PHOTODIAGN PHOTODYN：光透明劑增強OCTA臨床評估人體皮膚

光學相干斷層掃描血管造影術（OCTA）是一種新興的成像技術，能夠無標記地可視化微循環(huán)。然而其成像深度的不足限制了其在皮膚病學領域的發(fā)展。新設計的用于皮膚光學成像的光透明劑（optical clearing agent, OCA）顯示出可增強OCT成像深度的潛力。因此中國研究人員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）的病變和對側正常皮膚。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，可使對人體皮膚的穿透深度增加約0.16±0.03mm。且用去角質霜或醫(yī)用膠帶剝離對角質層進行預處理并不會進一步提高OCA的穿透功效。此外根據(jù)對該增強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側正常皮膚更大。證明了該OCA穿透增強型OCTA的臨床價值。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

 光學相干斷層掃描血管造影術（OCTA）是一種新興的強大成像方式，它是一種無標記技術，能夠通過提取源自流動紅細胞的動態(tài)信號來可視化活組織中的微循環(huán)信息。OCTA在眼科領域的臨床應用非常完善，并在各種視網(wǎng)膜疾病的診斷和監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用。最近研究顯示OCTA在其他生物醫(yī)學領域也有巨大應用潛力，如皮膚病學、神經(jīng)學和牙科。其中皮膚是人體最大的器官，是保護皮膚免受有害化學物質和病原體侵害的重要屏障。皮膚功能紊亂可能會導致嚴重的疾病，大大降低患者生活質量。

 葡萄酒色斑（PWS）是一種先天性進行性疾病，由血管畸形引起，可導致皮膚變色，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，可能會對患者的外貌和心理發(fā)展產生較嚴重的損害。光動力療法（photodynamics therapy, PDT）是目前公認的PWS治療方法。然而一些PWS患者中可能存在畸形毛細血管較深人眼很難觀察到的情況，因而對光動力療法的敏感性相對較低。OCTA的應用已經(jīng)從視網(wǎng)膜疾病的診斷擴展到各種皮膚病的評估中，如銀屑病、硬皮病、創(chuàng)傷和基底細胞癌。以前也有一些研究使用光學相干斷層掃描（OCT）表征過PWS。然而早期的OCT性能和血管造影算法有限，無法提供高質量的結構和血管圖像以進行綜合評估。隨著算法、光源、檢測和掃描協(xié)議的進步，OCTA技術得到了極大改進，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，皮膚存在很強的光散射，致使OCTA在皮膚病學中的穿透性大大降低，限制了它皮膚病學中的應用。Tuchin等人提出了一種光透明技術的概念，將組織浸入光透明劑（OCA）中來提高光的穿透深度。通過使用具有高折射率和高滲性的生物相容性化學試劑來匹配組織的折射率，光透明技術可以減少光的散射并增強光學成像的穿透深度。已經(jīng)有不同類型的OCA開發(fā)出來，提高了各種光學技術的成像能力如OCT，流式細胞術，光聲顯微術和激光散斑對比成像。最近X. Wen等報道了一種適合皮膚特性的新型OCA，不同于其他對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，還可增強體內光學成像性能。使用嚙齒類動物模型進行的研究也證明了這種OCA的安全性和能力，能夠大大增強光學成像對大鼠背部皮下血管的可視化效果，同時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，反復使用對皮膚無副作用。在動物皮膚體內成像的光透明效果方面，這種OCA是表現(xiàn)最好的。然而還沒有研究將這種OCA應用于人類皮膚。研究這種OCA在改善人類皮膚病OCTA效果中的表現(xiàn)，對臨床皮膚病學有很大意義。

 本研究使用光源中心波長1325nm，半峰全寬100nm的頻域OCTA系統(tǒng)（圖1），探究了OCA在光學成像中的有效性，并將OCTA和OCA技術結合用于人體皮膚評估中。通過觀察和分析這種OCA穿透增強的OCTA在健康志愿者和PWS患者中獲得結構和脈管系統(tǒng)，將OCTA和OCA技術從科學研究轉化為臨床實踐。

 

 

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。

 

結果
 

01-OCTA增強方法的比較與分析
 首先研究OCA對OCTA成像性能的增強效果。對于健康參與者，測試了與面部皮膚具有相同結構信息的手背皮膚。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后角質層沒有高反射，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）。為進一步定量評估圖像質量改善情況，對圖3a1和a2中所有像素的灰度值分布進行了統(tǒng)計分析（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數(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，最高的光強度出現(xiàn)在皮膚的較深位置，表明OCA能夠增強1.3 μm左右光源對人皮膚的穿透深度。

 

 

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

為驗證皮膚角質層的存在是否干擾OCA的功能，比較單獨使用OCA與結合預處理和OCA的效果。有圖4為去角質霜（Exf）預處理、醫(yī)用膠帶剝離（Tap）處理及與OCA組合施用的效果。僅使用去角質霜或醫(yī)用膠帶剝離，OCTA圖像中對比度和亮度超過100的像素數(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人手背皮膚中血管的成像差異。在施用去角質霜或醫(yī)用膠帶剝離并添加OCA后，OCTA圖像達到最佳性能，顯示了OCA的強大實力。



 

 

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灰度值曲線。

 

為進一步量化和分析上述不同OCTA增強方法的效果，在5名健康志愿者中重復了相同的測量。如圖5a所示，與不使用OCA相比，使用OCA時平均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通過增加對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中兩組之間沒有顯著差異（P > 0.05），表明用去角質霜或醫(yī)用膠帶剝離進行預處理不會進一步提高OCA的效果。因此僅應用OCA就足以提供最佳的OCTA成像性能，對臨床應用來講簡單且實用。

 

02-OCA在PWS患者OCTA成像中的應用
 

將OCA應用于PWS患者的病灶和對側正常皮膚進行臨床評價。三個病例中，病變分別在臉頰、太陽穴和口腔上方。選擇PWS病變的對側正常皮膚作為健康對照。在OCA處理下，由OCTA系統(tǒng)捕獲對側正常和病變區(qū)域的圖像（圖6）。可清楚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)域中的血管相對更大且更彎曲。計算三層皮膚中血管的密度（表1）和平均直徑（表2）。發(fā)現(xiàn)與對側正常皮膚相比，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側正常區(qū)域（表2）。這些結果證明了OCTA系統(tǒng)與OCA技術相結合的能力，可以在沒有標記的情況下對正常區(qū)域和PWS區(qū)域之間的差異進行體內可視化和分析，這為醫(yī)生的臨床診斷和優(yōu)化治療計劃提供了更多細節(jié)。

 

 

圖6 PWS患者圖像、病變區(qū)和對側正常區(qū)的正面OCTA圖像。紅色框為 OCTA成像的病變區(qū)域。

 

 

 

結論

 本文研究了在人體皮膚中應用一種新的OCA的優(yōu)點和臨床價值。展示了OCA對1.3 μm光源OCTA系統(tǒng)穿透深度的影響，驗證了OCA可以改善OCTA成像的深度和對比度，并對增強效果進行了量化。首次將OCA與OCTA技術相結合，對PWS患者病變血管進行了深度可視化研究。獲得的這些成果突出了OCA和OCTA技術的巨大潛力及其在PWS病變診斷中的貢獻。進一步研究可考慮治療領域中廣泛使用的532nm、630nm和980nm光源。此外本研究只有三名PWS患者參與，不足以進行統(tǒng)計分析，未來需要對更多的參與者進行進一步研究。同時更強大的OCA也有望進一步提高OCTA及其他臨床光學成像模式的成像能力。

  參考文獻：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.