空間頻域成像在皮膚病定量評估中的研究

曹自立，陳新林，潘達，苗丹，曾碧新

1.溫州醫(yī)科大學生物醫(yī)學工程學院，浙江溫州325035；2.溫州醫(yī)科大學眼視光學院，浙江溫州325035；3.溫州醫(yī)科大學激光與光子生物醫(yī)學研究所，浙江溫州325035

前言

皮膚病是發(fā)生在皮膚和皮膚附屬器官疾病的總稱。皮膚作為人體抵制外界刺激侵襲的第一道防線，易受溫度、年齡、紫外線等多種因素的影響，產(chǎn)生各種生理結(jié)構(gòu)和功能改變而發(fā)生一系列皮膚及其附屬器官疾病。皮膚病不僅發(fā)病率高，而且種類繁多。部分皮膚病的臨床表現(xiàn)類似但治療方法卻截然不同：惡性黑色素瘤是一種高度惡性的皮膚腫瘤，易發(fā)生淋巴結(jié)和血行轉(zhuǎn)移，一旦確診應(yīng)盡早手術(shù)切除；色素痣是人類最常見的良性皮膚腫瘤，一般不需治療，也是臨床上最容易與黑色素瘤混淆的疾??；Paget 病又名濕疹樣癌，為臨床上最容易被誤診為濕疹的癌性疾病，一旦確診應(yīng)迅速手術(shù)切除［1］；鱗狀細胞癌是侵襲性癌，易于轉(zhuǎn)移，尤其是沿淋巴道轉(zhuǎn)移。各種皮膚病如誤診不僅危害人體健康，而且部分甚至可危及生命。因此皮膚病的早期診斷至關(guān)重要，可以降低危害和提高生活質(zhì)量。既往皮膚病的診斷主要依賴于臨床醫(yī)生的經(jīng)驗和組織病理檢查。組織病理是一種有創(chuàng)、價格昂貴、等待結(jié)果時間長的檢查方法。近期發(fā)展的皮膚鏡具有非侵襲性、使肉眼看不見的形態(tài)學特征得以顯現(xiàn)，有助于疾病診斷和病情評估，但是部分技術(shù)在穿透深度和分辨率方面仍存在缺陷，有著診斷的局限性，并不能完全替代組織病理這個金標準，在診斷上依然存在一定的誤差；皮膚CT雖然在穿透深度和分辨率方面有優(yōu)勢，也在皮膚良惡性腫瘤等疾病的診斷中發(fā)揮了重要作用，但由于其具有輻射性、價位高、不能隨意移動、不能反復經(jīng)常在同一患者身上檢測，而使其作用受到限制。

常見的皮膚病診斷技術(shù)主要包括光學相干層析術(shù)、頻域光學弱相干層析成像、組織成像技術(shù)（如皮膚鏡）、高頻超聲成像技術(shù)、皮膚CT 技術(shù)等［2-6］。此類技術(shù)僅能提供皮膚的形態(tài)學信息，缺少對皮膚表層與深層組織細胞參數(shù)的定量計算?？臻g頻域成像（Spatial Frequency Domain Imaging,SFDI）技術(shù)因具有大視野、非接觸等優(yōu)勢，并可以定量獲取病灶區(qū)域的光學信息和生理信息等，已經(jīng)在人體皮膚淺層成像［7-9］、血流動力學檢測［10］、燒傷［11-12］等臨床檢測方面有著廣泛的應(yīng)用研究。如Rohrbach 等［13-14］應(yīng)用SFDI對非黑色素瘤皮膚癌患者皮膚的光學和血管研究。Yafi 等［8］研究SFDI 用于壓瘡分期的可行性，并使用均勻蒙特卡羅組織模型恢復光學特性。Saager 等［15］在450～1 000 nm 光譜范圍內(nèi)使用空間頻域光譜（Spatial Frequency Domain Spectroscopy,SFDS）在考慮到皮膚的兩層結(jié)構(gòu)下將黑色素從血紅蛋白中分離出來，更可靠地恢復了皮膚的血紅蛋白濃度和氧飽和度。

本文利用SFDI 技術(shù)設(shè)計開發(fā)了一套無輻射、無創(chuàng)的皮膚病成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠定量測量得到皮膚組織的二維光學參數(shù)和生理參數(shù)信息，為皮膚病專家和醫(yī)生對皮膚疾病的病理診斷和病情評估以及皮膚科手術(shù)提供更加有效的依據(jù)。

1 SFDI方法

1.1 SFDI原理

SFDI 技術(shù)［7-8,11-12,16-17］作為一種新穎的非接觸、大視場定量成像技術(shù)，通過入射多幅不同空間頻率的空間調(diào)制圖案到組織樣品區(qū)域并用CCD 相機捕捉反射圖像來獲取組織樣品的調(diào)制傳遞函數(shù)（Modulation Transfer Function,MTF）。MTF包含了重要的光學特性信息——吸收系數(shù)（μa）和約化散射系數(shù)（μs'）。基于蒙特卡羅或各種散射模型，通過最小二乘法擬合或查表方法［18］，由MTF 數(shù)據(jù)可以反演計算出生物組織的吸收系數(shù)與衰減散射系數(shù)光學性能的二維分布圖。圖1為空間頻域成像流程圖。

假設(shè)數(shù)字微鏡（Digital Micromirror Device,DMD）光源投影的空間光調(diào)制圖案的強度S為：

其中，fx為空間調(diào)制頻率，φ為空間調(diào)制圖案的初相位，為光源的交流分量，為光源的直流分量。CCD采集到經(jīng)樣品組織反射得到的漫反射光強為：

其中，為漫射后的直流分量，為漫射后的交流分量。一般使用標準三相移法解析出漫射前后的直流分量和交流分量。以得到樣品組織MTFDC和MTFAC：

圖1 空間頻域成像流程圖Fig.1 Flowchart of spatial frequency domain imaging

最后，使用解析光子漫反射模型［19-20］便可從MTF中反演得到樣品組織的光學參數(shù)（吸收系數(shù)μa、約化散射系數(shù)μs'）。當投影多個波段的光源，便可以得到多波段下的光學參數(shù)，再利用比爾-朗伯定律可反演生物組織中主要發(fā)色團的絕對濃度。假設(shè)所測量的吸收系數(shù)表示發(fā)色團光譜的線性組合（即每個發(fā)色團吸收是獨立的），可以解析線性方程組來估計絕對量。式（4）是一個關(guān)于摩爾消光光譜（ε）和組織發(fā)色團濃度（C）的函數(shù)，

與依賴于波長的吸收系數(shù)相關(guān)，因此至少需要知道n個不同波長下的吸收系數(shù)才能解析出組織里n個發(fā)色團成分。通過取樣更多波長和解析超定方程組（如最小二乘擬合）可以得到更高的精確度。

1.2 單次快照多頻解調(diào)法

在SFDI中解調(diào)直流分量和交流分量是至關(guān)重要的一步，通常使用標準三相移法提取結(jié)構(gòu)光經(jīng)漫射后的直流分量和交流分量［21］。但此方法的缺點是解調(diào)某一頻率的AC/DC 分量時需滿足有3 個不同相位（0°、120°、240°）的空間調(diào)制圖像才能成功解調(diào)，這導致在解調(diào)中會帶來運動偽影，并且有成像速度慢和信噪比等問題。本文采用單次快照多頻解調(diào)法（Single Snapshot Multi-frequency Demodulation,SSMD）［16,22］，相較于傳統(tǒng)的三相移相法，解調(diào)速度快且精度高，滿足了一次性獲取多個空間調(diào)制頻率信息量的需求，可用于實現(xiàn)光學參數(shù)的動態(tài)測量。該方法充分利用調(diào)和函數(shù)的正交性能夠從一個同時包含多個調(diào)制頻率的結(jié)構(gòu)光圖像中提取出直流分量和交流分量。圖2為SSMD（a）與標準三相移法（b）之間的對比，顯示SSMD只需要一個相位的空間調(diào)制圖像便可有標準三相移法之間有相同的解調(diào)能力，比標準三相移法有更高的信噪比和解調(diào)速度快的優(yōu)點，解決了標準三相移法自身的缺陷。

圖2 傳統(tǒng)三相移解調(diào)法與SSMD對比Fig.2 Comparison of traditional three-phase demodulation method and single snapshot multi-frequency demodulation

1.3 基于層狀結(jié)構(gòu)映射的光學成像模型

生物組織結(jié)構(gòu)復雜多樣，其中層狀結(jié)構(gòu)的生物組織較為常見，其各層結(jié)構(gòu)清晰，成分分明。如皮膚便是常見的層狀結(jié)構(gòu)，其淺層由表皮層和真皮層構(gòu)成，在近紅外和可見光波段下，皮膚的表皮層主要的發(fā)色團為黑色素，其下層真皮層主要的發(fā)色團為血紅蛋白。通常認為黑色素和血紅蛋白均勻分布在淺層，這便忽略了各層光學特性的差異所帶來的影響；另外，若只考慮組織光學特性對平均探測深度的影響，而忽略了空間調(diào)制頻率f對平均探測深度的影響，最終錯估了各層的光學參數(shù)和生理參數(shù)。所以本文采用了基于層狀結(jié)構(gòu)映射的光學成像模型［9］，該模型解答了層狀生物組織各層對漫反射光的貢獻，并解釋了空間調(diào)制頻率f對平均探測深度的影響，最終精確解析出層狀生物組織各層光學特性（各發(fā)色團的吸收系數(shù)、組織的約化散射系數(shù)和表面粗糙程度），并得到更豐富的生理信息（各發(fā)色團的含量、表皮層厚度）。圖3為層狀結(jié)構(gòu)映射的光學成像模型與等效模型映射關(guān)系圖。

圖3 層狀結(jié)構(gòu)映射的光學成像模型（B）映射為相同約化散射系數(shù)、等效吸收系數(shù)的等效模型（A）Fig.3 Optical imaging model of layered structure mapping(Fig.B)is mapped to an equivalent model(Fig.A)with the same reduced scattering coefficient and equivalent absorption coefficient

2 實驗方案及數(shù)據(jù)處理

2.1 實驗方案

本文采用的實驗裝置示意圖如圖4所示，裝置中采用的光源由3 個不同波長的LED 組成，波長分別為：629 nm（半波寬為624～634 nm）、517 nm（半波寬為507～527 nm）、452 nm（半波寬為447～458 nm）。CCD 采用FLIR Grasshopper3 系列的GS3-U3-51S5C產(chǎn)品，具有大靶面、高分辨率、完美的傳輸性能。在進行皮膚病數(shù)據(jù)采集前，需要以BIOMIMICTMOPTICAL PHANTOMS 模擬人體組織的標準體模型作為參考對象來評估實驗系統(tǒng)的工作狀態(tài)。表1比較了標準體模型的理論值（MTFAC、MTFDC）與實驗裝置測量得到的實驗值，從對比結(jié)果可以看出誤差都在5%以內(nèi)，說明實驗平臺可以正常工作。

利用SFDI實驗裝置在溫州醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院皮膚科對不同類型的皮膚病人數(shù)據(jù)進行采集，包括帶狀皰疹（10例）、濕疹樣皮炎（34例）、過敏性皮炎（16例）、脂溢性皮炎（12例）和銀屑?。?6例）、正常皮膚（6例）。

圖4 實驗裝置示意圖Fig.4 Experimental setup diagram

表1 標準體模型的理論值與實驗計算值比較Tab.1 Comparison of the theoretical and experimental values of standard sample

2.2 數(shù)據(jù)處理

對上述采集到的不同類型的皮膚病實驗數(shù)據(jù)按圖5所示的流程進行處理。

首先，選取每個病例感興趣區(qū)域（Region of Interest,ROI），并利用SSMD 解調(diào)方法解調(diào)出3 個通道（即對應(yīng)不同波長）的MTFAC、MTFDC值，取MTF 值的平均值代表區(qū)域組織的平均狀態(tài)。而后，利用Matlab 的fmincon()函數(shù)對最小方差［式（5）］擬合得到皮膚組織的生理信息和光學信息，包括含氧血紅蛋白濃度、缺氧血紅蛋白濃度、約化散射系數(shù)、散射能力、黑色素濃度和表皮層厚度等。

式中i=1,2,3，分別代表3個波長，MTFAC、MTFDC為實驗測得的值，mtfAC、mtfDC為增強擴散模型計算有效的均勻介質(zhì)的調(diào)制傳遞函數(shù)理論值。

3 實驗結(jié)果與討論

為了對比分析各種皮膚病的特性，以及與正常皮膚差異情況，我們對上述采集的實驗數(shù)據(jù)進行處理并獲取其光學參數(shù)（如約化散射系數(shù)、散射能力和表面粗糙程度）和生理參數(shù)（如總血紅蛋白含量、血氧飽和度、黑色素含量和表皮層厚度）的有效區(qū)域平均值。

表2為正常皮膚與各種皮膚病的光學參數(shù)、生理參數(shù)的均值對比，從表中可以看出：（1）實驗中的各皮膚病的總血紅蛋白含量（Thb）要遠遠大于正常皮膚組織的，在數(shù)值上至少要比正常組織高500%；（2）各皮膚病的血氧飽和度（SO2）至少比正常皮膚高13%；（3）在黑色素（Melanin）含量方面，除了濕疹樣皮炎比正常皮膚高13%外，實驗中其他幾種皮膚病的黑色素含量要比正常皮膚至少高30%；（4）約化散射系數(shù)（μs'），銀屑病的μs'要比正常組織高7.9%，實驗中的其它幾種皮膚病的μs'至少比正常皮膚組織高17%；（5）散射能力（Scattering Power,SP），銀屑病的SP 要低于正常皮膚組織，而實驗中的其他幾種病變的SP 要比正常皮膚組織至少高8.7%；（6）病變皮膚的表皮層厚度（h）都遠高于正常皮膚，且至少高達180%；（7）各病變皮膚的表面粗糙程度（Alpha）要比正常皮膚組織在數(shù)值上至少高10 倍。圖6為各種皮膚病不同參數(shù)對比分布圖，可以更加直觀看出對不同皮膚病的光學參數(shù)、生理參數(shù)差異，其中Thb 和SO2與炎癥皮膚導致毛細血管擴張及血液增加相關(guān)聯(lián)，而μs'和SP 與病患處細胞增生有關(guān)聯(lián)，Alpha 和h對應(yīng)病變皮膚出現(xiàn)的厚度改變、粗糙程度。

圖5 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.5 Data processing flowchart

表2 正常皮膚與各種皮膚病的光學參數(shù)、生理參數(shù)的平均值比較Tab.2 Comparison of the optical and physiological parameters of normal skin and various skin diseases

4 結(jié)論

圖6 正常皮膚和各種皮膚病不同參數(shù)對比分布圖Fig.6 Comparison of different parameters of various skin diseases and normal skin

SFDI技術(shù)作為一種大視野、非接觸成像方式，可以定量獲取被測生物組織的光學參數(shù)和生理參數(shù)等信息；而且可以通過選擇不同波長的光源和不同頻率的調(diào)制光實現(xiàn)對不同深度的組織進行成像，最大成像深度可深入到2 mm 左右。這很好地覆蓋了常規(guī)皮膚病的病灶范圍，可以定量、精準地解析得到皮膚病變組織的光學參數(shù)和生理參數(shù)信息，能夠輔助醫(yī)生判斷病情、減輕工作負擔、提高篩查診斷效率，并為患者爭取寶貴的治療時機。通過實驗研究，帶狀皰疹、濕疹樣皮炎、過敏性皮炎、脂溢性皮炎和蕁麻疹等多種皮膚病的光學參數(shù)和生理參數(shù)信息與正常皮膚組織之間存在較大差異，如病變皮膚的發(fā)炎、增生和皮膚變厚生繭的行為都被SFDI觀測到。這將為臨床醫(yī)生對皮膚病診治提供一種新穎、更加可靠、科學的評估方法。