光學(xué)相干斷層掃描血管造影術(shù)（OCTA）是一種新興的成像技術(shù)，能夠無(wú)標(biāo)記地可視化微循環(huán)。然而其成像深度的不足限制了其在皮膚病學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。新設(shè)計(jì)的用于皮膚光學(xué)成像的光透明劑（optical clearing agent, OCA）顯示出可增強(qiáng)OCT成像深度的潛力。因此中國(guó)研究人員Yidi Liu等研究了這種OCA是否能夠提高OCTA在健康人體皮膚中的成像能力，以及OCA和OCTA的組合是否有利于比較葡萄酒色斑患者（PWS）的病變和對(duì)側(cè)正常皮膚。發(fā)現(xiàn)這種新的OCA在增加OCTA成像穿透深度上效果非常好，可使對(duì)人體皮膚的穿透深度增加約0.16±0.03mm。且用去角質(zhì)霜或醫(yī)用膠帶剝離對(duì)角質(zhì)層進(jìn)行預(yù)處理并不會(huì)進(jìn)一步提高OCA的穿透功效。此外根據(jù)對(duì)該增強(qiáng)OCTA圖像的綜合分析發(fā)現(xiàn)，PWS病變皮膚深層（0.21mm以上）的血管密度和血管直徑通常比對(duì)側(cè)正常皮膚更大。證明了該OCA穿透增強(qiáng)型OCTA的臨床價(jià)值。研究成果以“Penetration-enhanced optical coherence tomography angiography with opticalclearing agent for clinical evaluation of human skin”為題發(fā)表于Photodiagnosis and Photodynamic Therapy。

  背景

 光學(xué)相干斷層掃描血管造影術(shù)（OCTA）是一種新興的強(qiáng)大成像方式，它是一種無(wú)標(biāo)記技術(shù)，能夠通過(guò)提取源自流動(dòng)紅細(xì)胞的動(dòng)態(tài)信號(hào)來(lái)可視化活組織中的微循環(huán)信息。OCTA在眼科領(lǐng)域的臨床應(yīng)用非常完善，并在各種視網(wǎng)膜疾病的診斷和監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著重要作用。最近研究顯示OCTA在其他生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也有巨大應(yīng)用潛力，如皮膚病學(xué)、神經(jīng)學(xué)和牙科。其中皮膚是人體最大的器官，是保護(hù)皮膚免受有害化學(xué)物質(zhì)和病原體侵害的重要屏障。皮膚功能紊亂可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的疾病，大大降低患者生活質(zhì)量。

 葡萄酒色斑（PWS）是一種先天性進(jìn)行性疾病，由血管畸形引起，可導(dǎo)致皮膚變色，人群中發(fā)病率在0.3%-0.5%之間。PWS可以出現(xiàn)在身體的任何部位，但主要出現(xiàn)在面部，可能會(huì)對(duì)患者的外貌和心理發(fā)展產(chǎn)生較嚴(yán)重的損害。光動(dòng)力療法（photodynamics therapy, PDT）是目前公認(rèn)的PWS治療方法。然而一些PWS患者中可能存在畸形毛細(xì)血管較深人眼很難觀察到的情況，因而對(duì)光動(dòng)力療法的敏感性相對(duì)較低。OCTA的應(yīng)用已經(jīng)從視網(wǎng)膜疾病的診斷擴(kuò)展到各種皮膚病的評(píng)估中，如銀屑病、硬皮病、創(chuàng)傷和基底細(xì)胞癌。以前也有一些研究使用光學(xué)相干斷層掃描（OCT）表征過(guò)PWS。然而早期的OCT性能和血管造影算法有限，無(wú)法提供高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)和血管圖像以進(jìn)行綜合評(píng)估。隨著算法、光源、檢測(cè)和掃描協(xié)議的進(jìn)步，OCTA技術(shù)得到了極大改進(jìn)，使得它有望用于PWS的臨床診斷，幫助醫(yī)生優(yōu)化PDT的治療方案。

 與眼科中自然透明的眼睛不同，皮膚存在很強(qiáng)的光散射，致使OCTA在皮膚病學(xué)中的穿透性大大降低，限制了它皮膚病學(xué)中的應(yīng)用。Tuchin等人提出了一種光透明技術(shù)的概念，將組織浸入光透明劑（OCA）中來(lái)提高光的穿透深度。通過(guò)使用具有高折射率和高滲性的生物相容性化學(xué)試劑來(lái)匹配組織的折射率，光透明技術(shù)可以減少光的散射并增強(qiáng)光學(xué)成像的穿透深度。已經(jīng)有不同類型的OCA開(kāi)發(fā)出來(lái)，提高了各種光學(xué)技術(shù)的成像能力如OCT，流式細(xì)胞術(shù)，光聲顯微術(shù)和激光散斑對(duì)比成像。最近X. Wen等報(bào)道了一種適合皮膚特性的新型OCA，不同于其他對(duì)活組織有毒或有害的OCA，這種新型OCA含有的高效試劑不僅具有生物安全性，還可增強(qiáng)體內(nèi)光學(xué)成像性能。使用嚙齒類動(dòng)物模型進(jìn)行的研究也證明了這種OCA的安全性和能力，能夠大大增強(qiáng)光學(xué)成像對(duì)大鼠背部皮下血管的可視化效果，同時(shí)不影響皮膚中的血流。施用OCA的皮膚在生理鹽水處理后也很快恢復(fù)，反復(fù)使用對(duì)皮膚無(wú)副作用。在動(dòng)物皮膚體內(nèi)成像的光透明效果方面，這種OCA是表現(xiàn)最好的。然而還沒(méi)有研究將這種OCA應(yīng)用于人類皮膚。研究這種OCA在改善人類皮膚病OCTA效果中的表現(xiàn)，對(duì)臨床皮膚病學(xué)有很大意義。

 本研究使用光源中心波長(zhǎng)1325nm，半峰全寬100nm的頻域OCTA系統(tǒng)（圖1），探究了OCA在光學(xué)成像中的有效性，并將OCTA和OCA技術(shù)結(jié)合用于人體皮膚評(píng)估中。通過(guò)觀察和分析這種OCA穿透增強(qiáng)的OCTA在健康志愿者和PWS患者中獲得結(jié)構(gòu)和脈管系統(tǒng)，將OCTA和OCA技術(shù)從科學(xué)研究轉(zhuǎn)化為臨床實(shí)踐。

 

 

圖1 本研究所用OCTA系統(tǒng)示意圖。

 

圖2 健康志愿者手背皮膚的掃描區(qū)域和處理步驟。

 

結(jié)果
 

01-OCTA增強(qiáng)方法的比較與分析
 首先研究OCA對(duì)OCTA成像性能的增強(qiáng)效果。對(duì)于健康參與者，測(cè)試了與面部皮膚具有相同結(jié)構(gòu)信息的手背皮膚。在OCA施用15min后，OCT/OCTA圖像的整體亮度得到改善，使得皮膚細(xì)節(jié)更加明顯。正面OCTA圖像中血管也更加清晰（圖3 a1，a2）。使用OCA后角質(zhì)層沒(méi)有高反射，此外由于光線的深度穿透，可以清楚地看到深層真皮層中的血管（白色箭頭）。為進(jìn)一步定量評(píng)估圖像質(zhì)量改善情況，對(duì)圖3a1和a2中所有像素的灰度值分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析（圖3a5）。兩條曲線在低亮度噪聲區(qū)域（灰度值< 20的區(qū)域）基本重合。使用OCA后，灰度值< 100的像素的比率較小，而灰度值> 100的像素的比率明顯比未處理皮膚中的比率大。OCA在不改變圖像噪聲水平的情況下，增加了高灰度值的像素?cái)?shù)，從而有效提高了圖像的信噪比。此外如圖3a6所示，在施用OCA后，最高的光強(qiáng)度出現(xiàn)在皮膚的較深位置，表明OCA能夠增強(qiáng)1.3 μm左右光源對(duì)人皮膚的穿透深度。

 

 

圖3 （a1-a2）深度彩色編碼的正面血管圖像和（a3-a4）橫斷面結(jié)構(gòu)圖像。（a5）施用OCA前后的正面血管圖像中比率對(duì)灰度值的曲線，以及（a6）OCT強(qiáng)度對(duì)深度位置的曲線。
 

為驗(yàn)證皮膚角質(zhì)層的存在是否干擾OCA的功能，比較單獨(dú)使用OCA與結(jié)合預(yù)處理和OCA的效果。有圖4為去角質(zhì)霜（Exf）預(yù)處理、醫(yī)用膠帶剝離（Tap）處理及與OCA組合施用的效果。僅使用去角質(zhì)霜或醫(yī)用膠帶剝離，OCTA圖像中對(duì)比度和亮度超過(guò)100的像素?cái)?shù)略有提高（圖4a1-a2、b1-b2、a4和b4）。添加OCA后，這些參數(shù)得到了顯著提高（圖4a3、b3、a4和b4）。紅色方框處可清楚地顯示對(duì)人手背皮膚中血管的成像差異。在施用去角質(zhì)霜或醫(yī)用膠帶剝離并添加OCA后，OCTA圖像達(dá)到最佳性能，顯示了OCA的強(qiáng)大實(shí)力。



 

 

圖4 （a1-a3，b1-b3）OCTA系統(tǒng)獲得的正面血管圖像。（a4，b4）每次處理前后的比率對(duì)灰度值曲線。

 

為進(jìn)一步量化和分析上述不同OCTA增強(qiáng)方法的效果，在5名健康志愿者中重復(fù)了相同的測(cè)量。如圖5a所示，與不使用OCA相比，使用OCA時(shí)平均OCTA成像深度增加了0.16±0.03mm。性能有顯著差異（P < 0.05），證明OCA通過(guò)增加對(duì)皮膚的穿透性極大地改善了1.3 μm光源OCTA系統(tǒng)的成像模式。而圖5b中兩組之間沒(méi)有顯著差異（P > 0.05），表明用去角質(zhì)霜或醫(yī)用膠帶剝離進(jìn)行預(yù)處理不會(huì)進(jìn)一步提高OCA的效果。因此僅應(yīng)用OCA就足以提供最佳的OCTA成像性能，對(duì)臨床應(yīng)用來(lái)講簡(jiǎn)單且實(shí)用。

 

02-OCA在PWS患者OCTA成像中的應(yīng)用
 

將OCA應(yīng)用于PWS患者的病灶和對(duì)側(cè)正常皮膚進(jìn)行臨床評(píng)價(jià)。三個(gè)病例中，病變分別在臉頰、太陽(yáng)穴和口腔上方。選擇PWS病變的對(duì)側(cè)正常皮膚作為健康對(duì)照。在OCA處理下，由OCTA系統(tǒng)捕獲對(duì)側(cè)正常和病變區(qū)域的圖像（圖6）�？汕宄�地觀察到正常和病變區(qū)域的血管。PWS病變皮膚中的血管比正常區(qū)域中的血管相對(duì)更大且更彎曲。計(jì)算三層皮膚中血管的密度（表1）和平均直徑（表2）。發(fā)現(xiàn)與對(duì)側(cè)正常皮膚相比，PWS病變的皮膚在更深層（> 0.21 mm）具有更高的血管密度。此外，PWS病變的血管平均直徑大于對(duì)側(cè)正常區(qū)域（表2）。這些結(jié)果證明了OCTA系統(tǒng)與OCA技術(shù)相結(jié)合的能力，可以在沒(méi)有標(biāo)記的情況下對(duì)正常區(qū)域和PWS區(qū)域之間的差異進(jìn)行體內(nèi)可視化和分析，這為醫(yī)生的臨床診斷和優(yōu)化治療計(jì)劃提供了更多細(xì)節(jié)。

 

 

圖6 PWS患者圖像、病變區(qū)和對(duì)側(cè)正常區(qū)的正面OCTA圖像。紅色框?yàn)?nbsp;OCTA成像的病變區(qū)域。

 

 

 

結(jié)論

 本文研究了在人體皮膚中應(yīng)用一種新的OCA的優(yōu)點(diǎn)和臨床價(jià)值。展示了OCA對(duì)1.3 μm光源OCTA系統(tǒng)穿透深度的影響，驗(yàn)證了OCA可以改善OCTA成像的深度和對(duì)比度，并對(duì)增強(qiáng)效果進(jìn)行了量化。首次將OCA與OCTA技術(shù)相結(jié)合，對(duì)PWS患者病變血管進(jìn)行了深度可視化研究。獲得的這些成果突出了OCA和OCTA技術(shù)的巨大潛力及其在PWS病變?cè)\斷中的貢獻(xiàn)。進(jìn)一步研究可考慮治療領(lǐng)域中廣泛使用的532nm、630nm和980nm光源。此外本研究只有三名PWS患者參與，不足以進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，未來(lái)需要對(duì)更多的參與者進(jìn)行進(jìn)一步研究。同時(shí)更強(qiáng)大的OCA也有望進(jìn)一步提高OCTA及其他臨床光學(xué)成像模式的成像能力。

  參考文獻(xiàn)：Yl, A , et al. "Penetration-enhanced optical coherence tomography angiography with optical clearing agent for clinical evaluation of human skin - ScienceDirect." Photodiagnosis and Photodynamic Therapy 30.