Количественная оценка поляризационных характеристик атеросклеротических бляшек коронарных артерий на разных стадиях развития

Цель исследования — разработка способа количественной оценки поляризационных свойств (двулучепреломления и кросс-рассеяния), проявляющихся на кросс-поляризационных ОКТ-изображениях (КП ОКТ) для характеристики стадий развития атеросклеротических бляшек и выявления среди них нестабильных.

Материалы и методы. Представлены результаты количественного анализа изображений семи стадий развития атеросклеротических бляшек ex vivo, полученных методом КП ОКТ. В качестве количественной характеристики КП ОКТ-изображений предложено вычисление интегрального фактора деполяризации (ИФД) и эффективного коэффициента двулучепреломления (Δn).

Результаты. Вычисление ИФД и Δn в локальной области интереса (интимы/фиброзной капсулы) показало статистически значимое отличие стабильных (IV стадия) и нестабильных (Va стадия) бляшек (0,46±0,21 против 0,09±0,04 для ИФД и (0,47±0,10)·10^–3 против (0,25±0,07)·10^–3 для Δn; p<0,05). Установлено, что значения Δn в диапазоне значений (0,22–0,29)·10^–3 (в пределах двух стандартных отклонений) указывают на низкое содержание высокоорганизованного коллагена в фиброзной капсуле нестабильной бляшки, что может свидетельствовать о ее склонности к разрыву. Мы полагаем, что такие изменения связаны с преобладанием в процессе воспаления в фиброзной капсуле нестабильной бляшки дезорганизованных волокон и наличием между ними скоплений пенистых клеток и клеток воспаления.

Заключение. Предложенный подход к количественной оценке КП ОКТ-изображений (вычисление ИФД и построение карт Δn) позволяет оценивать как кросс-рассеяние, так и двулучепреломление атеросклеротических бляшек на разных стадиях развития и более надежно определять степень их нестабильности.

1. Brezinski M.E., Tearney G.J., Weissman N.J., Boppart S.A., Bouma B.E., Hee M.R., Weyman A.E., Swanson E.A., Southern J.F., Fujimoto J.G. Assessing atherosclerotic plaque morphology: comparison of optical coherence tomography and high frequency intravascular ultrasound. Heart 1997; 77(5): 397–404, http://dx.doi.org/10.1136/hrt.77.5.397.
2. Fujimoto J.G., Boppart S.A., Tearney G.J., Bouma B.E., Pitris C., Brezinski M.E. High resolution in vivo intra-arterial imaging with optical coherence tomography. Heart 1999; 82(2): 128–133, http://dx.doi.org/10.1136/hrt.82.2.128.
3. Yabushita H., Bouma B.E., Houser S.L., Aretz H.T., Jang I.K., Schlendorf K.H., Kauffman C.R., Shishkov M., Kang D.H., Halpern E.F., Tearney G.J. Characterization of human atherosclerosis by optical coherence tomography. Circulation 2002; 106(13): 1640–1645, http://dx.doi.org/10.1161/01.CIR.0000029927.92825.F6.
4. Jang I.K., Bouma B.E., Kang D.H., Park S.J., Park S.W., Seung K.B., Choi K.B., Shishkov M., Schlendorf K., Pomerantsev E., Houser S.L., Aretz H.T., Tearney G.J. Visualization of coronary atherosclerotic plaques in patients using optical coherence tomography: сomparison with intravascular ultrasound. J Am Coll Cardiol 2002; 39(4): 604–609, http://dx.doi.org/10.1016/s0735-1097(01)01799-5.
5. Stamper D., Weissman N.J., Brezinski M. Plaque characterization with optical coherence tomography. J Am Coll Cardiol 2006; 47(8): C69–C79, http://dx.doi.org/10.1016/j.jacc.2005.10.067.
6. Brezinski M.E. Optical coherence tomography for identifying of unstable coronary plaque. Int J Cardiol 2006; 107(2): 159–170, http://dx.doi.org/10.1016/j.ijcard.2005.07.066.
7. Tearney G.J., Yabushita H., Houser S.L., Aretz H.T., Jang I.K., Schlendorf K.H., Kauffman C.R., Shishkov M., Halpern E.F., Bouma B.E. Quantification of macrophage content in atherosclerotic plaques by optical coherence tomography. Circulation 2003; 107(1): 113–119, http://dx.doi.org/10.1161/01.cir.0000044384.41037.43.
8. Tearney G.J., Jang I.K., Bouma B.Е. Optical coherence tomography for imaging the vulnerable plaque. J Biomed Opt 2006; 11(2): 021002, http://dx.doi.org/10.1117/1.2192697.
9. Kubo T., Xu C., Wang Z., Ditzhuijzen N.S., Bezerra H.G. Plaque and thrombus evaluation by optical coherence tomography. Int J Cardiovasc Imaging 2011; 27(2): 289–298, http://dx.doi.org/10.1007/s10554-010-9790-1.
10. Flueraru C., Popescu D.P., Mao Y., Chang S., Sowa M.G., Vitkin A. Improved arterial tissue differentiation by spectroscopic optical coherence tomography. Sovremennye tehnologii v medicine 2015; 7(1): 13–20, http://dx.doi.org/10.17691/stm2015.7.1.02.
11. Nadkami S.K., Pierce M.C., Park B.H., de Boer J.F., Whittaker P., Bouma B.E., Bressner J.E., Halpern E., Houser S.L., Tearney G.J. Measurement of collagen and smooth muscle cell content in atherosclerotic plaques using polarization-sensitive optical coherence tomography. J Am Coll Cardiol 2007; 49(13): 1474–1481, http://dx.doi.org/10.1016/j.jacc.2006.11.040.
12. de Boer J.F., Milner T.E., van Gemert M.J.C., Nelson J.S. Two dimensional birefringence imaging in biological tissue by polarization-sensitive optical coherence tomography. Opt Lett 1997; 22(12): 934–936, http://dx.doi.org/10.1364/ol.22.000934.
13. Lim Y., Yamanari M., Fukuda S., Kaji Y., Kiuchi T., Miura M., Oshika T., Yasuno Y. Birefringence measurement of cornea and anterior segment by office-based polarizationsensitive optical coherence tomography. Biomed Opt Express 2011; 2(8): 2392–2402, http://dx.doi.org/10.1364/boe.2.002392.
14. Liu B., Harman M., Giattina S. Characterizing of tissue microstructure with single-detector polarization-sensitive optical coherence tomography. Appl Opt 2006; 45(18): 4464–4479, http://dx.doi.org/10.1364/ao.45.004464.
15. Giattina S.D., Courtney B.K., Herz P.R., Harman M., Shortkroff S., Stamper D.L., Liu B., Fujimoto J.G., Brezinski M.E. Assessment of coronary plaque collagen with polarization sensitive optical coherence tomography (PS-OCT). Int J Cardiol 2006; 107(3): 400–409, http://dx.doi.org/10.1016/j.ijcard.2005.11.036.
16. Nadkarni S., Pierce M., Park H., deBoer J., Houser S., Bressner J., Bouma B., Tearney G. Polarization-sensitive optical coherence tomography for the analysis of collagen content in atherosclerotic plaques. Circulation 2005; 112(17): U679–U679.
17. Kuo W.-C., Chou N.K., Chou C., Lai C.M., Huang H.J., Wang S.S., Shyu J.J. Polarization-sensitive optical coherence tomography for imaging human atherosclerosis. Appl Opt 2007; 46(13): 2520–2527, http://dx.doi.org/10.1364/ao.46.002520.
18. Kuo W.-C., Hsiung M.-W., Shyu J.-J., Chou N.-K., Yang P.-N. Assessment of arterial characteristics in human atherosclerosis by extracting optical properties from polarization-sensitive optical coherence tomography. Opt Express 2008; 16(11): 8117–8125, http://dx.doi.org/10.1364/oe.16.008117.
19. Gelikonov V.M., Gelikonov G.V. New approach to cross-polarized optical coherence tomography based on orthogonal arbitrarily polarized modes. Laser Physics Letters 2006; 3(9): 445–451, http://dx.doi.org/10.1002/lapl.200610030.
20. de Boer J.F., Srinivas S.M., Nelson J.S., Milner T.E., Ducros M.G. Polarization-sensitive optical coherence tomography. In: Handbook of optical coherence tomography. Bouma B.E., Tearney G.J. (editors). CRC Press 2001; p. 237–274, http://dx.doi.org/10.1201/b14024-10.
21. Kuranov R.V., Sapozhnikova V.V., Turchin I.V., Zagainova E.V., Gelikonov V.M., Kamensky V.A., Snopova L.B., Prodanetz N.N. Complementary use of cross-polarization and standard OCT for differential diagnosis of pathological tissues. Opt Express 2002; 10(15): 707–713, http://dx.doi.org/10.1364/OE.10.000707.
22. Gubarkova E.V., Dudenkova V.V., Feldchtein F.I., Timofeeva L.B., Kiseleva E.B., Kuznetsov S.S., Shakhov B.E., Moiseev A.A., Gelikonov G.V., Vitkin A., Gladkova N.D. Multi-modal optical imaging characterization of atherosclerotic plaques. J Biophotonics 2015; accepted for publication 04.11.15.
23. Kiseleva Е., Kirillin M., Feldchtein F., Vitkin A., Sergeeva E., Zagaynova E., Streltzova O., Shakhov B., Gubarkova E., Gladkova N. Differential diagnosis of human bladder mucosa pathologies in vivo with cross-polarization optical coherence tomography. Biomed Opt Express 2015; 6(4): 1464–1476, http://dx.doi.org/10.1364/BOE.6.001464.
24. Gladkova N., Kiseleva E., Robakidze N., Balalaeva I., Karabut M., Gubarkova E., Feldchtein F. Evaluation of oral mucosa collagen condition with cross-polarization optical coherence tomography. J Biophotonics 2013; 6(4): 321–329, http://dx.doi.org/10.1002/jbio.201200059.
25. Gelikonov V., Gelikonov G., Shilyagin P. Optimization of Fizeau-based optical coherence tomography with a reference Michelson interferometer. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics 2008; 72(1): 93–97.
26. Gelikonov V.M., Gelikonov G.V., Shilyagin P.A. Linear-wavenumber spectrometer for high-speed spectral-domain optical coherence tomography. Opt Spectrosc 2009; 106(3): 459–465, http://dx.doi.org/10.1134/s0030400x09030242.
27. Moiseev A.A., Gelikonov G.V., Terpelov D.A., Shilyagin P.A., Gelikonov V.M. Noniterative method of reconstruction optical coherence tomography images with improved lateral resolution in semitransparent media. Laser Physics Letters 2013; 10(12): 125601, http://dx.doi.org/10.1088/1612-2011/10/12/125601.
28. Stary H.C., Chandler A.B., Dinsmore R.E., Fuster V., Glagov S., Insull W.J., Rosenfeld M.E., Schwartz C.J., Wagner W.D., Wissler R.W. A definition of advanced types of atherosclerotic lesions and a histological classification of atherosclerosis: a report from the Committee on Vascular Lesions of the Council on Arteriosclerosis, American Heart Association. Arterioscler Thromb Vasc Biol 1995; 15(9): 1512–1531, http://dx.doi.org/10.1161/01.atv.15.9.1512.
29. Virmаni R., Kolodgie Р.D., Burke А.Р., Farb A., Schwartz S.M. Lessons from sudden coronary death: a comprehensive morphological classification scheme for atherosclerotic lesions. Arterioscler Thromb Vasc Biol 2000; 20(5): 1262–1275, http://dx.doi.org/10.1161/01.atv.20.5.1262.
30. Рагино Ю.И., Волков А.М., Чернявский А.М. Стадии развития атеросклеротического очага и типы нестабильных бляшек — патофизиологическая и гистологическая ха­рактеристика. Российский кардиологический журнал 2013; 5(103): 88–95.
31. Киселева Е.Б., Гладкова Н.Д., Сергеева Е.А., Ки­риллин М.Ю., Губарькова Е.В., Карабут М.М., Балалаева И.В., Стрельцова О.С., Робакидзе Н.С., Масленникова А.В., Кочуева М.В. Способ оценки функционального состояния коллагенсодержащих тканей. Заявка на изобретение №2013135571 от 29.07.2013.
32. Gubarkova Е.V., Kirillin М.Yu., Sergeeva E.A., Kiseleva Е.B., Snopova L.B., Prodanets N.N., Sharabrin Е.G., Shakhov Е.B., Nemirova S.V., Gladkova N.D. Cross-polarization optical coherence tomography in evaluation of atherosclerotic plaque structure. Sovremennye tehnologii v medicine 2013; 5(4): 45–55.
33. Kuo W.-C. Polarization-sensitive optical coherence tomography in cardiology. In: Advances in lasers and electro optics. InTech; 2010, http://dx.doi.org/10.5772/8660.
34. Tearney G.J., Regar E., Akasaka T., Adriaenssens T., Barlis P., Bezerra H.G., Bouma B., Bruining N., Cho J.-m., Chowdhary S., Costa M.A., de Silva R., Dijkstra J., Di Mario C., Dudeck D., Falk E., Feldman M.D., Fitzgerald P., Garcia H., Gonzalo N., Granada J.F., Guagliumi G., Holm N.R., Honda Y., Ikeno F., Kawasaki M., Kochman J., Koltowski L., Kubo T., Kume T., Kyono H., Lam C.C.S., Lamouche G., Lee D.P., Leon M.B., Maehara A., Manfrini O., Mintz G.S., Mizuno K., Morel M.-a., Nadkarni S., Okura H., Otake H., Pietrasik A., Prati F., Räber L., Radu M.D., Rieber J., Riga M., Rollins A., Rosenberg M., Sirbu V., Serruys P.W.J.C., Shimada K., Shinke T., Shite J., Siegel E., Sonada S., Suter M., Takarada S., Tanaka A., Terashima M., Troels T., Uemura S., Ughi G.J., van Beusekom H.M.M., van der Steen A.F.W., van Es G.-A., van Soest G., Virmani R., Waxman S., Weissman N.J., Weisz G. Consensus standards for acquisition, measurement, and reporting of intravascular optical coherence tomography studies. A report from the International Working Group for Intravascular Optical Coherence Tomography Standardization and Validation. J Am Coll Cardiol 2012; 59(12): 1058–1072, http://dx.doi.org/10.1016/j.jacc.2011.09.079.
35. Virmani R., Burke А.Р., Farb А., Kolodgie Р.D. Pathology оf unstable plaque. Prog Cardiovasc Dis 2002; 44(5): 349–356, http://dx.doi.org/10.1053/pcad.2002.122475.

Gubarkova E.V., Kiseleva E.B., Kirillin M.Yu., Timofeeva L.B., Kuznetsov S.S., Feldchtein F.I., Gladkova N.D. Quantitative Evaluation of the Polarization Characteristics of Coronary Arteries Atherosclerotic Plaques at Different Development Stages. Sovremennye tehnologii v medicine 2015; 7(4): 39, https://doi.org/10.17691/stm2015.7.4.05