显微血管吻合手术术中实时评估系统的设计与研发：基于傅里叶频域多普勒光学相干层析成像手持探头

Vascular anastomosis is considered to be the foundation of plastic and reconstructive surgery. All tissue or organ transplantation requires vascular anastomosis, such as finger reconstruction and vessel transplantation. The difficulty of the surgery increases with the decreasing of vessel diameter. For example microvascular anastomosis for vessels with diameter less than 1 mm and super microvascular anastomosis for vessels with diameter less than 0.5 mm have always been a challenge clinically. Nowadays there is a strong demand for an intraoperative surgical evaluation tool that can help the surgeons assess the quality of anastomosis and predict the long term surgical outcome objectively and reliably. Fourier domain Doppler optical coherence tomography is a real-time high resolution 3D imaging modality that can provide both structure and flow information of the vessels non-invasively. In this proposal, we will design and fabricate a compact miniature handheld probe that is convenient for surgeons to use during surgery. We propose to increase the image penetration depth of OCT system through angular compounding. We will also perform automatic segmentation of the vessel tunnel and thrombosis region using the Doppler flow information. In the end we will build and optimize an intelligent numerical model that can simulate the long-term surgical outcome as a predication based on the parameters we measure objectively, which include blood flow speed, 3D vessel tunnel and thrombosis structure.

血管吻合手术是整形外科手术的基石，所有组织器官的游离移植都需要血管吻合，比如断指修复、血管移植等。吻合手术的难度随着血管直径的减小而上升，如外径小于1毫米的显微血管缝合以及小于0.5毫米的超显微手术一直是临床技术的难点。如今临床亟需一种客观可靠的在术中就能够辅助医生预判血管吻合手术长期成功率的评估工具。傅里叶频域多普勒光学相干层析成像术是一种高分辨率实时无损伤成像系统，在提供血管结构信息的同时还能提供血管内的血流速度。本课题将设计和制造一个方便临床使用的紧凑便携式手持成像探头，通过对血管多角度成像再配准的方法提高血管成像深度，利用多普勒血流信号将血流通道和血栓三维信息进行自动化分割。最后通过建立和完善一个基于血流速度、血流通道以及血栓三维结构信息的计算机数值模型来模拟预测手术的长期成功率，以达到客观信息的整合与手术成功率的准确评估。

血管吻合手术也即通过手术的方法使两根血管内通道实现对接是整形修复手术的基石，所有的组织器官的游离移植都需要血管吻合。血管缝合手术需要高度的技巧和训练，尤其是对于尺寸比较小的血管。显微血管吻合是指血管的外径小于1 毫米。血管缝合过程复杂而又易错，吻合后血流流速异常、血管通道狭窄以及血栓形成等问题是影响手术长期成功率的重要因素。手术显微镜下医生单凭肉眼和个人经验是无法客观而又全面地考察以上几个影响手术成功的重要因素的。临床亟需一种能够在手术过程中辅助医生预判血管吻合手术长期成功率的工具。理想的评估工具应该具有客观、直接、无损伤、可靠、简单并且成本效益好的优良特点。.光学相干层析术是一种成熟的无损伤的光学成像技术，能够对生物软组织样品进行高速高分辨率（微米量级）的三维成像。本项目围绕显微血管（外径小于1 毫米）吻合手术的光学相干层析成像术中评估展，主要研究临床便携式手持探头研发与优化，血管成像深度的拓展，客观信息的自动化分析和整合以及高速成像系统的研发和成像中运动伪影的去除。. 项目通过引入MEMS微振镜及三视场协同扫描的方法设计并研制了便携式手持成像探头。该探头可以有效地拓宽血管成像深度到单视场的两倍。与此同时配合成像探头设计与优化了血管载物适配器，消除成像过程中血管相对于手持探头的运动，从而降低了系统对成像速度的要求以及解决了运动伪影问题。服务于客观信息的自动化分析与整合，项目开发了自适应各项异性扩散去噪算法以提升多普勒图像的信噪比，开发了鲁棒性强的针对多普勒血流测速过程中流速过快引起的相位越界问题的正确相位重建算法，同时开发了自动化的血管壁以及血流通道的分割算法。最后，基于血管以及血栓的真实三维结构探索采用计算流体力学方法引入相对停留时间和震荡剪切指数等评价指标评估手术效果。本项目的研究成果将进一步推动光学相干层析技术在血管缝合评估领域的临床转化。