体内、经皮、基于穿刺针的肾脏肿块光学相干断层扫描

摘要

光学相干断层扫描（OCT）是一种高分辨率成像技术，可分析组织特有的光学特性，从而实现组织区分。我们开发了基于穿刺针的OCT技术，能够提供实时成像并实现现场肿瘤鉴别。本文介绍了一种经皮穿刺针式OCT用于肾肿瘤检测的方法。

摘要

光学相干断层扫描（OCT）是超声成像的光学对应技术，基于近红外光的背向散射原理。OCT 能够提供实时图像，在有效组织穿透深度为 2–3 mm 时，轴向分辨率达到 15 µm。在 OCT 图像中，可计算每毫米组织穿透深度的信号强度衰减程度，即衰减系数。衰减系数是一种组织特异性参数，为组织鉴别提供定量指标。

迄今为止，肾肿瘤的治疗决策主要基于MRI和CT影像特征、年龄及合并症。然而，这些参数和诊断方法尚不足以精确识别肾肿瘤的恶性潜能。成功的穿刺活检或细针抽吸可提供客观的肿瘤分化信息，其敏感性和特异性均在95%至100%之间。然而，总体非诊断率约为10%至20%，在小肾肿瘤（SRMs）中甚至可高达30%，常因需要进一步进行活检而导致诊断过程延迟。

我们的目标是将光学相干断层扫描（OCT）发展为一种光学活检技术，提供实时成像并结合现场肿瘤鉴别。本出版物详细介绍了经皮穿刺针式光学相干断层扫描用于肾肿瘤的逐步操作方法。

引言

过去几十年来，肾肿块的发病率呈持续上升趋势^1,2。迄今为止，肾肿块的治疗决策主要依据MRI和CT影像特征、年龄及合并症情况。然而，这些诊断方法和临床参数尚不足以精确评估肾肿块的恶性潜能。通过获取足够组织进行病理学评估（具有诊断意义）的穿刺活检或细针抽吸，可实现客观的肿瘤分化判断，其敏感性和特异性均可达95–100%³。因此，活检在可疑肾肿块评估中的应用正逐渐被接受^4,5。然而，总体上有10–20%的活检样本因组织量不足无法确诊，或仅含正常肾实质（无诊断价值），在小肾肿块（<4 cm，SRMs）中这一比例甚至高达30%，常需重复活检，从而延误诊断进程^3,5。

光学相干断层扫描（OCT）是一种新型成像技术，有望克服上述肾脏占位鉴别中的难题。OCT基于近红外光的背向散射，可在2-3 mm的有效组织穿透深度下提供轴向分辨率为15 µm的图像（图1、图2）。信号强度随组织穿透深度每毫米的衰减程度由组织特异性的光散射决定，该参数以衰减系数（µ_OCT：mm^-1）表示，如Faber et al. ⁶所述。组织的组织学特征可与µ_OCT值相关联，从而为组织鉴别提供一个定量参数（图3）。

在癌变过程中，恶性细胞表现出数量增多、体积更大且形状更不规则的细胞核，其折射率更高，线粒体活性也更强。由于细胞组分的过表达，在比较恶性肿瘤与良性肿瘤或未受影响的组织时，预期μ_oct会发生变化⁷。

近期，我们研究了浅表光学相干断层扫描（OCT）区分良性和恶性肾肿瘤的能力^8,9。在16例患者中，使用体外放置的OCT探头获取了肿瘤组织的术中OCT测量数据。对照组则包括同一患者中未受累组织的OCT测量结果。正常组织的中位衰减系数显著低于恶性组织，证实了OCT在肿瘤鉴别中的潜力。这种定量分析方法也已被类似地应用于其他类型恶性组织的分级，例如尿路上皮癌^10,11以及外阴上皮内瘤变的鉴别¹²。

我们的目标是将光学相干断层扫描（OCT）发展为一种光学活检技术，提供实时成像并结合现场肿瘤鉴别。本研究的目的是描述一种经皮穿刺、基于穿刺针的OCT方法，用于诊断为实性强化肾肿块的患者。据我们所知，该方法学描述是首次评估基于穿刺针的OCT技术用于肾肿瘤的可行性。

方案

本研究方案在阿姆斯特丹学术医学中心机构审查委员会批准的研究方案下进行，注册编号为NL41985.018。所有参与者均需签署书面知情同意书。

1. 系统

1. 本实验采用傅里叶域光学相干断层扫描（OCT）系统，工作波长范围为1,280–1,350 nm¹³。与第一代时域OCT系统相比，傅里叶域低相干干涉技术可实现连续扫描，从而提高数据采集速度。注意：OCT系统连接一根光纤探头，以约90°角进行螺旋扫描。探头外径为2.7F（0.9 mm），可插入长度为135 cm。探头通过驱动电机和光学控制器（安装底座）连接至OCT控制台，回撤范围为54 mm。所获取的OCT数据集包含541个横截面图像（B扫描），轴向分辨率为15 µm（图1，2）。
2. 为确保衰减测量的准确性和可重复性，需通过测量基于重量百分比浓度递增的脂肪乳剂（例如，Intralipid）的μ_oct值进行校准，具体方法如Kodach 等^{14, 15}先前所述。
   简要步骤如下：
   1. 将标准20%脂肪乳剂用去离子H₂O稀释，配制成0.125、0.250、0.5、1.0、2.0、4.0、10、15和20（原液）%的浓度。
      1. 将OCT探头置于200 ml脂肪乳剂混合液中，采集OCT测量数据。
      2. 将提取出的μ_oct 值与文献中已知值进行比对。

2. 暂停与患者体位

1. 在开始操作前，进行“暂停核对”，确认患者的姓名、出生日期、手术名称、手术部位、抗凝药物使用情况以及过敏史。
2. 根据肿瘤位置，将患者置于俯卧位或侧卧位。为患者提供充分的支撑，并确认其是否能在该体位下舒适地保持20至40分钟。
3. 使用超声（US）¹⁶定位肿瘤，并用永久性记号笔在皮肤上标记穿刺进针点。
   注意：若使用计算机断层扫描（CT），则采用可调式穿刺针引导模板，以确定穿刺针的最佳进针位置。

3. 消毒与无菌铺巾

1. 戴上手术帽和口罩。
2. 使用氯己定/酒精溶液清洁穿刺部位周围的皮肤，注意不要擦除先前标记的进针位置（步骤 2.3）。消毒较大范围的皮肤可避免因穿刺针意外移位而需要重新消毒。
3. 注意无菌操作，打开经皮穿刺包，内含：10 ml 注射器、钝头抽吸针、21 G 注射针、手术刀、15 G 同轴导引针、18 G 套管针和 16 G 组织活检枪。
4. 彻底洗手，并随后使用手部消毒剂。穿上手术衣并戴无菌手套。
5. 用无菌洞巾覆盖患者。
6. 在超声探头上套上无菌保护套，并将穿刺引导器固定到位。

4. OCT 包埋准备

1. 启动OCT控制台，使用控制台界面在标注为患者ID、姓氏、名字和DOB（出生日期）的字段中输入患者信息。
2. 关于无菌物品，打开OCT包装，内含OCT探头、无菌安装座盖和一支5 ml鲁尔锁注射器。
3. 将无菌盖套在OCT控制台的安装座上。引导非无菌安装座时需助手协助。
4. 用0.9% NaCl充满5 ml注射器，并将其连接至冲洗口。冲洗OCT探头，直至探头护套远端出现液体。
5. 将OCT探头装入安装座。加载后探头将旋转并发出红光，以确认其正常工作。在冲洗和加载过程中，探头应保留在保护套内，以尽量降低损坏风险。
6. 从保护套中取出OCT探头。将探头放置于坚硬表面上，使用手术刀缩短探头尖端。切割时需固定探头远端部分，以尽量减少对光纤和棱镜的压力。在棱镜远端5 mm处进行切割，并以发出的（红色）光作为定位参考。

5. 穿刺

1. 使用2%利多卡因（20 mg/ml）对皮肤及深层组织进行麻醉。等待数分钟，使利多卡因充分发挥作用。询问患者是否有疼痛感。
2. 使用穿刺引导装置，将15 G同轴穿刺针置入，并通过影像确认其位置。若位置满意，则移除针芯（锐利的内针）。
3. 将18 G套管针经由穿刺针插入，穿透肿瘤组织。再次通过影像确认针尖位置。若位置满意，则移除针芯。
4. 将OCT探头沿套管针送入，直至遇到阻力。
5. 固定OCT探头的同时，回撤套管针，使OCT探头暴露于肿瘤组织中。保持套管针尖端位于肿瘤内，可最大限度减少呼吸周期中OCT探头发生弯曲的风险，从而降低探头损坏的可能性。
6. OCT扫描：
   1. 进行OCT扫描，将控制台设置为每组数据采集541个B型扫描图像。此处使用的OCT系统将自动完成长度为5.4 cm的回撤扫描，无需进行特定参数调整。
   2. 检查扫描图像的质量、伪影情况以及是否存在实性组织（图1A）。伪影最常见表现为从正常OCT图像模式中突出的环形条带（图1B）。
   3. 若重新扫描后伪影仍持续存在，则更换探头。
7. 重复步骤5.6，直至至少获取3组OCT数据。
8. 移除OCT探头和套管针，保留穿刺针原位。
9. 启动活检枪，并将其经由穿刺针置入，通过影像确认其位置。
10. 若定位满意，则触发活检枪进行取样。
11. 根据病理科操作规程将活检组织放入容器中。此处，将活检样本置于带有滤纸衬垫的培养皿中，并用0.9% NaCl充分浸润。
12. 检查穿刺活检组织质量，并重复步骤5.9和5.10，直至获得足够量的组织样本。

结果

在前25个肿瘤（23例患者）中，共成功完成了24次OCT检查。其中1例因探头故障而无法获取OCT图像。共发生2起不良事件（AE），详细情况见讨论部分。患者的一般特征见表1。

OCT 控制台预装了可提供实时 OCT 图像的软件，用于对所获取的数据集进行即时定性分析。如需进一步分析和衰减测量，可将 OCT 数据导出为原始数据、TIFF、DICOM 或 AVI 格式。OCT 数据的 µ_oct 定量分析通过自行开发的软件完成。

利用平面测量软件，从原始数据中重建出三维体积图像（图2A）。这提供了扫描轨迹的三维概览，并可沿三个轴向进行正交切片。在图2中显示的数据集在整个回撤长度范围内均表现出良好的质量。可以清晰地区分实体组织（图2B-C）、肾周脂肪组织（图2D）以及套管针内部结构。导出的TIFF文件被导入基于Ima...

讨论

本文报道了经皮穿刺针式光学相干断层扫描（OCT）在肾脏检查中的可行性。这是将OCT发展为一种可用于临床肿瘤鉴别诊断的“光学活检”技术所必需的首要步骤。前25例患者的数据显示，经皮OCT是一种简便且安全的操作。与传统的穿刺活检相比，光学活检具有两项优势：第一，OCT数据的实时采集与分析可提供即时诊断结果，而传统病理学检查则需要5至10天的处理时间；第二，OCT有望降低无诊断价值操作的比例，传统活检中此类情况的发生率约为20%。当OCT扫描显示为肾周脂肪或未受累的肾组织（即无诊断价值的结果）时，OCT操作者可重新调整OCT探头位置，以成功对准肿瘤区域进行扫描。

在前25例患者中发生了两起不良事件（AE）。第一起不良事件为术后低血压，发生于既往有低血压发作史的患者，经休息和输注0.9%氯化钠溶液后症状缓解。

在第二次不良事件中，OCT探针尖端发生断裂脱落。要求患者在测量期间屏住呼吸，反而引发了深吸气。肾脏过度移动导致OCT探针在套管针边缘发生弯曲，继而断裂脱落。一段1-2 mm的探针碎片残留在原位，但未引起任何问题或不适。该不良事件...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
15 G/7.5 cm 同轴导引针	Angiotech, Gainesville, USA	MCXS1612SX
18 G/20 cm 套管针	Cook medical, Bloomington, USA	DTN-18-20.0-U
16 G/20 cm Quick-Core 活检枪	Cook Medical, Bloomington, USA	G07827
Ilumien Optis PCI 优化系统（OCT & FFR）	St. Jude medical, St. Paul, USA	C408650	属于 Dragonfly 套件。 St. Jude medical, St. Paul, USA. (C4088643)
Dragonfly Duo 成像导管	LightLab Imaging, Westford, USA	C408644	属于 Dragonfly 套件。 St. Jude medical, St. Paul, USA. (C4088643)
无菌对接盖	CFI Med. Solutions, Fenton, USA	200-700-00	属于 Dragonfly 套件。 St. Jude medical, St. Paul, USA. (C4088643)
5 ml 鲁尔锁注射器	Merit Med. Syst., South Jordan, USA	C408647
10 ml 注射器	BD, Franklin Lakes, USA	300912
18 G 钝头充注针	BD, Franklin Lakes, USA	305180
21 G 注射针	BD, Franklin Lakes, USA	301155
无菌手术刀	BD, Franklin Lakes, USA	372611
0.9% 氯化钠溶液	Braun, Melsungen AG, Germany	222434
2% 盐酸利多卡ï因（20 mg/ml）溶液	Braun, Melsungen AG, Germany	3624480
无菌超声耦合剂，Aquasonic 100	Parker Lab. Inc., Fairfield, USA	GE424609
无菌超声探头套	Microtek Med., Alpharetta, USA	PC1289EU
病理标本容器
AMIRA 软件包	FEI Visualization Sciences Group, Hillsboro, USA	三维数据分析软件平台
FIJI 软件包（开源）	Open source, http://fiji.sc/Fiji		开源图像处理软件