基于扫频光学相干层析成像的缺血性脑水肿全脑监测方法研究

Ischemic cerebral edema (ICE) is a major complication of ischemic cerebrovascular disease and is the leading cause of death in patients within a week of onset. The progress of ICE is closely related to cerebral blood perfusion, and it is very important to monitor the cerebral blood flow and cerebral edema in experimental animals simultaneously in the whole brain range for basic research on ICE. This project aims to reply on and optimize swept-souse optical coherence tomography technology to solve the key problems encountered in the simultaneous imaging of cerebral blood flow and cerebral edema with large-field and high-quality, including: 1) Optimize the spectral correction method to ensure axial resolution of the system over a large imaging depth; 2) An adaptive image registration method is proposed to eliminate motion artifacts that are prone to occur in a wide range of blood flow imaging; 3) Develop an imaging method based on optical attenuation coefficient for brain edema, first analyze the focusing characteristics of the system, eliminate the signal intensity gain caused by focusing; and secondly optimize the depth resolution estimation model to achieve the accuracy of white matter optical attenuation coefficient calculation. 4) Accurately quantify cerebral blood perfusion level and brain edema volume, and reveal the progress of two physiological states. This project attempts to provide effective methods for basic medical research in the monitoring and evaluation of small animal ICE in vivo.

缺血性脑水肿（Ischemic cerebral edema, ICE）是缺血性脑血管疾病的主要并发症，是患者发病一周内首要的死亡原因。ICE的进展与脑血流灌注密切相关，在全脑范围内同时监控实验动物的脑血流与脑水肿状态对ICE的基础研究十分重要。本项目拟依托并优化扫频光学相干层析成像技术，解决大范围、高质量的脑血流与脑水肿同步成像及评估过程中所面临的关键问题，主要包括：①优化光谱校正方法，在较大成像深度上保证系统纵向分辨率；②提出自适应图像配准方法，消除大范围血流成像中易于出现的运动伪影干扰；③发展基于光衰减系数的脑水肿成像方法，首先分析系统聚焦特性，消除因聚焦而产生的信号强度增益；其次优化深度分辨估计模型，实现白质区域光衰减系数的精确计算；④精确量化脑血流灌注密度与脑水肿体积，揭示两种生理状态的进展规律。本项目工作尝试为基础医学研究提供有效的小动物ICE在体监测与评估方法。

本项目依托并优化SS-OCT技术，解决大范围、高质量的脑血流与脑水肿同步成像及评估过程中所面临的关键问题。为基础医学研究提供有效的小动物缺血性脑水肿监测方法。主要研究成果包括：1、优化了SS-OCT系统光谱矫正程序，改进了图像配准算法，应用该技术完成了缺血性脑卒中大范围血流灌注密度研究。2、提出了优化深度分辨估计算法，解决了传统算法出现的随深度增加而显著增长的误差。应用该方法获得了高质量的全脑脑水肿成像图，揭示了脑水肿的进展规律。3、提出了局部自适应区域生长算法，实现了大范围皮层血管网络的精准分割。4、开发了脑水肿与脑缺血同步成像技术，将这两种生理状态进行量化。5、开展了脑血流与脑水肿的相关性研究，分析血管参数与水肿参数的相关性。6、参与了应用于血流速度计算的相位去卷绕研究。扩大了多普勒OCT的流速测量范围。使其能够更好的应用于复杂血管系统的流速测量。7、长时间监测卒中后脑血流与脑水肿状态，深入开展了脑水肿与周围脑血流灌注的相互作用及相互影响的研究。通过量化水肿组织周围不同空间位置的血流灌注，分析水肿对局部CBP的影响，通过比较水肿区域和局部CBP水平随时间的变化，揭示局部CBP对CE进展的影响。初步研究表明，当局部CBP下降到初始值的60%左右时，水肿面积急剧增加。8、监测永久性和短暂性MCAO模型的水肿进展。9、开展了甘露醇干预缺血性脑水肿疗效的评估研究，通过对比发现，甘露醇能显著降低水肿中心区域的含水量，有效抑制水肿区域的快速生长，恢复脑血流量。2 h后水肿面积平均减少33%，5 h后血管灌注密度增加12%。通过本项目的研究，初步明确了脑血流与脑水肿的进展机制和相互关系，为临床控制脑水肿的发展，挽救患者生命提供了理论指导。