Skin Res Technol：使用OCTA研究皮膚對機(jī)械應(yīng)力的適應(yīng)性

對于下肢義肢使用者來說，由肢體-義肢承筒界面應(yīng)力引起的皮膚破損是一個嚴(yán)重問題。雖然皮膚可以適應(yīng)壓力變得更抗破損，但對此機(jī)制我們知之甚少。華盛頓大學(xué)研究人員Eric C. Swanson等使用光學(xué)相干斷層掃描（OCT）無創(chuàng)評估了可能與皮膚適應(yīng)性相關(guān)的一些皮膚微脈管系統(tǒng)特征。建立了研究皮膚適應(yīng)性的模型，成功在參與者皮膚中誘發(fā)了可測量的反應(yīng)性充血（RH）反應(yīng)。血管結(jié)構(gòu)評估顯示出極好的視野重復(fù)性，提供了豐富的血管結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)重復(fù)性良好。證明本研究建立的新技術(shù)可用于研究皮膚對機(jī)械應(yīng)力的適應(yīng)性，可能幫助對皮膚微血管功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入了解。文章以“Optical coherence tomography for the investigation of skin adaptation tomechanical stress”為題發(fā)表于Skin Res Technol。

 背景

 對截肢個體而言，多達(dá)63%的人會至少受到一次皮膚破損的影響。殘肢皮膚破損通常由肢體和義肢承筒間界面處的重復(fù)機(jī)械應(yīng)力造成，負(fù)重活動時影響更大。破損會導(dǎo)致疼痛、承筒使用減少，從而限制了個體的移動性和日�；顒幽芰Α�

 引發(fā)皮膚破損的機(jī)械誘因很多，由所施加的壓縮、剪切和拉伸應(yīng)力的組合以及應(yīng)力的靜態(tài)或動態(tài)性質(zhì)決定。在與義肢相關(guān)的皮膚損傷方面，潛在的生理學(xué)因素研究尚淺，而通過大量對壓瘡研究可確定一些關(guān)鍵因素。壓瘡形成的兩個主要機(jī)制是組織缺血和細(xì)胞變形，組織缺血機(jī)制中，流向組織的血流被阻斷，導(dǎo)致細(xì)胞代謝改變、有害代謝副產(chǎn)物積累。變形機(jī)制中，細(xì)胞膜受到高強(qiáng)度機(jī)械應(yīng)變的機(jī)械損傷，引發(fā)快速壞死性細(xì)胞死亡。如果皮膚在兩次壓力間沒有足夠的時間恢復(fù)，引起的細(xì)胞損傷將擴(kuò)散到整個組織，導(dǎo)致皮膚破損。

 已知皮膚可以適應(yīng)施加在其上的機(jī)械應(yīng)力，以更好地抵抗破損。當(dāng)皮膚承受的機(jī)械應(yīng)力高于其當(dāng)前的維持應(yīng)力閾值但低于其破損閾值時，就會出現(xiàn)這種適應(yīng)情況。雖然皮膚適應(yīng)性在防止皮膚破損方面起著重要作用，但對它的了解并不多，并且目前也還沒有客觀地確定皮膚是否變得更耐負(fù)荷的方法。而義肢臨床實(shí)踐依賴于主觀測量，如視覺評估和觸診，來確定皮膚負(fù)荷耐受性并使患者逐步適應(yīng)。因此非常需要能夠客觀監(jiān)測患者皮膚負(fù)荷耐受狀態(tài)的工具，還需要更有效的調(diào)節(jié)皮膚方法，使其能更好地抵抗破損。這些需求的根源是缺乏對皮膚適應(yīng)機(jī)械應(yīng)力的理解。

 本研究的目標(biāo)是開發(fā)出研究皮膚適應(yīng)生物學(xué)的方法，因?yàn)樗�與下肢義肢使用有關(guān)。研究重點(diǎn)是皮膚微血管系統(tǒng)的適應(yīng)性。假設(shè)微血管系統(tǒng)發(fā)生了適應(yīng)性變化，增強(qiáng)了皮膚在閉塞壓力下向組織供血的能力。這些適應(yīng)可能包括血管結(jié)構(gòu)、功能或兩者的變化。結(jié)構(gòu)調(diào)整如增加血管數(shù)量或血管直徑，可能使血液供應(yīng)更高效或提供更多路徑，繞過組織閉塞區(qū)域。功能調(diào)整方面，使脈管系統(tǒng)能夠更快地對閉塞應(yīng)力做出反應(yīng)，從而防止有害副產(chǎn)物的積累。

 光學(xué)相干斷層掃描（OCT）是一種基于光學(xué)的成像方式，能無創(chuàng)可視化并測量皮膚各種特征，捕獲深度為2mm，分辨率可達(dá)1-10μm。OCT血管造影（OCTA）可使用紅細(xì)胞流作為造影劑對皮膚微血管成像。雖然其他方法也可以測量皮膚微血管，如激光多普勒灌注成像和激光散斑對比成像，但只能進(jìn)行單一測量。而OCTA通過捕獲微血管三維圖像可以提供豐富的數(shù)據(jù)，用于評估多項特征。此外還可以精確選擇被分析血管的深度和區(qū)域，測量重復(fù)性更好，可以比較同一組織區(qū)域干預(yù)前和干預(yù)后的結(jié)果。

 本文開發(fā)了兩種基于OCT的皮膚微血管測試：功能評估和結(jié)構(gòu)評估。此外利用不使用義肢的個體建立了一個研究義肢相關(guān)皮膚適應(yīng)性的模型。利用“健全的模型”首次研究了皮膚對機(jī)械應(yīng)力的適應(yīng)。該模型還消除了截肢的患者中存在的混淆變量，如活動受限、縫合部位敏感性或組織水腫。本研究的目的是展示健全參與者皮膚適應(yīng)性研究方法的實(shí)用性，了解這些方法的優(yōu)勢和局限性。

 研究中身體健康的參與者8名（Table 1），參與者肢體ROI均不存在皮膚損傷。研究使用頻域OCT成像系統(tǒng)（OCS1310V1, Thorlabs Inc），掃描協(xié)議如圖1。實(shí)驗(yàn)方案及概要如圖2-4。   圖1 OCT成像示意。（A）紅框?yàn)槠つw成像區(qū)域。（B）每個位置獲取5個B-scan截面重復(fù)掃描。（C）生成的OCTA血管體積視圖，隨后MIP為二維正面圖像。
   圖2測試步驟。（A）反應(yīng)性充血測試。以仰臥適應(yīng)期≥15min開始。周期性負(fù)載10min后OCT成像10min。（B）最大擴(kuò)張測試。加熱探針使皮膚升溫至42-44℃保持≥25min引發(fā)最大程度的血管擴(kuò)張。（C）負(fù)載耐量測試。獲取基線圖像，施加負(fù)載10min，負(fù)載后圖像采集15min。  圖3 健全參與者套筒設(shè)計。（A）參與者穿戴套筒。白色箭頭為加速傳感器計，用于活動分級。（B）套筒后面板，展示了每側(cè)脛骨髁間嵴上的緩沖泡沫。泡沫上“＋”為ROI。
    圖4實(shí)驗(yàn)方案概要。

 結(jié)果

 01-健全參與者的套筒及活動情況監(jiān)控
 所有參與者都完成了為期兩周的穿著方案，沒有報告任何皮膚問題�；顒臃诸愃惴ū砻�，大多數(shù)參與者佩戴套筒的時間接近預(yù)期總時間，少數(shù)參與者佩戴時間比目標(biāo)時間少幾個小時。參與者進(jìn)行更高層次活動（如散步）的時間也有顯著差異。如參與者8最活躍，累計行走時間為11.6h，而下一名僅行走5.9h（參與者7）。力敏電阻器（FSR）測量表明，參與者間在測試肢體ROI由套筒施加的壓力大小方面存在顯著差異。行走期間的平均峰值壓力測量值范圍從參與者1的53.4kPa到參與者2的1.0kPa。
  02-負(fù)載耐量測試
 Table 2總結(jié)了負(fù)載耐量測試結(jié)果。參與者5和8表示測試ROI的負(fù)載耐受性增加。參與者6和7第0周的照片無法評估，因?yàn)樵缙谧畲髷U(kuò)張測試加熱器引起皮膚持續(xù)發(fā)紅。其余4名參與者在第0周的測試中，沒有持續(xù)超過10min的發(fā)紅現(xiàn)象，因此被認(rèn)為對負(fù)荷刺激“耐受”。   03-反應(yīng)性充血試驗(yàn)
 反應(yīng)性充血（Reactive Hyperemia, RH）測試數(shù)據(jù)如圖5所示。在施加10min的壓力后，48項測試中有40項產(chǎn)生了典型的RH反應(yīng)，即灌注快速增加，然后逐漸恢復(fù)到基線灌注水平。對于未測量到RH反應(yīng)的8項試驗(yàn)，整個反應(yīng)期間VAD（vessel area density）保持在較低水平。其中6項測試僅來自兩個ROI：參與者1和4的對照ROI。40項RH應(yīng)答測試中，12項出現(xiàn)了應(yīng)答峰值。其他28項測試載荷移除后的第一次測量的是峰值VAD，因此不清楚峰值出現(xiàn)在這一點(diǎn)上還是之前，也尚不清楚生理峰間時間是否小于測量值，或者峰值VAD是否大于測量值。盡管缺少這些信息，多數(shù)情況下三次測試中只有一次捕獲到峰值時，仍可以發(fā)現(xiàn)周與周之間的關(guān)系。最終，雖然所有參與者的RH測量結(jié)果呈現(xiàn)的模式各不相同，但沒有出現(xiàn)明顯趨勢。比較三周數(shù)據(jù)時，測試或?qū)φ誖OI的RH測量值均不存在統(tǒng)計學(xué)顯著關(guān)系（P＞0.5）。
  

 

圖5 代表性RH測試結(jié)果。參與者8在第0周和第2周的測試ROI數(shù)據(jù)。（A）RH響應(yīng)en-face成像(2.0×2.0 mm)。（B）VAD隨時間變化圖。（C）血管信號量化。峰值出現(xiàn)在第2周而非第0周。

 

 

04-最大擴(kuò)張測試

 最大擴(kuò)張測試數(shù)據(jù)集如圖6所示，不包括參與者1的數(shù)據(jù)，因?yàn)閳D像為降噪前收集。將參與者2-8的正面血管圖像配準(zhǔn)，產(chǎn)生的重疊ROI相當(dāng)于7.0±0.3 mm²的平均成像面積，最小6.3 mm²。不同時間點(diǎn)間存在一些差異，但與測量的可變性相比，這些差異顯得很小，大標(biāo)準(zhǔn)偏差就是證明。因此，對于任何一層（乳頭狀或網(wǎng)狀）或任何一種比較（第0-1周和第0-2周）的血管結(jié)構(gòu)測量，都不存在統(tǒng)計學(xué)上顯著的關(guān)系（P＞0.5）。圖像配準(zhǔn)不但能精確控制測量深度及視野，還可用于識別測量錯誤，提供了一個額外的數(shù)據(jù)驗(yàn)證步驟，這是其他成像技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的。  圖6 最大擴(kuò)張測試結(jié)果，數(shù)據(jù)來自于參與者8的ROI。（A）血管配準(zhǔn)并移除非共享像素后不同時間和深度的正面圖像。（B）血管定量值。

  05-表皮厚度

 表皮厚度測量結(jié)果總結(jié)于圖7。從第0周到第1周，表皮厚度均有小幅增加，到底2周也是如此，但不存在統(tǒng)計學(xué)上的顯著關(guān)系（P＞0.5）。但這為微血管研究提供了一個思路，即基于真皮-表皮界面定義深度，而不是皮膚表面，可以確保所研究區(qū)域不受表皮厚度變化而發(fā)生改變，這對于皮膚微血管研究非常關(guān)鍵。如最大擴(kuò)張測試中，可確保比較同一血管段。

 

 

圖7第0-1及0-2周的表皮厚度差異。圖示為所有參與者的平均值。

 

結(jié)論

 本項研究證明了使用基于OCT的成像方法在研究皮膚對機(jī)械應(yīng)力適應(yīng)性方面的潛力。改進(jìn)后，本研究的方法可用于無創(chuàng)地進(jìn)行皮膚健康研究，這與下肢義肢使用者息息相關(guān)，而獲得數(shù)據(jù)的詳細(xì)程度也是前所未有。隨著我們對機(jī)械誘導(dǎo)皮膚適應(yīng)的生物學(xué)研究的深入，結(jié)合非侵入性方法跟蹤進(jìn)展，臨床醫(yī)生能夠更客觀地監(jiān)測皮膚健康狀態(tài)，降低下肢缺失個體皮膚破損的風(fēng)險。在此基礎(chǔ)上還可以開發(fā)新的治療或康復(fù)策略，以促進(jìn)皮膚適應(yīng)、避免皮膚破損。此外，雖然本研究的重點(diǎn)是開發(fā)皮膚研究的方法，但也涉及對義肢承筒-肢體界面應(yīng)力的適應(yīng)，因此應(yīng)用可能更廣泛，如研究脊髓損傷或糖尿病足潰瘍等其他人群的皮膚破損的風(fēng)險。

 

參考文獻(xiàn)：Swanson, E. C. , et al. "Optical coherence tomography for the investigation of skin adaptation to mechanical stress." Skin Research and Technology 26.5(2020).