基于保偏光纤的偏振敏感OCT技术用于动脉粥样硬化斑块的快速深度分辨偏振成像

《Optics & Laser Technology》：Rapid depth-resolved polarization imaging of atherosclerotic plaques with polarization-maintaining fiber-based polarization-sensitive OCT

【字体：大中小】 时间：2026年04月02日 来源：Optics & Laser Technology 4.6

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中国上海，上海交通大学生物医学工程学院生物医学仪器研究所

摘要

偏振敏感成像技术在评估动脉粥样硬化斑块方面展现出巨大潜力，而这一应用需要既强大又易于使用的系统，以及计算效率高且精确的算法。在本研究中，我们开发了一种基于导管的、采用保偏光纤的偏振敏感光学相干断层扫描系统，并融入了差分穆勒矩阵方法，该技术能够快速实现深度分辨的偏振特性提取，其偏振图像重建速度相比传统偏振分解方法快8倍。此外，我们的方法解决了传统PMF-PS-OCT系统中累积双折射估计不足以及病变识别不准确的问题。我们通过与其他偏振成像方法交叉验证，并结合组织学分析，定量评估了这种基于dMM的PMF-PS-OCT技术在人类冠状动脉局部双折射成像方面的准确性与效率。同时，我们还系统分析了不同动脉粥样硬化斑块成分的偏振特性。这种硬件与算法相结合的方法不仅提升了心血管疾病的诊断能力及图像引导下的介入治疗水平，还为临床应用带来了独特优势。

引言

动脉粥样硬化的特征是动脉内膜内斑块的形成与进展。当斑块发展到一定程度时，可能会因破裂或侵蚀等原因导致管腔狭窄甚至阻塞，进而引发心肌梗死和中风等心血管疾病[1]、[2]、[3]。了解斑块的形态结构[4]、[5]及其各类组成成分[6]、[7]，对于疾病的诊断、治疗方案制定以及风险预测具有重要意义[8]、[9]、[10]。光学相干断层扫描技术能够实现高空间分辨率的横截面成像[11]、[12]，有助于识别和分类动脉粥样硬化斑块。然而，传统的OCT成像主要依赖反射光或背散射光的强度，这限制了它的临床应用价值[13]。

偏振敏感光学相干断层扫描技术是OCT的功能扩展版本。该技术不仅能检测背散射光的强度，还能识别其偏振状态，从而获取样本的更多偏振特性信息[14]、[15]、[16]，进一步提升成像对比度，为判断生理和病理状况提供更全面的信息。例如，当光线穿过坏死组织或富含脂质的组织时，由于这些组织结构混乱，会导致多次散射现象，使得偏振均匀性降低[17]。而动脉壁中规则排列的纤维成分则具有双折射特性，这种特性会在不同的入射偏振状态下产生可测量的相位延迟[18]、[19]。这些偏振参数有助于更准确地评估斑块的内部组成和结构完整性，对判断斑块的脆弱性具有重要价值[20]。

血管内的偏振敏感测量通常采用带有可旋转探头的导管式系统，这类系统需要两种不同的偏振输入状态[21]、[22]。为实现这一需求，可以使用偏振调制器在相邻A线之间的庞加莱球面上生成正交的偏振状态[23]；或者使用体积较大的自由空间偏振延迟单元或保偏光纤，为两种相互正交的偏振状态施加不同的延迟时间[24]、[25]、[26]。不过，使用偏振调制器需要样本具有较高的稳定性，且还需要额外的信号处理步骤。此外，无论是偏振调制器还是偏振延迟单元，都会增加系统的成本和复杂性[27]、[28]。相比之下，PMF-PS-OCT系统设计更为简单，也更容易被操作人员使用[29]。

尽管PMF-PS-OCT系统因其结构更为简单而更具临床适用性，但其实际应用仍面临若干关键挑战。目前所报道的此类系统大多采用琼斯矩阵对角化方法，或是基于穆勒矩阵的偏振分解方法来计算累积双折射值[13]、[30]。一方面，琼斯矩阵中相邻像素之间的全局相位差异可能会产生伪影，即便进行了相位偏移调整，仍可能降低信噪比[31]。另一方面，偏振分解方法会将穆勒矩阵分解为三个在物理上相互独立却又存在关联的矩阵的乘积形式[32]，这种方法计算成本较高，且结果解读存在一定的模糊性，难以在实时临床工作中应用。虽然差分穆勒矩阵理论为更高效的双折射值提取提供了依据[33]、[34]，但将其与导管式PMF-PS-OCT系统结合以实现快速血管内成像的技术尚未得到研究。此外，与局部双折射值相比，累积双折射值无法实现深度分辨的偏振特征检测，也无法反映对评估动脉粥样硬化斑块至关重要的微观结构差异[35]。据我们所知，目前尚无利用PMF-PS-OCT系统对动脉粥样硬化斑块成分进行系统性研究的文献，这一空白阻碍了该技术在临床上的应用，因为目前还无法确定该系统在评估不同类型斑块时的性能表现。

在本文中，我们开发了一种基于差分穆勒矩阵方法的PMF-PS-OCT系统，该系统具备较高的计算效率且稳定性强，可用于实现深度分辨的偏振成像。与偏振分解方法相比，该算法的偏振图像重建速度提升了8倍。对于那些偏振衰减较弱的双折射组织，该方法的精度也与传统方法相当。不过，与偏振分解方法相比，该算法在分离强偏振衰减效应方面能力较弱[36]。与以往的研究类似[37]，我们采用了掩蔽策略，将那些偏振衰减严重的区域排除在双折射分析范围之外。在体外实验中，我们的双折射分析主要针对偏振均匀性大于0.5的区域展开。通过对人类冠状动脉的成像测试发现，局部双折射值比累积双折射值能更准确地识别组织结构和成分。随后，我们分析了人类冠状动脉中常见动脉粥样硬化成分的偏振特征，实验结果表明，血管内偏振成像的结果与相应的组织学分析结果之间存在高度一致性。我们的系统兼具快速成像和精准斑块分析功能，可为心血管疾病的临床诊断提供有力支持。

章节要点

PMF-PS-OCT系统

PMF-PS-OCT系统的结构如图1(a)所示。该系统的OCT光源为频率为200kHz的扫频激光器（型号SL132121，制造商为Thorlabs, Inc.），其中心波长为1300纳米，扫频范围为100纳米。激光输出光通过90:10比例的光纤耦合器（型号FC1）进行分割，其中90%的光能量被引入样品臂，10%则进入参考臂。在样品臂中，光线通过偏振控制器（型号PC1）的作用被分解为两种功率相等的正交偏振状态，分别记为PS1和PS2。

dMM方法与PD方法的定量比较

首先通过数值模拟来验证dMM方法在测量局部双折射值方面的准确性。我们对该方法的精度与传统PD方法进行了定量对比。传统PD方法会将测得的穆勒矩阵分解为偏振衰减、双折射和双衰减三个分量，然后再从双折射矩阵的迹值中计算出相位延迟。[49]

数值模拟是基于特定公式进行的。根据公式(1)至(4)，PD方法……

讨论

在本研究中，我们通过一系列创新举措，解决了血管内PMF-PS-OCT系统存在的若干关键问题。首先，我们采用了差分穆勒矩阵方法来获取血管内斑块的偏振信息，与传统的偏振分解方法相比，该方法的重建速度提升了8倍。目前该系统的每帧处理时间为1.35秒，这一速度足以支持快速的离线图像重建，从而显著缩短了导管操作与图像分析之间的时间间隔……

结论

在本研究中，我们基于差分穆勒矩阵方法开发了一种PMF-PS-OCT系统，用于获取具有深度分辨能力的偏振特性信息。体外实验结果显示，该系统仅需1.35秒即可完成单帧局部双折射图像的重建，同时还能准确测定斑块成分的局部双折射值和偏振均匀性。组织学分析进一步证实，PMF-PS-OCT系统确实能够可靠地识别和表征动脉粥样硬化斑块。这些结果表明，我们的研究为……

资金支持

本研究得到了中国国家自然科学基金（批准号分别为82327808和82421001）的支持，同时还获得了中国医学科学院基础医学研究所、神经科学中心以及中国人类脑银行联盟的资助。

作者贡献说明

Zihao Wang：负责原文撰写——初稿编写、结果验证、软件开发、方法设计、实验实施、数据分析、概念构思。Fan Yang：负责原文撰写——审稿与编辑、结果验证、软件开发、数据分析。Jiayue Huang：负责结果验证、方法设计、数据整理工作。Yue Sun：负责资源协调、实验实施工作。Jigang Wu：负责原文撰写——审稿与编辑、研究监督、数据分析工作。Yining Wang：负责资源协调、数据分析工作。Shengxian Tu：负责原文撰写——审稿与编辑、结果验证、研究监督、资源协调以及项目整体管理。

利益冲突声明

所有作者均声明，自己不存在任何可能影响本论文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

我们衷心感谢中国医学科学院与中国北京协和医学院所属的国家人类脑发展与功能银行，感谢他们为本研究提供了用于实验的死后人类冠状动脉组织。同时，我们也十分感谢马超教授、王娜莉、陈震、肖贺远以及张迪等人，在实验过程中给予我们的大力协助。

摘要

引言