基于动态MHz-OCT的无标记大视野三维成像技术用于猪肾组织功能评估

为解决肾移植供体器官质量评估缺乏实时、高分辨率成像方法的临床难题，研究人员开发了一种基于3.2 MHz扫描源的动态光学相干断层成像系统（MHz-dOCT），通过电机化三维线性机器人实现2.6×2.6 mm2大视野扫描，在离体猪肾组织中成功解析了肾小管、集合管及肾小球等微观结构的动态功能对比，为移植肾活力评估提供了新型无创检测方案。

　　

随着终末期肾病患者数量持续增加，肾移植供需矛盾日益突出。由于等待时间过长，外科医生不得不考虑使用扩大标准供体（ECD）的肾脏，但这些器官存在功能不全或移植失败的高风险。移植成功与否关键取决于供肾的质量和活力，而当前临床缺乏在器官摘除后能实时评估肾活力的客观方法。传统多普勒超声和CT血管造影仅能在取器官前进行评估，离体后只能依赖主观视觉检查，这种方法的局限性和不一致性可能导致误判。虽然移植前活检能通过评估肾小球硬化和肾小管坏死比例提供更客观的判断，但该方法耗时、有创，且存在取样误差的风险。因此，开发一种能够在取肾后立即进行实时、大视野、高分辨率成像的技术，成为改善肾移植预后的迫切需求。

动态光学相干断层扫描（dOCT）作为一种新兴技术，结合了OCT的高分辨率三维成像能力和动态对比功能，可无标记地显示组织结构和细胞运动。然而，现有dOCT系统因成像速度慢（A扫描速率仅数百kHz）、成像区域小、运动伪影明显等问题，限制了其临床转化。MHz-OCT技术通过傅里叶域锁模（FDML）激光将A扫描速率提升至MHz级别，显著减少了运动伪影，并支持实时成像，但其在动态OCT中的应用仍面临轴向分辨率有限、视野（FOV）小、相位稳定性不足等挑战。

为此，本研究团队开发了一套扫描源为3.2 MHz的dOCT系统，结合电机化三维线性机器人和大视野拼接策略，实现了对离体猪肾组织进行高速、大范围、高分辨率的动态成像。该研究旨在验证MHz-dOCT在肾组织成像中的能力，通过比较不同分辨率物镜的成像效果，并结合组织学验证，评估该技术在移植肾活力评估中的临床应用潜力。相关成果发表于《Scientific Reports》。

关键技术方法包括：使用中心波长1310 nm、带宽110 nm的FDML激光光源，实现理论轴向分辨率9.4 μm；通过10×和20×近红外物镜分别获得3.48 μm和2.76 μm的横向分辨率；采用自主设计的精密三轴线性机器人系统，定位精度达1.46±0.84 μm，支持多区域体积拼接；应用帧间配准和频带分析（0-0.5 Hz蓝、0.5-3 Hz绿、3-6 Hz红）计算动态对比；所有实验使用新鲜离体猪肾组织，取自当地屠宰场，并在取样后数小时内完成成像。

扩展视野dOCT成像通过电机化扫描头定位实现

使用10×物镜对猪肾肾锥体区域进行成像，每个体积视野为1.4×1.4 mm2，通过机器人依次定位4个点并保留15%重叠区域，最终拼接成2.6×2.6 mm2的三维数据集。动态对比结果显示，红色代表快速信号变化（3-6 Hz），绿色为中速（0.5-3 Hz），蓝色为慢速（0-0.5 Hz）。这些信号变化归因于离体组织中残留的细胞运动，如热诱导扩散和布朗运动。图像中可见圆形和椭圆形结构，与集合管和Henle环的形态一致，但其区分仍依赖直径而非信号差异。

不同分辨率级别成像性能的比较评估

使用10×和20×物镜分别对肾髓质同一区域成像。10×物镜视野更大、景深更长，但分辨率较低；20×物镜视野较小（1×1 mm2），焦距范围窄，但能更清晰显示细小细胞结构。静态OCT强度图像中难以辨识的细胞结构，在dOCT图像中明显可见，尤其在B扫描中dOCT表现出更优的对比度。直径小至数微米的Henle环和集合管结构被成功识别，与组织学切片结果一致。20×成像下，集合管内流体运动呈现高频橙色信号，结构周围呈中频绿色，显示其功能活动差异。

肾皮质中解剖特征的动态显微可视化

对肾皮质区域进行20×dOCT成像，清楚显示了肾小球及其周围的Bowman囊。肾小球呈蓝色低频信号，可能与细胞密集、运动缓慢有关；Bowman间隙呈黄色，提示液体填充、细胞稀少。此外，卷曲的肾小管呈黄色高频信号，表明即使离体数小时仍能检测到分子运动。三维动态数据进一步证实，肾小球的精确定位和形态分析需依赖三维重建，而肾小管结构主要在en face视图中可辨。

研究结论与讨论表明，MHz-dOCT作为一种新型成像工具，能够无标记、实时、大视野地显示肾组织的微观结构和动态功能信息，在移植肾评估中具有重要潜力。该系统在离体猪肾中成功识别了肾髓质中的集合管、Henle环以及肾皮质中的肾小球和肾小管，其分辨率足以分辨细胞级结构。动态对比不仅增强了形态学显示，还提供了灌注、细胞内运动和液体动力学等功能信息，有望替代部分组织学检查，支持肾小球硬化和肾小管坏死的自动化定量分析。

然而，该技术仍存在一些局限性：光学穿透深度仅1-2 mm，限制了深部髓质成像，未来需开发针式探头；数据量庞大（单原始体积达480 GB），存储和处理效率有待提升；离体样本的运动特征与活体功能的相关性仍需进一步研究。通过优化扫描协议（如降低过采样、减少重复帧数），成像速度可进一步提高，使1.4×1.4 mm2区域成像时间缩短至3秒以内，支持全器官扫描。综上，MHz-dOCT结合机器人辅助扫描，为移植肾实时评估提供了新的技术方向，有望改善器官利用率和移植预后。