光学相干断层成像在活体肾移植术中的应用研究

李俊霞通信作者，谭建明，方玉宏，李伟军，黄正

（1.联勤保障部队第九OO医院 肾脏病科，福建 福州 350025；2.联勤保障部队第九OO医院 泌尿外科，福建 福州350025；3.医学光电科学与技术教育部重点实验室/福建师范大学福建省光技术重点实验室，福建 福州 350007）

0 引言

等待肾移植的人数每年都在增长，但是肾脏的供应往往难以满足需求，而在肾移植手术中仍然难以避免一些常见的损伤，如供者肾脏缺血再灌注损伤（ischemiareperfusion injury，IRI）。移植肾IRI可导致移植肾术后很多并发症如移植肾功能的延迟恢复、急性排斥反应、移植肾失功等。但是目前并没有可靠有效的方法用于判定供体肾脏的活性及是否在移植后会发生肾功能延迟恢复，尤其在术中实现实时、迅捷、直观的监测，目前国内尚未看到相关研究。已有OCT研究资料已经证实它可以采集到组织样本的详细、准确的组织学信息[1]。在国外一些研究中证实OCT能够显示在样本中受到缺血或肾毒性损伤时的肾脏病理形态改变[2]。对供肾的OCT分析有助于预测移植肾的功能，为术后的治疗和护理提供及时有用的信息。

1 资料与方法

1.1 一般资料。本研究以2015年3月至2018年3月于联勤保障部队第九〇〇医院器官移植中心实施的活体移植手术的供体和受体为研究对象，共14对，均为血缘亲属供肾，其中12例为父母捐献给子女，1例为哥哥捐献给弟弟，1例为姐姐捐献给弟弟，均为自愿捐献。

1.2 主要仪器设备。OCT系统：SS-OCT（OCS1310V1，ThorLabs公司，美国），是傅里叶域扫频源OCT系统，使用MEMS-VCSEL扫频激光光源，工作中心波长为1300 nm，工作带宽为100 nm，灵敏度为100dB，在空气中的轴向分辨率和横向分辨率分别约为12μm和7μm。波长扫描频率为100 kHz，可实现实时二维和三维成像，最大扫描视场（FOV）为10 mm×10 mm。

图1 便携式手持式OCT系统

1.3 实验方法。在活体肾移植术中，使用OCT系统采集了14例供体肾脏在暴露后取肾前、供体肾脏离体灌注后以及移植至受体血流再通后的实时影像资料。对于每一个入组病例，分别就活体肾移植移植前（在体）、离体（即肾脏转移到修肾台，无菌冰浴，进行灌注后）和移植后再灌注（即体内）分别采集OCT图像。在肾移植手术的这段时间内，肾脏采用我们的手持式OCT成像探头采集。OCT成像仪的整个手持式探头覆盖无菌手术仪器罩，保证无菌、透明，从而保障OCT成像仪无阻碍的成像。采样时分别对肾脏上、中、下极的多个位置成像，以分析整个肾脏的状态。对每个采样点，采集图像大小为X×Z=5 mm×3.2 mm（1000×350像素），同一位置重复扫描100次，每个采样点成像所需时间约为4 s。受体接受供肾移植后，肾脏的血流重新建立，再次对肾脏成像。而后对活体肾成像的数据（包括复杂的OCT信号的幅度和相位信息的记录）进行处理与分析。并关联肾移植术后肾功能恢复的情况，探讨OCT用于检测移植肾活性的可行性及意义。

2 结果

2.1 供体基线特征。14对活体肾移植，均为血缘亲属供肾，供体女性9例，男性5例，年龄（48.12±5.22）岁，术前实验结果示：BUN（4.72±1.23）mmol/L，SCr（73.22±10.59）μmol/L，GFR（102.05±15.32）mL/min，收缩压（126.34±8.78）mmHg，舒张压（75.66±8.92）mmHg。

2.2 受体术后并发症及移植肾存活情况。所有患者均未见明显术后感染、急性排斥反应、移植肾延迟恢复等，14例患者和移植肾至今存活，1例患者因受到额外的热缺血损伤，术后肾功能恢复延迟，术后20天降至正常，术后3个月再次出现肾功能异常，肌酐升高至224 μmol/L。1例于术后5个月发现肌酐升高，升至155 μmol/L，治疗后恢复正常。OCT在肾移植术中整个采集过程，保持无菌状态，同时因成像速度快，14对供体及患者术中及术后48 h内均未见其引起的不良反应及并发症，反映其应用的安全性。

2.3 供体正常肾脏OCT成像（在体）。活体肾移植时，供体肾脏充分暴露的情况下，OCT经整个供肾表面，上中下极分区域采集图像。OCT图像数据通过实验仪器装置收集，实时可视化。计算结构尺寸，然后加入到重建图像，揭示肾脏的解剖结构的定量信息。关注的肾组织结构：小管、肾小球、血管，可根据不同的形态鉴定。图2显示代表横断面人的肾脏的OCT图像，它清楚地观察到，OCT可以穿透肾包膜500μm内的穿透深度。肾的解剖尤其是肾小管结构容易区分。

图2 供肾者正常肾脏OCT成像，显示肾包膜下肾小管开放情况（标尺250um）

2.4 离体肾脏OCT成像。在供体肾脏离体后，无菌冰浴，灌注液灌注的情况下，OCT对整个供肾表面分上、中、下极三个区域进行成像，图3显示了典型的不同个体的活体肾移植前OCT成像。OCT图像可见肾包膜下包含肾小管的肾实质结构，最重要的是近曲小管管腔开放显著变化（见图3）。移植后肾功能的分析表明，这种近曲小管管腔直径的减少程度与代表移植后肾功能较差的血清肌酐和尿素氮（BUN）测量值密切相关。

图3 离体肾脏体外OCT成像（标尺250μm）

2.5 肾移植术后活体肾OCT成像。移植后，重新建立对供肾血流灌注，我们在患者腹腔内进行肾脏的OCT成像（见图4-a至图4-b）。图4-a代表了肾移植后人体肾脏OCT成像，显示肾包膜下肾小管开放情况，整个图像显示肾包膜下浅表的近端肾小管的横截面成像。肾小管管腔开放的程度较好，充分反映了肾移植术后肾功能情况。图4-b代表其中一个患者受到额外的热缺血损伤，本例患者的移植肾开放的肾小管区域内数目和密度较低，管腔直径变小，和移植后肾功能恢复较差有明显相关。

图4 肾-a脏肾O移C植T成后像人 体

图4 -b肾移植后人体肾脏OCT成像

2.6 OCT成像影响因素。因为捐赠的肾脏为了移植前更好保存，可能经常肾脏包膜外有脂肪组织，或者术中采集OCT图像，为保证无菌，避免手术污染，常常在整个手持式探头覆盖无菌仪器套，保证无菌、透明，我们评估了这些因素对OCT系统成像肾脏能力的影响。无论是透明的无菌手术仪器罩（见图5）还是一层浅层脂肪结缔组织图都一定程度阻碍了OCT对肾脏成像的深度。

图5 二维OCT图像肾脏，包围透明的无菌手术仪器罩（箭头）

3 讨论

目前没有可靠有效的方法用于判定供体肾脏的活性及是否在移植后会发生肾功能延迟恢复，尤其在术中实现实时、迅捷、直观的监测，目前国内尚未看到相关研究。已有的移植后肾脏生化分析结果令人失望，无法证明其准确性[3]。目前常用的影像学检查手段有各自的局限性[4]。更为重要的是，受分辨率的限制，这些方法均不能有效的对肾小管成像并预估供体肾脏的活性及移植肾功能延迟恢复的发生。而移植肾活检属于有创性检查，具有一定风险，短期内也不宜重复进行，因此，在临床上迫切的需要有一个客观并且可靠的实验方法来预判供体肾脏的活性，以安全有效的遴选并使用供体肾脏。

光学相干断层扫描（OCT）为获得浅表肾皮质的光学横截面提供了一种非侵入性方法[5]，能够显示在样本中受到缺血或肾毒性损伤时的肾脏病理形态改变[6]。已有的研究表明，利用扫描共聚焦显微术可以无损成像活体兔肾脏表面的肾组织，对确定急性肾小管坏死的程度有一定帮助。美国Andrews等观察到与移植后肾脏功能密切相关的肾小管组织病理学改变[7]。美国马里兰大学陈郁教授与Georgetown医学院Andrews教授合作，率先开展了移植肾脏活性的OCT评估研究[8]。还有一些研究者使用近红外共聚焦显微术和多光子显微术在动物模型中对肾脏结构功能进行无损成像[9]。然而，这类显微术最大的局限性在于最大穿透深度有限（约100μm），使得对人肾脏进行无损成像非常困难，并不适合移植过程中对肾脏无损成像。相比其他形式的光学显微技术，OCT成像不必与组织接触，拥有更长的成像距离和更深的穿透深度，可以对肾脏器官的显微结构进行成像，而且肾小管的形态与移植后肾脏功能有着极为密切的关系。因此利用OCT技术安全有效遴选供体肾脏，更准确地预测移植后功能具有潜在的临床意义。

本论文旨在探讨OCT技术对判断移植肾活性的临床应用价值。通过分析活体肾移植手术前后临床资料和供体在体、离体灌注后、移植到体内恢复血流灌注后的人体肾脏这几种情况下OCT图像变化，判断OCT技术评估移植肾活性的意义及成像的安全性。通过应用OCT研究活体肾移植的临床病例，OCT能直观的观测到肾脏的超微机构，尤其是肾小管的结构和分布可清晰成像，活体肾移植时，供体肾脏充分暴露的情况下，OCT经整个供肾表面，上中下极分区域采集图像。OCT图像数据通过实验仪器装置收集，实时可视化。计算结构尺寸，然后加入到重建图像，揭示肾脏的解剖结构的定量信息。我们的研究还发现在供体肾脏离体后，无菌冰浴，灌注液灌注的情况下，OCT对整个供肾表面分上、中、下极三个区域进行成像，OCT图像可见肾包膜下包含肾小管的肾实质结构，最重要的是近曲小管管腔开放程度及大小的显著变化。这种近曲小管管腔直径的减少程度与代表移植后肾功能较差的血清肌酐和尿素氮（BUN）测量值可能密切相关；移植后，重新建立对供肾血流灌注，再次OCT成像，显示了肾包膜下近端肾小管的横截面成像，肾小管管腔开放的程度可以为预测肾移植术后肾功能情况提供有价值的帮助。同时我们还评估了透明的无菌手术仪器罩或者浅层脂肪结缔组织这些因素对OCT系统成像肾脏能力的影响，发现都一定程度阻碍了OCT对肾脏成像的深度，这主要受限于OCT仪器成像的深度。但是由于我们应用的OCS1310V1型SS-OCT成像系统本身的一些局限性，如分辨率低于一些国外一些团队所使用的OCT仪器，尽管其采集图像速度及采集区域范围要大大高于对方，我们的研究还是发现对肾小球、肾血管的成像并不理想。OCT采集的图像能反应类似的组织微观结构。但是如何量化仍需进一步研究[10]。目前，我们正在和福建师范大学光学院合作，积极开发自动分割并计算肾小管的直径和密度，肾小球的血流速度的算法。主要采用MATLAB软件，利用数字图像处理中的分割算法，微结构量化算法等将肾脏的结构和功能参数与表征移植肾脏活性的生化指标相关联。并利用肾脏功能和结构参数将移植肾脏活性区分为正常，轻微损伤，中度损伤和重度损伤。以利于筛选和有效利用供体肾脏用于移植，将缺血性肾功能延迟与受体自身的排异反应相区别。