空間頻域成像檢測組織生理參數(shù)技術(shù)在臨床中的應(yīng)用與研究進展

王 平 張 洋 王曉燕 江宗星 張元志 倪敬書 王貽坤 劉 勇

空間頻域成像(spatial frequency domain imaging,SFDI)作為一種新穎的光學(xué)成像技術(shù)，主要采用結(jié)構(gòu)光與特定的光傳輸模型相結(jié)合，在檢測組織形態(tài)結(jié)構(gòu)的同時能夠提供組織的光學(xué)和生理參數(shù)信息，具有快速、寬場、無創(chuàng)、非接觸、定量檢測等特點，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究和臨床診療等多個領(lǐng)域。本文就SFDI技術(shù)的基本原理和方法，以及其在臨床常見疾病中的應(yīng)用現(xiàn)狀與研究進展作一綜述，旨在為臨床相關(guān)疾病的診療提供一種科學(xué)、新穎、可靠的評估方法。

1 SFDI的原理和方法

SFDI技術(shù)主要是通過寬場光源和空間光調(diào)制器與特定的光傳輸模型相結(jié)合來獲取樣品組織區(qū)域的光學(xué)特性參數(shù)——吸收系數(shù)(absorption coefficient，μa)和約化散射系數(shù)(scattering coefficient，μs’)，進而反演出組織成分的生理參數(shù)，如氧化血紅蛋白、脫氧血紅蛋白、血氧飽和度水平等。不同空間頻率的結(jié)構(gòu)光源對組織的穿透深度不同，頻率越高，穿透深度越小，在組織中的傳輸距離越短，組織越易發(fā)生光的散射；反之低頻結(jié)構(gòu)光照射組織越易發(fā)生吸收?；谝陨显?，使用兩個或兩個以上頻率的光源可以有效區(qū)分μa和μs’兩個參數(shù)。根據(jù)氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的光吸收差異特征，SFDI技術(shù)通常選擇650 nm和860 nm波長的光源來測定組織氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度[1]。將兩種不同波長的光源依次照射到特定的數(shù)字微鏡(digital micromirror device，DMD)裝置上，經(jīng)由DMD裝置空間調(diào)制形成寬場正弦圖像，投射出結(jié)構(gòu)光照射到待測組織上，待測組織的漫反射光被數(shù)碼相機捕獲形成漫反射圖像，根據(jù)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(modulation transfer function, MTF)和三相位移法求得的光子密度振幅來反演待測組織的漫反射率。再由光子漫射近似方程(diffusion approximation equation，DAE)通過非線性最小二乘法來反演組織的吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)[2]，最后通過朗伯-比爾定律可推算生物組織中各主要組織成分(常被稱為發(fā)色團)的濃度，該濃度不同于化學(xué)意義上的稀釋介質(zhì)中的濃度，它是指光照條件下單位組織體積內(nèi)各成分的定量測定值，即待測組織的生理參數(shù)[3]。

2 SFDI在臨床上的應(yīng)用

SFDI技術(shù)通過對組織氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白濃度的測定，計算局部組織的血氧飽和度，進而評估組織的血流灌注和供氧水平情況，可實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測，在疾病的預(yù)測、診療和預(yù)后評估過程中具有獨特優(yōu)勢。

2.1 糖尿病和糖尿病足潰瘍 糖尿病患者由于對疾病的認識不足和血糖控制不佳很容易導(dǎo)致各種并發(fā)癥的發(fā)生，糖尿病足是其最嚴重的并發(fā)癥之一[4]。由于足部血供的多源性，一條血管中的低血流量可能無法準確反映潰瘍部位的血供情況，僅憑臨床檢查無法可靠地評估灌注不足的嚴重程度。另外，與糖尿病足潰瘍相關(guān)的臨床特征如感染、水腫和神經(jīng)系統(tǒng)病變等可能影響常規(guī)血管病變檢查的有效性。目前，糖尿病足的臨床常用輔助檢查方法包括神經(jīng)系統(tǒng)檢查和血管病變檢查，前者如10 g尼龍絲檢查、音叉檢查、痛溫覺檢查、震動感覺閾值檢測(vibration perception threshold,VPT)、神經(jīng)傳導(dǎo)速度檢查(nerveconduction study ,NCS)等，后者包括踝肱指數(shù)(ankle brachial index, ABI)、彩色多普勒超聲檢查(color doppler flow imaging，CDFI)、經(jīng)皮氧分壓檢測(transcutaneous oxygen pressure，TcPO2)、數(shù)字減影血管造影(digital subtraction angiography,DSA)等。10 g尼龍絲檢查、音叉檢查和痛溫覺檢查成本低廉、易操作，但其精確度不夠理想[5]；VPT易受儀器設(shè)備和外界環(huán)境刺激的影響，穩(wěn)定性較差[5]；NCS和DSA屬于有創(chuàng)檢查，成本高，操作難度較大[6]；ABI易受主觀因素影響，差異性較大[7]；CDFI存在對血管狹窄程度高估或低估的問題,缺乏統(tǒng)一可靠的診斷標準[8]；TcPO2可反映微血管功能狀態(tài)，但不能反映血流情況和血管壁損傷程度，且儀器大、價格高[9]。SFDI與以上方法相比，具有快速、寬場、無創(chuàng)、非接觸、檢測方法簡單靈活[1]等優(yōu)點，其采用可見光和近紅外光照射組織，繪制大視場(15 cm×20 cm的視野上)的局部微循環(huán)圖像，測算足部組織中深達4 mm皮膚微循環(huán)光學(xué)和生理參數(shù)，用于評估糖尿病足的病程階段，為糖尿病足潰瘍風(fēng)險分層提供了定量依據(jù)[10]。Murphy等[11]研究發(fā)現(xiàn)SFDI能夠在出現(xiàn)臨床可識別體征之前檢測出潰瘍風(fēng)險部位明顯的微循環(huán)和氧合變化，這表明SFDI檢測技術(shù)可能為臨床診斷與治療以及縱向跟蹤隨訪提供參考依據(jù)。Li等[12]采用實時單快照多頻解調(diào)SFDI(single snapshot multiple-frequency demodulation SFDI,SSMD-SFDI)系統(tǒng)對健康志愿者、糖尿病患者和糖尿病足患者的足部進行成像，并使用皮膚分層模型獲得光學(xué)和生理參數(shù)，其結(jié)果顯示隨著糖尿病病程的進展，皮膚血紅蛋白濃度、血氧飽和度、表皮厚度均減少，黑色素含量增加，這表明SSMD-SFDI系統(tǒng)測量的光學(xué)和生理參數(shù)與糖尿病病程之間關(guān)系密切，SSMD-SFDI系統(tǒng)在預(yù)測糖尿病足的發(fā)生和嚴重程度以及監(jiān)測組織微循環(huán)和周圍血管疾病方面的有著重要的價值。

2.2 燒傷 燒傷是一個全球性公共衛(wèi)生問題，燒傷傷口若得不到及時救治，可能會導(dǎo)致感染、疤痕、毀容、長期住院、功能損害和殘疾等。燒傷創(chuàng)面的深度檢測和臨床愈合能力評估在臨床治療燒傷過程中起關(guān)鍵作用。目前，應(yīng)用最廣泛、成本最低的燒傷深度的評價主要依賴于外科醫(yī)師的主觀評價，如創(chuàng)面的顏色特征、毛細血管充盈狀態(tài)、燒傷創(chuàng)面的觸感和刺痛敏感度等，這使得臨床評估缺乏可靠性和穩(wěn)定性[13]。組織活檢病理切片一直被視為檢測燒傷深度的“金標準”，但其耗時長、費用高、檢測范圍局限、專業(yè)要求高，并有可能對患者帶來二次傷害而未被廣泛使用[14]。前視紅外(forward looking infrared，F(xiàn)LIR)熱成像技術(shù)通過檢測燒傷皮膚的溫度來間接對創(chuàng)面深度進行評估，但在評估Ⅲ度燒傷可修復(fù)組織時具有一定的局限性[15]。吲哚青綠(indocyanine green，ICG)血管造影可通過檢測真皮的活力來評估燒傷組織血流灌注情況，但由于實驗條件復(fù)雜和基礎(chǔ)設(shè)施要求高，使得該方法在臨床應(yīng)用中未能普及[16]。激光多普勒(laser doppler perfusion imager，LDI)能夠?qū)齻麆?chuàng)面進行無創(chuàng)掃描成像，定量分析皮膚特定區(qū)域的微血管血流量，但易受反應(yīng)性血管收縮、溫度及體位改變的影響，準確性較低[17]。SFDI可以無創(chuàng)、定量描述皮膚燒傷傷口愈合過程中發(fā)生的皮下變化[1]。Kennedy等[18]對豬燒傷模型的研究表明，SFDI有可能在毫米空間尺度上提供皮膚和傷口光學(xué)特性的近實時廣域圖，用于評估各種皮膚修復(fù)干預(yù)措施的有效性。Ponticorvo等[19]在后來的臨床病例研究中應(yīng)用SFDI技術(shù)通過識別低散射組織來進行燒傷程度評估，結(jié)果顯示SFDI技術(shù)可以減少患者的住院時間和降低手術(shù)費用成本。Rebecca等[20]采用支持向量機(support vector machines，SVM)分類器在多個空間頻率上驗證SFDI反射數(shù)據(jù)的可行性，該模型基于所有波長獲得的空間頻率圖像來預(yù)測24 h燒傷嚴重程度的準確率為92.5%,這表明SFDI與機器學(xué)習(xí)的結(jié)合用于預(yù)測燒傷嚴重程度準確性方面具有潛在優(yōu)勢。

2.3 皮膚疾病 在臨床中，皮膚病的診斷主要依賴于臨床醫(yī)生的經(jīng)驗和組織病理學(xué)檢查。常見的皮膚病輔助診斷技術(shù)主要包括組織成像技術(shù)(如皮膚鏡)、高頻超聲成像技術(shù)、皮膚CT技術(shù)和MRI技術(shù)等。近年來，激光光譜檢測技術(shù)和光學(xué)相干層析術(shù)(optical coherence tomography，OCT)的應(yīng)用前景也普遍受到關(guān)注。與以上技術(shù)不同，SFDI 技術(shù)能夠定量得到皮膚組織的二維光學(xué)參數(shù)和生理參數(shù)信息，為臨床醫(yī)師對皮膚疾病的病理診斷、病情嚴重程度評估以及皮膚科手術(shù)指導(dǎo)提供有效依據(jù)[21]。Tracers等[22]應(yīng)用SFDI測量了從輕度光損傷到光化性角化病患者的皮膚組織光學(xué)性質(zhì)和生理參數(shù)的變化情況，發(fā)現(xiàn)光學(xué)和生理參數(shù)可用于光損傷程度分級，臨床醫(yī)師可使用這種非侵入性方法對高危人群進行風(fēng)險評估和隨訪監(jiān)測。Yafi等[23]發(fā)現(xiàn)SFDI還可用于壓瘡的風(fēng)險分層、分期和愈合評估，對可能產(chǎn)生壓瘡的部位進行定量和縱向評估，既可以降低發(fā)病率和避免后遺癥，又可以為患者降低醫(yī)療成本。Rohrbach等[24]將SFDI技術(shù)與超聲成像定位相結(jié)合，可以量化組織血氧飽和度、總血紅蛋白和腫瘤病變部位的厚度，可用于非黑色素瘤皮膚癌術(shù)前定位指導(dǎo)和治療。在國內(nèi)，溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院皮膚科利用SFDI實驗裝置采集不同類型皮膚病患者的光學(xué)參數(shù)和生理參數(shù)信息，結(jié)果表明帶狀皰疹、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(xué)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,SFDI可以觀測到病變皮膚的炎癥、增生和皮膚變厚生繭等[3]，為皮膚病的診治提供了一種新穎、可靠、科學(xué)的評估方法。

2.4 乳腺疾病 乳腺疾病最常見的篩查方法是超聲檢查和X射線乳腺鉬靶檢查，再根據(jù)BI-RADS分級進行相應(yīng)處理，對于可疑陽性的乳腺病變情況進行活檢確診，良性病變(0～Ⅲ級)患者通常建議每半年隨訪一次，但X射線乳腺鉬靶檢查對機體具有一定的損害[25]。SFDI作為一種新型的非侵入性的無創(chuàng)檢測方法，對于乳腺手術(shù)和接受輔助放化療的乳腺癌患者來說意義重大[26]。Robbins等[27]研究表明，SFDI可在體外對乳腺手術(shù)標本進行實時成像，在初次手術(shù)時對手術(shù)邊緣進行評估，保證手術(shù)切除樣本的完整性，以降低乳腺手術(shù)相關(guān)的二次切除率。Mcclatchy等[28]采用SFDI對31例人類乳腺組織進行定量分析發(fā)現(xiàn)，通過光學(xué)參數(shù)預(yù)測的樣本平均基質(zhì)、上皮和脂肪體積分數(shù)與從組織切片計算的體積分數(shù)高度一致，且通過預(yù)測的上皮與基質(zhì)的比率對良惡性標本進行分類，其敏感性為90%，特異性為81%，這為機體的病理組織類型提供了診斷依據(jù)。

2.5 神經(jīng)系統(tǒng)疾病 由于SFDI技術(shù)的光源不能透過完整的顱骨而成像，因此SFDI對腦部神經(jīng)系統(tǒng)的研究主要集中在臨床前模型研究。Sunil等[29]研究發(fā)現(xiàn)，SFDI可以表征阿爾茨海默病等退行性疾病神經(jīng)組織和生理的動態(tài)變化，SFDI可以對阿爾茨海默病模型中的功能區(qū)進行定量，并且可能是研究阿爾茨海默病神經(jīng)組織成分和生理學(xué)動態(tài)變化的有效方法。SFDI還可通過量化腦組織吸收和散射的變異量來監(jiān)測缺血性損傷引起的腦功能變化，用于診斷和治療缺血性腦卒中以及神經(jīng)元死亡和β淀粉樣蛋白斑塊引起的血管損傷[30]。SFDI還可利用缺血性腦卒中引起的光散射變化來準確測量腦梗死的空間范圍，與光學(xué)相干斷層成像測定的梗死范圍高度一致[31]?；谝陨涎芯?，推斷SFDI還可以應(yīng)用于心臟驟停和心肺復(fù)蘇、癲癇、創(chuàng)傷性腦損傷、偏頭痛等腦皮層特性的監(jiān)測[32]。最近，Zhao等[33]研究的一種新的半色調(diào)SFDI在一系列具有廣泛光學(xué)特性的模型以及活體組織上得到了驗證，半色調(diào)SFDI可以縱向監(jiān)測活體大鼠大腦皮層組織中功能性生色團的絕對濃度和空間分布，在腦科學(xué)和流體動力學(xué)研究中具有較大的潛力。

2.6 外科手術(shù)指導(dǎo)和監(jiān)測 SFDI技術(shù)在外科的應(yīng)用主要集中在術(shù)前評估、術(shù)中指導(dǎo)和術(shù)后的無創(chuàng)監(jiān)測方面。當機體的細胞、組織或器官喪失原來的功能狀態(tài)而不能滿足機體正?；顒?，并出現(xiàn)功能衰竭時，移植成為了最終的選擇。目前，各類移植技術(shù)已經(jīng)日漸成熟和得到廣泛應(yīng)用，移植手術(shù)后的組織活力和血運監(jiān)測通常是根據(jù)臨床經(jīng)驗、感覺狀態(tài)和臨床診斷指南來評定，SFDI可以定量組織中的氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白和血氧飽和度，從而推測組織血管異常所致的缺血發(fā)作的可能性，有助于減少并發(fā)癥的發(fā)生[1]。SFDI能夠通過檢測皮瓣移植術(shù)后愈合過程中的血流動力學(xué)變化，測量傷口的空間不均勻性，預(yù)測異質(zhì)性愈合,從而為臨床評估和預(yù)后提供參考依據(jù)[18]。類似的研究也適用于動物腎臟、胃腸道以及肝臟的血管閉塞試驗中[34]。Vargas等[35]通過對SFDI技術(shù)在面部移植過程中的應(yīng)用研究表明，其在重建顯微外科手術(shù)中提供有關(guān)血管完整性的術(shù)中指導(dǎo)方面有較大的應(yīng)用價值。SFDI還可用于縱向監(jiān)測小鼠股骨移植的股動脈血管生成，動態(tài)評估骨移植的愈合情況[36]。另外，SFDI還可以在手術(shù)期間提供術(shù)中實時氧合圖像，可以幫助外科醫(yī)師在單側(cè)乳房重建手術(shù)中進行指導(dǎo)，以提高臨床效果和預(yù)防并發(fā)癥的發(fā)生[37]。SFDI與相移輪廓術(shù)相結(jié)合用于區(qū)分人前列腺組織(前基質(zhì)、增生、周圍帶)和前列腺外組織(尿道、射精管、前列腺周圍組織)，在根治性前列腺切除術(shù)中能最大限度地降低前列腺外組織受損的風(fēng)險，并最終檢測殘留癌，從而向外科醫(yī)師提供準確可靠的信息，提高手術(shù)的準確性[38]。

2.7 其他 Singh-Moon等[39]將SFDI技術(shù)應(yīng)用于檢測藥物在大腦部位的運輸分布情況，該研究顯示了繪制藥物分布圖的可行性，為以后進行藥物標記的載體沉積和藥代動力學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。Li等[40]對一項人體結(jié)直腸組織的離體研究表明，SFDI能夠區(qū)分正常、腺瘤性息肉和癌癥標本的光吸收和散射特征，有可能在未來優(yōu)化用于遠端胃腸道疾病的腔內(nèi)篩查。

3 小結(jié)與展望

本研究簡要概述了SFDI的基本原理、方法以及其在臨床中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并與臨床疾病常用檢查方法進行了比較，突顯出SFDI在快速、寬場、無創(chuàng)、非接觸、定量檢測方面的優(yōu)勢。SFDI在糖尿病及糖尿病足監(jiān)測、燒傷評估、皮膚病診斷、手術(shù)指導(dǎo)監(jiān)測等方面已顯示出較高的臨床價值，但在實際臨床應(yīng)用中仍然面臨著各種挑戰(zhàn)。在未來的研究中，筆者希望通過對SFDI技術(shù)的不斷優(yōu)化與改進，實現(xiàn)原理、器件、儀器與應(yīng)用的創(chuàng)新，提高對組織狀態(tài)和疾病診斷的特異性和敏感性，實現(xiàn)對機體的動態(tài)變化檢測，為臨床早期、精準診斷與治療提供參考，從而改善疾病預(yù)后，提高患者生活質(zhì)量。