在准备支架术和部署支气管内瓣膜时测量气道狭窄的尺寸。未来的研究检验的有效性一个OCT在这些和其他临床环境中将进一步确定这一新兴技术的最佳作用。
支持声明
这项研究得到了澳大利亚国家健康与医学研究委员会(NHMRC;(澳大利亚堪培拉)第513854号项目赠款。j·p·威廉姆森获得了NHMRC研究生研究奖学金463926号、查尔斯·盖德纳爵士医院(澳大利亚珀斯)研究补助金和西澳大利亚大学(澳大利亚珀斯)追加补助金。P.R.伊斯特伍德是由美国国家卫生和计划生育委员会高级研究员513704号资助的。R.A. McLaughlin是由Raine医学研究基金会(莱尼兰,澳大利亚)资助的。诺贝尔奖由澳大利亚生物医学奖学金(No. 513921)资助。
利益声明
j·p·威廉姆森、j·j·阿姆斯特朗、r·a·麦克劳克林、m·j·菲利普斯、d·d·桑普森、d·r·希尔曼和p·r·伊斯特伍德的意向书载于www.www.qdcxjkg.com/misc/statements.dtl
致谢
作者希望感谢查尔斯·盖德纳爵士医院放射科的N. Hicks、P. Muir和C. Smith的热情支持;澳大利亚珀斯)。他们还想感谢来自SCGH麻醉系的C. Smith和M. Schmidt,感谢他们的麻醉专业知识,感谢J. Graham和W. Lilly (SCGH)对人体模型研究的帮助。作者衷心感谢SCGH医学技术与物理系的R. Kap和T. Deans在气道模型的构建和技术支持方面提供的帮助,并感谢SCGH视听制作部的b.s ymanners提供的演示支持。
脚注
这篇文章有补充材料可从www.www.qdcxjkg.com
- 收到了2009年3月14日。
- 公认5月23日,2009年。
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