Quant Imaging Med Surg：OCTA可用于監(jiān)測人體皮膚傷口的愈合情況

在皮膚創(chuàng)傷愈合過程中存在一系列復(fù)雜的級聯(lián)事件，對這些事件進(jìn)行體內(nèi)成像是一項困難但重要的任務(wù)。目前的技術(shù)侵入性較強(qiáng)，或者對血管和結(jié)構(gòu)的分辨率無法達(dá)到精確評估、監(jiān)測和治療所需的細(xì)節(jié)水平。為解決以上問題，研究人員Anthony J. Deegan等使用一個臨床原型OCTA系統(tǒng)，成像、識別并跟蹤了燒傷傷口愈合過程中，關(guān)鍵的血管和結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性變化。測量了特定的血管參數(shù)，如直徑和密度，從時間和空間角度確定了多個不同但重疊的傷口愈合階段，并證明了皮膚創(chuàng)傷愈合多因素過程中的詳細(xì)血管化和解剖屬性。證明了OCT在臨床創(chuàng)傷研究中的適用性。文章以“Optical coherence tomography angiography monitors human cutaneous woundhealing over time”為題發(fā)表于Quant Imaging Med Surg。

 背景
 

在皮膚創(chuàng)傷，如燒傷、慢性皮膚潰瘍和手術(shù)創(chuàng)傷等的治療中，準(zhǔn)確評估創(chuàng)傷情況對于制定有效的治療計劃至關(guān)重要。無論是誤診、治療受阻或效果不佳，都可能會增加結(jié)疤或感染風(fēng)險，導(dǎo)致發(fā)病甚至死亡。傷口愈合過程是一系列高度協(xié)調(diào)的級聯(lián)事件，涉及多種細(xì)胞類型、生物活性分子和細(xì)胞外基質(zhì)蛋白，形成四個不同但重疊的階段：止血、炎癥、增殖和重塑。已知皮膚的微血管系統(tǒng)在傷口愈合的各個階段都起著關(guān)鍵作用，它們調(diào)節(jié)血液流動和組織灌注，促進(jìn)氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的輸送，并支持肉芽組織的形成。因此，識別和準(zhǔn)確評估每個階段的特征性血管變化，并將它們與結(jié)構(gòu)變化相關(guān)聯(lián)，可以為傷口愈合評估提供堅實基礎(chǔ)。
 

評估傷口愈合一般通過視覺觀察和表面測量來進(jìn)行，如監(jiān)測傷口的大小、顏色、氣味、引流和焦痂。然而這種測量僅限于皮膚表面，對于醫(yī)療專業(yè)人員的經(jīng)驗、傷口狀況和治療史依賴非常嚴(yán)重。Vancouver瘢痕量表和Manchester瘢痕量表等可以量化傷口評估結(jié)果，但也有明顯的主觀性缺陷。目前活組織檢查的客觀評估效果最好，但會導(dǎo)致進(jìn)一步的組織破壞，增加感染風(fēng)險。隨著技術(shù)的發(fā)展，磁共振成像（MRI）、超聲成像、熒光成像、偏振敏感光學(xué)相干斷層掃描（PS-OCT）以及激光多普勒血流測量（LDF）和灌注成像等，也已經(jīng)探索用于評估傷口愈合，特別是燒傷傷口。然而也都存在一定的缺點(diǎn)，如LDF，雖然它是最常用的非侵入性成像技術(shù)，但它對不同傷口情況的敏感性不足，且缺乏三維（3D）成像能力，限制了它在臨床上的應(yīng)用。
 

近年來，光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)（OCT）廣泛用于眼科領(lǐng)域，而技術(shù)的進(jìn)步，如改進(jìn)激光源提高分辨率、使用相位信息提高靈敏度、加快掃描速度、擴(kuò)大視野等，使得OCT在皮膚科應(yīng)用成為可能。例如關(guān)于皮膚修復(fù)或再生，OCT結(jié)合其他技術(shù)，如多光子顯微術(shù)和組織病理學(xué)，已經(jīng)實現(xiàn)了監(jiān)測小鼠和工程皮膚等效組織模型中的傷口愈合，以及皮膚替代物輔助的傷口愈合期間的疤痕形成。此外OCT也能夠通過測量燒傷深度來確定燒傷嚴(yán)重程度，臨床也有研究證明了OCT在這方面的適用性。在燒傷處理中，第二度燒傷的治療通常較復(fù)雜，必須等待評估傷口是否能夠自主愈合，然后才能決定是否進(jìn)行植皮等手術(shù)干預(yù)，這意味著感染的機(jī)會增加。OCT能夠幫助對燒傷嚴(yán)重程度進(jìn)行早期評估，無需等待愈合跡象，從而加速治療和恢復(fù)。
 

此外，對OCT可利用移動的紅細(xì)胞的散射特性來識別組織內(nèi)的功能性血管，構(gòu)建了基于OCT的血管造影術(shù)，即OCTA技術(shù)。其中光學(xué)微血管造影術(shù)（OMAG）具有較高的靈敏度，且已成功用于小動物模型和人體組織如皮膚和眼睛的功能性血管可視化。OMAG對組織床內(nèi)動態(tài)血液灌注成像的發(fā)展被譽(yù)為傳統(tǒng)OCT最重要的擴(kuò)展之一，并已成功轉(zhuǎn)化用于臨床眼科成像。本文提出了一個臨床原型OMAG系統(tǒng)，它是專門為皮膚病應(yīng)用設(shè)計的，用于高分辨率監(jiān)測健康皮膚傷口愈合過程中的微循環(huán)和結(jié)構(gòu)特征。
 

 

圖1 臨床原型OCT系統(tǒng)以及成像和數(shù)據(jù)收集步驟。（A）臨床原型swept-source OCTA系統(tǒng)。（B）傷口的OCTA 3D體積式掃描結(jié)果。（C）從體積式掃描結(jié)果獲得的血管數(shù)據(jù)。（D）截面B-frame圖像，基于表皮和真皮層的特征，將OCTA體積式圖像分成三部分，分別代表乳頭狀真皮層（265–530 μm）、下乳頭狀/上網(wǎng)狀真皮層（530–795 μm）和網(wǎng)狀真皮層（795–1200 μm）。

 

結(jié)果
 

01-不同時間的血管特征
 

圖3為同一個傷口44天的成像結(jié)果總結(jié)。左側(cè)欄為正常對照皮膚。可見正常皮膚中，脈管分布均勻（圖3A），截面B-frame中也可見相對均勻的脈管分布和結(jié)構(gòu)，此外血管直徑如預(yù)期隨深度增加（圖3K）。

 

 

圖3 MINP正面投影的全體積掃描顯示正常和愈合中皮膚的血管和結(jié)構(gòu)特征。（A-E）正常和愈合狀態(tài)的正面血管圖像。（F-J）正常和愈合狀態(tài)下的正面結(jié)構(gòu)圖像。紅色虛線為相應(yīng)的截面B-frame拍攝位置。（K-O）正常和愈合狀態(tài)下脈管系統(tǒng)（頂部）和結(jié)構(gòu)（底部）的截面B-frame。
 

與正常皮膚相比，傷口周圍和緊鄰傷口下方的血管出現(xiàn)擴(kuò)張（圖3B）。在圖3C和D中可以看到新生態(tài)的血管向傷口中遷移，以及更發(fā)達(dá)的血管芽。圖3D中還可看到外周血管舒張減少，傷口內(nèi)出現(xiàn)更深的大血管。圖3E中已不再可見處于新生狀態(tài)的血管，并且血管擴(kuò)張僅在傷口區(qū)域出現(xiàn)血管擴(kuò)張。圖3L，M傷口正下方可見兩個明亮區(qū)域，可能是代表熱損傷的膠原，而圖3N，O中沒有這個特征。
 

 02-不同時間的結(jié)構(gòu)特征
 

正常皮膚顯示出平滑的皮膚結(jié)構(gòu)（圖3F），截面B-frame顯示表皮完整、厚度一致且結(jié)構(gòu)亮度均勻（3K），此外表皮正下方亮度增加，可能是乳頭狀真皮的高度組織化的細(xì)胞外基質(zhì)。
 

對比損傷后不同時間，可以清楚地看到纖維蛋白凝塊（圖3G），后變成焦痂（圖3H）。緊鄰傷口周圍的組織看起來更亮（圖3G）。在圖3H、I和J中可看到進(jìn)行性的傷口收縮。圖3J中傷口已不可見，只有漩渦狀的圖案，很可能是由于Ⅲ型膠原轉(zhuǎn)化為Ⅰ型膠原導(dǎo)致的膠原量增加。圖3M可見焦痂、增厚的表皮和表皮舌，圖3O顯示了增厚的表皮和緊接下方的更亮的真皮（與圖3I中明亮漩渦圖案一致）。

 03-深度特異性血管特征
 

圖4為損傷后44天的深度特異性血管特征。分別代表乳頭狀真皮層（265–530 μm）、下乳頭狀/上網(wǎng)狀真皮層（530–795 μm）和網(wǎng)狀真皮層（795–1200 μm）。血三個解剖層中的每一層的血管分布都是均勻的，血管直徑和密度似乎都隨著深度的增加而增加。
 

 

圖4 MIP正面投影血管圖像顯示隨時間變化的深度特異性血管特征。圖中所示為三塊分段板，代表深度（A-D）:265–530μm（乳頭狀真皮）；（F-J）:530–795μm（下乳頭/上網(wǎng)狀真皮）；和（K-O）:795-1200μm（網(wǎng)狀真皮）。從左到右，分別在正常皮膚、損傷后第2天、第5天、第16天和第44天的掃描中獲得圖像。

 

對比愈合中的圖像可發(fā)現(xiàn)，無論深度如何，傷口周圍都有均勻分布的舒張的血管，且傷口內(nèi)的血管舒張似乎由網(wǎng)狀真皮的較深血管支配（圖4B、G、L）。僅在最上層可見血管生成芽，即乳頭狀真皮和下乳頭狀/上網(wǎng)狀真皮層中（圖4C，H），這些未成熟的新生態(tài)血管也比其周圍血管更亮。如圖4D，I，N可見從網(wǎng)狀真皮萌發(fā)的血管新生熱潮。如圖4E，J，O表明僅位于重塑傷口區(qū)域的血管舒張。
 

 04-深度特異性結(jié)構(gòu)特征
 

圖5為損傷后44天的深度特異性結(jié)構(gòu)特征�？梢娬�常皮膚中雖然每層之間的特征不同，但都完整且分布均勻。
 

 

圖5 MIP正面投影結(jié)構(gòu)圖像顯示隨時間變化的特定深度結(jié)構(gòu)特征。圖中所示為三塊分段板，代表深度（A-E）:265–530μm（乳頭狀真皮）；（F-J）530–795μm（下乳頭/上網(wǎng)狀真皮），和（K-O）795–1200μ m（網(wǎng)狀真皮）。從左到右，分別正常皮膚、損傷后第2天、第5天、第16天和第44天。

 在愈合過程中，雖然可以在最上層中清楚地看到傷口收縮（圖5B-E），但在第二層即下乳頭/上網(wǎng)狀真皮中，似乎愈合過程最明顯（圖5G-J）。在早些時間點(diǎn)，傷口內(nèi)的組織結(jié)構(gòu)似乎仍然具有類似于未受損皮膚的特征（圖5G，F(xiàn)）。然而，如5H中傷口內(nèi)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全改變，傷口現(xiàn)在看起來幾乎沒有特征，除了緊鄰的組織明亮。如圖5I所示，組織結(jié)構(gòu)似乎正在正�；�。損傷后44天的圖像中可見，結(jié)構(gòu)與正常皮膚的特征非常相似（圖5E、J、O），膠原蛋白周轉(zhuǎn)產(chǎn)生的漩渦模式是傷口存在的唯一跡象。
  05-定量測量
 

圖6為各種血管參數(shù)的量化結(jié)果。分別在損傷后第2、5、9、16、23和44天掃描三層組織中的血管。圖6A為從整個受影響區(qū)域（即傷口和周圍皮膚）獲得的血管直徑測量值。就血管直徑而言，三個血管層中各不相同，范圍從乳頭狀真皮的約27 μm（± 1 μm）到網(wǎng)狀真皮的約67 μm（± 2 μm）（one-way ANOVA，P<0.0001）。受傷導(dǎo)致的血管直徑增加在較深處血管中最為顯著，隨著血管變得更淺其顯著性降低（下乳頭/上網(wǎng)狀真皮，P = 0.0011；網(wǎng)狀真皮，P = 0.0019；乳頭狀真皮，P=0.014）。到第16天，三層血管都正�；�了。這些發(fā)現(xiàn)證實了前面的正面投影圖像（圖3）。網(wǎng)狀真皮是第16天后唯一顯著改變的血管層（P = 0.0004），再次證實了之前的觀察結(jié)果。
 

 

圖6 整個愈合過程中血管參數(shù)的量化。（A）全掃描區(qū)的血管直徑；（B）傷口區(qū)域血管直徑；（C）傷口區(qū)域血管密度；（D）周圍區(qū)域血管直徑；（E）周邊區(qū)域血管密度。*，P≤0.05；**，P≤0.01；***，P≤0.001；和****，P≤0.0001。
 

圖6B為僅傷口內(nèi)的血管直徑測量值。同樣，每個血管層彼此不同，范圍從乳頭狀真皮的約25 μm（± 1 μm）到網(wǎng)狀真皮的約53 μm（± 5 μm）（P<0.0001）。不同血管層之間的血管直徑無顯著差異（乳頭狀真皮，P = 0.0065；下乳頭/上網(wǎng)狀真皮，P = 0.0064；網(wǎng)狀真皮，P=0.0043）。
 

圖6C為僅傷口內(nèi)部的血管密度測量。就血管密度而言，較上層的乳頭狀真皮與下乳頭狀/上網(wǎng)狀真皮彼此之間沒有差異，但與較深層的網(wǎng)狀真皮間有差異（unpaired t-test，P=0.0001）。就愈合后血管密度變化程度，三層間彼此不同。創(chuàng)傷早期，淺表血管層中血管密度降低最顯著，隨后降低減少[乳頭狀真皮，P = 0.0003；下乳頭/上網(wǎng)狀真皮，P = 0.014；網(wǎng)狀真皮，P=0.06（ns）]。在研究期間，也觀察到了類似的趨勢。較上層血管密度的總體變化最為顯著，之后逐漸減弱（乳頭狀真皮，P < 0.0001；下乳頭/上網(wǎng)狀真皮，P < 0.0001；網(wǎng)狀真皮，P=0.0006）。綜上所述，這些數(shù)據(jù)與視覺觀察結(jié)果一致，證實了大多數(shù)皮膚損傷位于最上面的血管層中。
 

圖6D為僅從傷口周圍皮膚獲得的血管直徑測量值。每個血管層間彼此不同，血管直徑的增加與血管深度的增加相關(guān)（unpaired t-test，P<0.0001）。對于愈合后血管直徑的變化，三層血管直徑均增加，顯著性程度與血管深度相關(guān)，即血管越深，血管直徑增加越顯著（乳頭狀真皮，P = 0.0049；下乳頭/上網(wǎng)狀真皮，P = 0.0005；網(wǎng)狀真皮，P=0.0006）。OCT圖像觀察到所有三層都血管舒張（圖4），但是目測無法闡明深度特異性的顯著程度。根據(jù)第16天的結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化后，網(wǎng)狀真皮再次成為唯一直徑增加的血管層（P=0.0019）。這種趨勢以前在目視檢查中沒有發(fā)現(xiàn)。
 

圖6E為僅從傷口周圍皮膚進(jìn)行的血管密度測量。與傷口內(nèi)類似，最上面兩個血管層即乳頭狀真皮和下乳頭狀/上網(wǎng)狀真皮，血管密度彼此沒有不同。然而，最深的網(wǎng)狀真皮更致密（unpaired t-test，P=0.0003）。雖然愈合會使所有三層的血管密度都而增加，但就增加的顯著性程度而言，三層之間沒有差異（乳頭狀真皮，P < 0.0001；下乳頭/上網(wǎng)狀真皮，P < 0.0001；網(wǎng)狀真皮，P<0.0001）。
 

綜合考慮，血管密度的變化，特別是最淺的血管中的血管密度變化，是傷口內(nèi)的主要應(yīng)答反應(yīng)；而血管直徑的變化，特別是在較深的血管中，是周圍組織的主要反應(yīng)。
 

06-傷口收縮
 

在評估傷口愈合時經(jīng)常使用的一個參數(shù)是傷口收縮。本研究也測量了傷口收縮率（圖8），但它并不是愈合的主要衡量標(biāo)準(zhǔn)。在皮膚松弛的動物中，如小鼠，測量傷口收縮可以作為愈合過程健康的指標(biāo)，因為在這種情況下收縮是愈合的主要途徑。但在人類中，傷口收縮可能不僅僅依賴傷口收縮，而是再上皮化。
 

 

圖8 傷口收縮定量。（A）傷口的MIP正面投影結(jié)構(gòu)圖像。藍(lán)色為用于定量的傷口區(qū)域。（B）對應(yīng)產(chǎn)生的陽性信號。（C）傷口收縮率。P≤0.05; **, P≤0.01; ***, P≤0.001

 

結(jié)論
 

在這項研究中，使用OCT和OCTA/OMAG，非侵入性地檢測了與人類皮膚傷口愈合的多個階段相關(guān)的各種血管和結(jié)構(gòu)特征隨時間的發(fā)展變化情況。成功以毛細(xì)血管水平分辨率識別了許多關(guān)鍵的血管適應(yīng)行為，并將它們與結(jié)構(gòu)改變相關(guān)聯(lián)。雖然本研究存在一定的局限性，如研究主題、分析方法單一，且傷口尺寸和數(shù)據(jù)規(guī)模較小，但這并不影響數(shù)據(jù)有效性，而且通過監(jiān)測皮膚傷口愈合也展示了OCT技術(shù)和相關(guān)分析技術(shù)的最新進(jìn)展。進(jìn)一步的研究可以考慮選擇損傷范圍更大的參與群體，在各種場景中的不同條件下評估和發(fā)展OCT技術(shù)，從而擴(kuò)大OCT/OCTA的適用性。此外還應(yīng)采用其他分析技術(shù)來證實OCT/OCTA的發(fā)現(xiàn)。
 總之，OCT/OCTA提供了一個非侵入性成像特定血管適應(yīng)性行為的方法，這種適應(yīng)性行為發(fā)生在人類皮膚傷口愈合的許多階段。隨著不斷的發(fā)展和完善，它可能幫助確定傷口嚴(yán)重程度和可能的愈合結(jié)果，為患者提供更具體和精確的未來治療選擇。


  參考文獻(xiàn)：Deegan, Anthony J. , et al. "Optical coherence tomography angiography monitors human cutaneous wound healing over time." Quantitative Imaging in Medicine and Surgery 8.2(2018):135-150.