光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)在皮膚醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展

蘇仁敬，王毅，孫婭楠，賀改英，楊偉峰，馬淑驊*

(1天津中醫(yī)藥大學(xué)研究生院，天津 301617；2中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，北京 100700)

光學(xué)相干斷層掃描(optical coherence tomography，OCT)是一種利用光線的反射延遲和干涉成像原理進(jìn)行組織成像的非侵入性的高分辨率成像技術(shù)[1]，具有無(wú)創(chuàng)、無(wú)痛、快速等優(yōu)點(diǎn)，可用于活體組織的結(jié)構(gòu)檢查，最早在醫(yī)學(xué)上用于眼底疾病的診斷，20世紀(jì)90年代末被引入皮膚科隨后在皮膚醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注。

老年人是皮膚病的高發(fā)人群，隨著人口的老齡化，各種皮膚疾病的發(fā)生率將會(huì)持續(xù)增加。皮膚是反映身體健康和機(jī)體衰老的窗口，隨著年齡增長(zhǎng)及環(huán)境變化，皮膚會(huì)發(fā)生多種形態(tài)和功能改變，形成老年性皮膚病的發(fā)病基礎(chǔ)。目前，OCT技術(shù)診斷非黑色素瘤皮膚癌的能力已得到證實(shí)，隨著OCT成像技術(shù)性能的不斷提高，能夠?yàn)榕R床診斷提供更高的分辨率和額外的功能信息，也讓該技術(shù)在炎癥性與腫瘤性皮膚病、創(chuàng)傷愈合、皮膚老化及美容等領(lǐng)域有了更大的應(yīng)用價(jià)值和潛力。

1 OCT在皮膚成像中的優(yōu)勢(shì)

由于皮膚的可接觸性和光學(xué)穿透的易實(shí)現(xiàn)性，非侵入性診斷一直是皮膚科研究的重點(diǎn)[2]。目前皮膚醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛使用的非侵入性成像方法有皮膚鏡、反射共聚焦顯微鏡(reflectance confocal microscopy，RCM)、多光子顯微鏡(multiphoton laser scanning microscopy，MPLSM)、高頻超聲(high-frequency ultrasonography，HFUS)等，但是這些技術(shù)各有其局限性。皮膚鏡利用明亮的光源放大皮膚病變，能快速、方便地觀察裸眼難以觀察到的結(jié)構(gòu)，但對(duì)皮膚病的診斷受到特異性和深度的限制[3]。RCM能夠提供與皮膚表面平行的準(zhǔn)組織學(xué)分辨率圖像，通常作為臨床目視和皮膚鏡檢查的輔助手段，其不足在于穿透深度有限(達(dá)真皮乳頭層)。MPLSM具備高分辨率和優(yōu)于共聚焦顯微鏡的穿透深度，利用皮膚中的內(nèi)源性熒光團(tuán)[4]和膠原蛋白的二次諧波特性進(jìn)行活體檢測(cè)，可顯示皮膚組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)甚至細(xì)胞代謝狀態(tài)，而無(wú)需外源性熒光標(biāo)記。但MPLSM所提供的是微觀圖像，視野較小，若對(duì)大的組織進(jìn)行掃描觀察所需時(shí)間成本將會(huì)大大延長(zhǎng)。相比RCM和MPLSM，OCT和HFUS均能提供相對(duì)宏觀且與組織病理學(xué)一致的皮膚垂直橫截面圖像，具有更深的穿透深度和快速的掃描過(guò)程，可用于較大的組織體積和實(shí)現(xiàn)快速診斷。但HFUS分辨率較低，而且是接觸性檢查，不夠便利。在一定程度上，OCT提供了穿透深度和分辨率之間的最佳平衡，且具有良好的無(wú)損性和體積成像能力，在無(wú)創(chuàng)診斷和疾病監(jiān)測(cè)方面具備相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)和潛力。

2 OCT成像技術(shù)的進(jìn)展

OCT系統(tǒng)通常包括光源、干涉儀和成像導(dǎo)管，核心部件是邁克爾遜干涉儀。其基本原理是采用低相干光干涉法，探測(cè)不同組織細(xì)胞微結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的背向散射光，通過(guò)數(shù)據(jù)處理增加對(duì)比度，獲得不同組織結(jié)構(gòu)圖像。

按照成像方式不同OCT分為時(shí)域OCT(time-domain OCT，TD-OCT)和頻域OCT(Fourier-domain OCT，F(xiàn)D-OCT)[5]。TD-OCT采用機(jī)械掃描方式，限制了其成像速度和信噪比；在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的第二代OCT即FD-OCT，去除了TD-OCT中參考臂的機(jī)械掃描結(jié)構(gòu)，改為對(duì)不同時(shí)刻的干涉光信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，因而極大地改進(jìn)了成像速度、信噪比及分辨率[6]，有助于更清楚地看到病變的微細(xì)結(jié)構(gòu)特征。按照光源與探測(cè)方式不同F(xiàn)D-OCT又分為譜域OCT(spectral-domain OCT，SD-OCT)和掃頻OCT(swept-source OCT，SS-OCT)。上述OCT被稱為傳統(tǒng)OCT。

皮膚病學(xué)研究中最常用的是FD-OCT或SS-OCT，通過(guò)多次掃描顯示從表皮到上層真皮中皮膚各層的結(jié)構(gòu)信息。然而，僅靠OCT形態(tài)學(xué)檢查對(duì)于實(shí)現(xiàn)廣泛臨床應(yīng)用仍有較大差距。病變細(xì)胞的生理異?？赡馨l(fā)生在可檢測(cè)到的形態(tài)學(xué)變化之前，需要增加額外的功能信息以擴(kuò)展OCT的臨床應(yīng)用。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種功能性O(shè)CT[7]，包括偏振敏感OCT(polarization-sensitive OCT，PS-OCT)、光學(xué)相干斷層掃描血管造影(optical coherence tomography angiography，OCTA)、光學(xué)相干彈性成像(optical coherence elastography，OCE)、光譜OCT(spectroscopic OCT，SOCT)等，其中皮膚領(lǐng)域受到關(guān)注較多的是PS-OCT和OCTA。PS-OCT的特點(diǎn)是可以可視化和量化皮膚中的雙折射，尤其是皮膚中含量較高的膠原蛋白，可以檢測(cè)皮膚中膠原蛋白的完整性及含量[8]。OCTA的特點(diǎn)是可通過(guò)不同的算法描繪由移動(dòng)紅細(xì)胞引起的OCT振幅、強(qiáng)度或相位信號(hào)的變化，快速在體識(shí)別皮膚中不同層的毛細(xì)血管形態(tài)和測(cè)量血流?；谏叻讲頞CT的動(dòng)態(tài)OCT(dynamic OCT，D-OCT)是近年應(yīng)用較多的一種新的OCT血管造影技術(shù)，可對(duì)500 μm皮膚深度的血管結(jié)構(gòu)和血流進(jìn)行活體三維成像，未來(lái)應(yīng)用D-OCT評(píng)估皮膚病變中異常的血管系統(tǒng)將是一個(gè)值得積極探索的領(lǐng)域。

3 OCT在皮膚病學(xué)中的應(yīng)用

3.1 皮膚腫瘤

皮膚腫瘤好發(fā)于老年人，較為常見(jiàn)的是非黑色素瘤皮膚癌，這與老年人皮膚老化、免疫力失衡狀態(tài)和皮膚慢性炎癥狀態(tài)等息息相關(guān)，早期識(shí)別可疑的皮膚病變對(duì)于降低惡性皮膚腫瘤的不良后果意義重大。目前，對(duì)皮膚癌的診斷主要是依靠臨床醫(yī)師視觸檢查、皮膚鏡和組織學(xué)分析。OCT的研究主要集中在診斷和監(jiān)測(cè)非黑色素瘤皮膚癌。一項(xiàng)薈萃分析[9]數(shù)據(jù)表明，與目視和皮膚鏡檢查相比，OCT對(duì)基底細(xì)胞癌(basal cell carcinoma，BCC)診斷的靈敏度和特異度更高，分別為95%和77%，而單獨(dú)的目視檢查靈敏度僅為80%、特異度為37%，目視加皮膚鏡檢查的靈敏度為86%、特異度為55%。所描述的BCC的OCT圖像特征包括：皮膚分層破壞、深色卵圓形基底細(xì)胞島、低反射的腫瘤外側(cè)邊界、正常毛囊和腺體缺失，以及朝向基底細(xì)胞島的真皮毛細(xì)血管改變，根據(jù)這些特征OCT能夠可靠地識(shí)別BCC[10]。上述研究表明OCT有助于提高BCC的診斷準(zhǔn)確性。然而，由于缺乏細(xì)胞分辨率、鱗狀細(xì)胞癌(squamous cell carcinoma，SCC)過(guò)度角化的表皮及色素性病變表現(xiàn)出的規(guī)則的散射模式等原因，傳統(tǒng)OCT診斷SCC及黑色素瘤病變的能力受限。Marneffe等[11]開(kāi)發(fā)了一種基于高清OCT(high-definition OCT，HD-OCT)的診斷算法用于區(qū)分日光性角化病(actinic keratosis，AK)、SCC和正常皮膚，具有高靈敏度和特異度。最近的一項(xiàng)研究使用具有軸向1.5 μm、橫向1.1 μm細(xì)胞分辨率的全場(chǎng)OCT(full-field OCT，F(xiàn)FOCT)設(shè)備，其可通過(guò)角質(zhì)形成細(xì)胞核的大小、方向、排列等信息對(duì)良性、癌前和惡性腫瘤做出區(qū)分[12]。新血管生成是惡性腫瘤的典型特征和發(fā)生轉(zhuǎn)移的主要途徑，不同類型皮膚癌的血管模式存在差異，因此D-OCT可能有助于提高對(duì)不同類型皮膚癌的診斷準(zhǔn)確性。此外，OCT還可用于識(shí)別腫瘤深度和邊緣，在手術(shù)切緣的術(shù)前評(píng)估方面亦具有較大的應(yīng)用潛力。

表1 多種非侵入性成像方式的比較

3.2 炎癥性皮膚病

炎癥性皮膚病是由于免疫系統(tǒng)失調(diào)導(dǎo)致皮膚組織破壞而引起的一組疾病[13]，包括銀屑病樣皮炎、海綿水腫性皮炎、界面皮炎、硬化性皮炎、大皰性皮炎等。最早對(duì)于炎癥性皮膚病的OCT研究是2003年對(duì)接觸性皮炎和銀屑病的研究，該研究使用OCT評(píng)估了表皮厚度和真皮上層信號(hào)的變化[14]。隨后的一些研究進(jìn)一步探討了炎癥性皮膚病OCT圖像的形態(tài)特征及與組織病理學(xué)的相關(guān)性[15，16]。銀屑病的OCT圖像顯示為高反射性角質(zhì)層，表皮增厚，局部角化過(guò)度及線狀小管結(jié)構(gòu)的暗區(qū)(對(duì)應(yīng)擴(kuò)張的血管)。界面皮炎的炎癥過(guò)程主要累及真皮-表皮連接區(qū)(dermal-epidermal junction，DEJ)，苔蘚樣組織反應(yīng)在OCT圖像中可觀察到棘層增生、DEJ界限不清、炎性細(xì)胞浸潤(rùn)、真皮乳頭斑點(diǎn)狀高反射黑色素沉積等特征。海綿水腫性皮炎表現(xiàn)為表皮內(nèi)暗區(qū)和表皮、真皮中明亮的圓形炎癥細(xì)胞。大皰性類天皰瘡(bullous pemphigoid，BP)是老年人群中最常見(jiàn)的自身免疫性大皰病，隨著年齡增長(zhǎng)，發(fā)生率逐年增高，該病的組織病理學(xué)特征是表皮下水皰，利用OCT可清楚觀察到表皮下裂隙和暗區(qū)，并能夠根據(jù)表皮分裂程度不同區(qū)分出大皰性類天皰瘡、燒傷水皰和天皰瘡[17]。近年來(lái)，皮膚微血管系統(tǒng)在炎癥性皮膚病中的作用受到較多關(guān)注。2018年一項(xiàng)研究使用OCTA系統(tǒng)對(duì)銀屑病、硬化性皮炎患者的皮膚微血管和組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D成像，能夠顯示皮膚不同深度的血管直徑、密度和曲折度的變化，并且這種變化與疾病的進(jìn)展和好轉(zhuǎn)一致[18]，表明OCTA技術(shù)可能有助于闡明微血管改變與病理學(xué)之間的關(guān)系。

3.3 創(chuàng)傷愈合

傷口的愈合難度隨著年齡的增長(zhǎng)而增加[19]，尤其是腿部潰瘍、褥瘡和糖尿病傷口等慢性傷口。與急性傷口生理愈合相比，對(duì)于慢性傷口愈合的診斷有助于制定個(gè)體化的治療決策及評(píng)估治療反應(yīng)。OCT能夠通過(guò)監(jiān)測(cè)傷口尺寸、表皮遷移、DEJ形成、血管舒張與收縮、上皮形成和膠原蛋白重建等結(jié)構(gòu)變化評(píng)估慢性傷口愈合[20]。Kim等[21]通過(guò)PS-OCT測(cè)量皮膚結(jié)構(gòu)和膠原蛋白雙折射的變化來(lái)確定燒傷深度；D-OCT通過(guò)評(píng)估血管系統(tǒng)監(jiān)測(cè)傷口愈合情況。此外，OCT還被用于評(píng)估瘢痕[22]，增生性瘢痕顯示與過(guò)度膠原沉積相關(guān)的血管分布增加和信號(hào)豐富的條帶；瘢痕疙瘩顯示真皮上部出現(xiàn)高反射區(qū)域及異質(zhì)形態(tài)，缺乏血管供應(yīng)或淋巴網(wǎng)絡(luò)，提示OCT成像有助于識(shí)別不同的瘢痕形成機(jī)制。

3.4 皮膚老化及美容

隨著人口老齡化，皮膚老化已成為重要的健康問(wèn)題，各種抗皮膚衰老和美容方法不斷問(wèn)世，而這些療法的功效宣稱需要提供科學(xué)依據(jù)，無(wú)創(chuàng)評(píng)估技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)十分關(guān)鍵。皮膚老化分為光老化和自然老化，二者在臨床和組織學(xué)上存在明顯差異。皮膚老化在OCT圖像上可觀察到的特征包括[23]：表皮厚度減少、DEJ變平(對(duì)應(yīng)自然老化)；角質(zhì)層增厚、表皮表面不均勻、表皮萎縮、真皮乳頭層丟失(對(duì)應(yīng)光老化)，表明皮膚各層形態(tài)變化和表皮厚度測(cè)量是OCT評(píng)估皮膚老化的重要方面。利用OCT評(píng)估抗衰老療法改善皺紋的效果，比傳統(tǒng)檢測(cè)方法更加客觀、快速及準(zhǔn)確[24，25]。除了皮膚結(jié)構(gòu)的變化，功能性O(shè)CT更多關(guān)注皮膚膠原纖維和微血管的改變，并對(duì)這些改變進(jìn)行定性與定量評(píng)價(jià)。一項(xiàng)研究利用HD-OCT觀察到自然老化皮膚比正常皮膚的真皮乳頭纖維更粗、更長(zhǎng)、更直，真皮乳頭毛細(xì)血管數(shù)量、大小均減少，但HD-OCT無(wú)法將膠原纖維與彈性纖維區(qū)分開(kāi)來(lái)[26]。目前研究的不足在于對(duì)皮膚形態(tài)變化的解釋缺乏標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)，近期一個(gè)研究小組嘗試制定標(biāo)準(zhǔn)的圖像采集程序和評(píng)估方法，結(jié)果表明真皮密度、500 μm皮膚深度血管密度的顯著降低可作為皮膚老化的OCT定量參數(shù)[27]。

4 總 結(jié)

目前對(duì)于皮膚病評(píng)估和臨床診斷的金標(biāo)準(zhǔn)仍然是切除活檢和組織病理學(xué)分析。但是，組織學(xué)分析步驟繁瑣、耗時(shí)、有創(chuàng)，活檢無(wú)法在同一部位重復(fù)進(jìn)行且存在并發(fā)癥的可能性。OCT技術(shù)具有無(wú)創(chuàng)、快速、非接觸等特點(diǎn)，因其良好的組織病理學(xué)相關(guān)性而在診斷皮膚癌和炎癥性皮膚疾病領(lǐng)域受到肯定。但是OCT設(shè)備在穿透深度、噪聲引入、經(jīng)濟(jì)成本和儀器的便攜易用性等方面仍面臨一定挑戰(zhàn)。近年來(lái)，OCT與其他非侵入性成像技術(shù)相結(jié)合的多模態(tài)成像方式逐漸得到越來(lái)越多的應(yīng)用，如與高頻超聲技術(shù)相結(jié)合評(píng)估皮膚瘢痕[28]，與反射共聚焦相結(jié)合診斷基底細(xì)胞癌[29]，與雙光子顯微鏡結(jié)合對(duì)皮膚炎癥的3D成像[30]等，不同儀器相結(jié)合可以在很大程度上彌補(bǔ)各個(gè)儀器單獨(dú)使用時(shí)的不足，可提高疾病診斷與評(píng)估的精確性。我們相信隨著科學(xué)的進(jìn)步，OCT將會(huì)被運(yùn)用到越來(lái)越多的領(lǐng)域，成為科學(xué)研究、臨床診斷等工作中更加精確、有效的檢測(cè)手段。