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AHA特邀点评丨贾海波教授:多模腔内影像与人工智能结合或将引领未来精准介入

作者:  贾海波   日期:2018/11/19 17:39:39

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美国当地时间11月10~12日,备受瞩目的2018年美国心脏协会(AHA)科学年会在芝加哥隆重举行,全球各地心血管领域的专家学者济济一堂,共享心血管病学的学术盛宴。本刊特邀哈尔滨医科大学附属第二医院、教育部心肌缺血重点实验室贾海波教授解读腔内影像相关亮点研究。

贾海波教授
哈尔滨医科大学附属第二医院、教育部心肌缺血重点实验室
 
  美国当地时间11月10~12日,备受瞩目的2018年美国心脏协会(AHA)科学年会在芝加哥隆重举行,全球各地心血管领域的专家学者济济一堂,共享心血管病学的学术盛宴。本刊特邀哈尔滨医科大学附属第二医院、教育部心肌缺血重点实验室贾海波教授解读腔内影像相关亮点研究。
 
  新型多模腔内成像以及腔内影像与人工智能技术结合也成为大会的一大亮点。来自哈佛大学麻省总医院的Guillermo J Tearney教授团队报道了题为“Assessment of Lipid Rich Plaque Containing Necrotic Core Using a Multi-Modality Near-Infrared Autofluorescence and Optical Coherence Tomography Imaging System”的研究。同日,韩国Sunwon Kim团队公布了题为Automated Assessment of High-Risk Coronary Plaques Using Fully Integrated Catheter-Based Label-Free Fluorescence Lifetime Imaging (FLIm)-Optical Coherence Tomography (OCT)”的研究。两项研究均集中在多模腔内影像系统的研发与应用领域,报道了两种不同的多模影像系统,Sunwon Kim更是将多模腔内影像与人工智能相结合,显示出广阔的临床应用前景。
 
  研究1:应用多模态OCT-NIRAF成像系统评估具有坏死核心的富脂质斑块
 
  光学相干断层成像系统(OCT)能够准确识别冠状动脉粥样硬化斑块的细微结构改变,发现易损斑块,指导和优化治疗策略,但由于其成像深度的限制,OCT无法对整个易损斑块成分进行成像。该研究应用多模态近红外自荧光(NIRAF)和OCT对含有坏死核心的富脂质斑块(LRP)进行评估并与病理尸检结果进行对比验证,旨在探讨多模OCT-NIRAF成像识别晚期LRP的可行性。
 
  Tearney团队成功研发了一种新的完全集成的OCT-NIRAF成像系统和导管,该系统可同时获取OCT和 NIRAF数据并实现两种影像的共定位融合匹配。研究人员应用该系统对5例尸检患者的13处冠状动脉节段进行OCT-NIRAF回撤成像及影像学分析。随后,利用已知的回撤距离以及OCT图像中观察到的钙结节和分叉等解剖标志特征,对成像节段进行H&E切片染色,共获得187个组织病理学切片,并通过解剖标志等将切片与相应的OCT-NIRAF图像进行共定位匹配。对切片进行组织病理学观察分析发现,一些LRP中存在具有含铁血黄素颗粒的区域,并且该区域基于导管的NIRAF信号显著高于没有含铁血黄素颗粒的区域。之后,对切片进行共聚焦NIRAF显微镜观察,同样发现高NIRAF信号区域与相应组织学切片中的含铁血黄素沉积有关。
 
  该研究表明,这一新研发的OCT-NIRAF成像系统和导管可用于鉴别具有含铁血黄素颗粒坏死核心的晚期LRP。未来,还需更多尸检研究来进一步验证该结论。
 
 
  研究2:通过全集成FLIm-OCT成像导管自动识别高危斑块
 
  人工智能、多学科交叉以及医工结合是近年来心血管影像研究的热点。机器学习可用于生物医学成像诊断领域,但其在冠状动脉内多模态成像中应用的可行性尚未报道。本研究旨在探讨一种全集成FLIm – OCT成像导管结合机器学习自动分析识别具有高危生物学特征的冠状动脉斑块的可行性。
 
  研究人员构建了一个全集成可同时检测动脉粥样硬化斑块形态学和生化组成的高速FLIm–OCT成像系统,并在活体动脉硬化猪模型中进行实验。在该成像系统中OCT可观察到冠状动脉的微结构,同时,多光谱FLIm可精确显示体内高危斑块的关键生化成分(脂质、巨噬细胞和纤维组织)的生命周期特征。研究发现,富含脂质的炎症斑块与纤维斑块的寿命值不同,而且,巨噬细胞富集区与脂质富集区存在显著差异。体外荧光寿命显微镜和免疫染色也证实了这一在体发现。该机器学习算法经多组OCT数据和免疫染色切片的训练,其在纤维斑块和高危斑块分类方面的准确性与专业的OCT图像分析人员相似。此外,研究结果显示,该算法系统具有区分脂质斑块、巨噬细胞以及混合斑块的能力。
 
  该双模无标记FLIm–OCT成像系统与基于机器学习的信号分析系统相结合可提供高分辨率的斑块成分和生化表征成像并且识别OCT无法准确区分的脂质斑块和巨噬细胞成分。这种高度智能的图像分析识别技术为识别冠状动脉中的高危斑块提供新的机会和可能。
 
 
  专家点评:
 
  目前,冠心病仍是导致我国居民死亡的首要病因,且未来10年我国冠心病患病及死亡人数仍将快速增长。研究表明,动脉粥样硬化(AS)斑块的组织成分以及结构特性决定其危险度且影响冠心病患者的预后。易损斑块破裂及血栓形成是急性冠状动脉事件发生的决定因素,因此,如何早期准确地识别高危易损斑块成为近年来的研究热点。无创血管成像技术分辨率低且组织特异性差,无法满足当前对易损斑块精确识别的需求。目前,临床上用于冠心病诊断的“金标准”冠状动脉造影只提供血管腔的二维轮廓信息,判断狭窄程度,无法实现对动脉管壁结构的准确判断,尤其是对AS斑块特征的评估。为弥补冠状动脉造影的上述不足,腔内影像技术应运而生且发展迅速。
 
  目前,多种腔内影像技术已用于AS斑块的研究和预后判断,如血管内超声(IVUS)和OCT等。OCT利用近红外光波进行成像,具有极高分辨率(6~15 ?m),能准确识别位于血管表面的细微结构改变,尤其对于大部分易损斑块的特征表现,包括活动性炎症、薄纤维帽和大的脂质核心、内膜撕裂和狭窄程度等,其分辨率可达5~20 ?m。正是由于其多优势,OCT已广泛应用于ACS斑块特征的腔内影像学评价,但OCT组织成像深度有限,对于脂质含量丰富的斑块,往往不能对整个斑块以及血管壁的成分进行成像。针对传统腔内影像技术的局限性,新型影像技术不断涌现,其中,包括近红外光谱技术(NIRS)、血管内光声成像(IVPA)、近红外荧光分子成像(NIRF)和荧光寿命成像(FLIM)等。新型影像技术有望突破传统成像技术的局限性,更加精准地评估AS的病理生理过程。
 
  另外,融合不同模态的成像设备和成像技术,实现取长补短和优势互补,从而更全面、更完整地获取AS易损斑块解剖结构水平、组织化学成分及微血管信息,达到AS易损斑块多层次、多水平的可视化效果,也是近年来血管腔内影像设备研发的热点领域。2017年哥伦比亚大学的Mintz教授在Lancet杂志发表论述指出,基于OCT的多模多功能成像是未来易损斑块腔内影像学发展的主要方向。到目前为止,基于 OCT 的多模成像评估易损斑块内细胞及分子成分尚处于研发阶段,未真正应用于临床实践。
 
  OCT能识别LRP,然而一些组织病理学相关研究表明,仅通过OCT无法对LRP进行充分有效评估。NIRF 是一种可临床转化的成像方法,能识别斑块炎症相关分子,大大提高对斑块进展和并发症风险的识别能力,可与 OCT 结构性成像方法取长补短,相互配合。2016年哈佛医学院的Tearney等,首次将OCT和NIRF融合于同一个腔内成像导管内,并在人颈动脉斑块标本中进行体外验证,大大增加该成像技术的临床实用性。此次,该团队在先前OCT-NIRF成像导管的基础上进行改进,研发出一种全新的OCT-NIRAF成像系统和导管并将其用于尸检LRP的检测,发现该系统可用于鉴别具有含铁血黄素颗粒坏死核心的晚期LRP,进一步增加该系统的临床应用前景。
 
  人工智能是21世纪的热点话题,其具有强大的数据整合、分析与判断能力,将人工智能与医生的诊疗经验相结合,可辅助医疗诊断、提高医疗效率,前景广阔。Sunwon Kim等,创造性的将机器学习与双模无标记FLIm–OCT成像系统相结合,该系统可以获得高分辨率的斑块成分和生化表征图像并对不同类型的斑块进行自动识别区分。此外,该系统可准确区分脂质斑块和巨噬细胞成分,弥补OCT单模态成像不足。这种高度智能的图像分析识别技术为高效识别高危易损斑块提供可能。同时,智能识别技术能帮助医生更快更准地读取患者的影像所见,有助于图像的规范识别及腔内影像技术的推广应用。
 
  这两项研究极具创新性及临床应用前景,是精准医疗在腔内影像领域的成功实践,经设备改进及验证未来应用于临床后,将对早期精准识别易损斑块、优化冠心病患者的治疗策略以及准确评估患者预后产生重要指导意义。
 
  专家及团队简介
 
 
  贾海波,教授,博士生导师,国家优青(2017 年)。现任哈医大二院心内科病房副主任。主要从事冠状动脉介入诊疗及血管内影像学和功能学研究。主要科研方向为动脉粥样硬化斑块的形成及进展机制,对急性冠状动脉综合征(ACS)病理生理发病机制有较深入的研究,长期专注于光学相干断层成像技术(OCT)对动脉粥样硬化斑块易损性及斑块进展的研究。2012年~2015年赴哈佛大学师从Ik-Kyung Jang教授专研腔内影像学。于2011年至今,师从我国著名心血管病专家于波教授,从事冠状动脉介入治疗及OCT的临床和基础应用。在国际上首次在体阐述ACS三大病理机制:斑块破裂,斑块侵蚀和钙化结节在OCT上的形态特征和诊断标准,研究结果发表于JACC杂志,引用率达300余次,研究结果写入国际权威心脏病学教材《Braunwald’s Heart Disease》第10版。
 
  目前,主持国家自然科学基金3项(共受资助209万),其中国家优秀青年基金1项(130万),作为课题骨干参与国家十三五重大专项课题2项。近五年发表SCI文章52篇(总影响因子351.6,单篇最高23.425),影响因子大于10分文章4篇。研究结果主要发表在J Am Coll Cardiol、European Heart Journal、Circ Cardiovasc Imaging、JACC Cardiovasc Interv等杂志上,并被Braunwald’s Heart Disease、Circulation、J Am Coll Cardiol、Nature Review、Circ Res等心血管领域内顶级杂志及专家共识多次引用。发表国际会议论文12篇。2017年,作为中国专家代表受邀参加欧洲腔内影像学专家共识的编写。同时担任多个国际会议主席团成员(TCT,ESC,ACC,C3,CIT)。获省部级科技进步奖4项(一等和二等奖各2项),入选2018年度第二届国家名医盛典“国之名医·青年新锐”、获2018年度第五届东方新星奖,获2016年度中国介入心脏病学大会青年医师研究奖(CIT-YIA)“一等奖”,获中国医师协会心血管并分会临床研究“未来之星”,2018年度哈医大五四青年奖章获得者。
 
  参与编著英文论著一部《Cardiovascular OCT Imaging》,中文论著2部。曾多次在国际学术会议上作报告及会议主持。现任Circulation Report 副主编、JACC Cardiovascular Intervention中文版编委,任Euro Hear J, JACC Cardiovascular Imaging, JACC Cardiovascular Intervention, ATVB, Eurointervention等10余部SCI杂志审稿人。
 
  学术兼职: 中国医师协会心血管分会青年委员;中国生物医学工程学会青年委员会副主任委员;CIT理事会成员;美国心脏病学学会专家会员(FACC);中华医学会心血管病学分会康复学组委员;黑龙江省医疗保健国际交流促进会青年工作委员会副主任委员;国家自然科学基金项目评审专家。
 

版面编辑:张冉  责任编辑:任琳琳


多模腔内影像

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