PHOTODIAGN PHOTODYN：光透明剂增强OCTA临床评估人体皮肤
- 北京心联光电科技有限公司2022年7月25日 9:51 点击：711
光学相干断层扫描血管造影术（OCTA）是一种新兴的成像技术，能够无标记地可视化微循环。然而其成像深度的不足限制了其在皮肤病学领域的发展。新设计的用于皮肤光学成像的光透明剂（optical
clearing agent, OCA）显示出可增强OCT成像深度的潜力。因此中国研究人员Yidi
Liu等研究了这种OCA是否能够提高OCTA在健康人体皮肤中的成像能力，以及OCA和OCTA的组合是否有利于比较葡萄酒色斑患者（PWS）的病变和对侧正常皮肤。发现这种新的OCA在增加OCTA成像穿透深度上效果非常好，可使对人体皮肤的穿透深度增加约0.16±0.03mm。且用去角质霜或医用胶带剥离对角质层进行预处理并不会进一步提高OCA的穿透功效。此外根据对该增强OCTA图像的综合分析发现，PWS病变皮肤深层（0.21mm以上）的血管密度和血管直径通常比对侧正常皮肤更大。证明了该OCA穿透增强型OCTA的临床价值。研究成果以“Penetration-enhanced
optical coherence tomography angiography with opticalclearing agent for
clinical evaluation of human skin”为题发表于Photodiagnosis and Photodynamic Therapy。
背景
光学相干断层扫描血管造影术（OCTA）是一种新兴的强大成像方式，它是一种无标记技术，能够通过提取源自流动红细胞的动态信号来可视化活组织中的微循环信息。OCTA在眼科领域的临床应用非常完善，并在各种视网膜疾病的诊断和监测中发挥着重要作用。最近研究显示OCTA在其他生物医学领域也有巨大应用潜力，如皮肤病学、神经学和牙科。其中皮肤是人体最大的器官，是保护皮肤免受有害化学物质和病原体侵害的重要屏障。皮肤功能紊乱可能会导致严重的疾病，大大降低患者生活质量。
葡萄酒色斑（PWS）是一种先天性进行性疾病，由血管畸形引起，可导致皮肤变色，人群中发病率在0.3%-0.5%之间。PWS可以出现在身体的任何部位，但主要出现在面部，可能会对患者的外貌和心理发展产生较严重的损害。光动力疗法（photodynamics therapy, PDT）是目前公认的PWS治疗方法。然而一些PWS患者中可能存在畸形毛细血管较深人眼很难观察到的情况，因而对光动力疗法的敏感性相对较低。OCTA的应用已经从视网膜疾病的诊断扩展到各种皮肤病的评估中，如银屑病、硬皮病、创伤和基底细胞癌。以前也有一些研究使用光学相干断层扫描（OCT）表征过PWS。然而早期的OCT性能和血管造影算法有限，无法提供高质量的结构和血管图像以进行综合评估。随着算法、光源、检测和扫描协议的进步，OCTA技术得到了极大改进，使得它有望用于PWS的临床诊断，帮助医生优化PDT的治疗方案。
与眼科中自然透明的眼睛不同，皮肤存在很强的光散射，致使OCTA在皮肤病学中的穿透性大大降低，限制了它皮肤病学中的应用。Tuchin等人提出了一种光透明技术的概念，将组织浸入光透明剂（OCA）中来提高光的穿透深度。通过使用具有高折射率和高渗性的生物相容性化学试剂来匹配组织的折射率，光透明技术可以减少光的散射并增强光学成像的穿透深度。已经有不同类型的OCA开发出来，提高了各种光学技术的成像能力如OCT，流式细胞术，光声显微术和激光散斑对比成像。最近X. Wen等报道了一种适合皮肤特性的新型OCA，不同于其他对活组织有毒或有害的OCA，这种新型OCA含有的高效试剂不仅具有生物安全性，还可增强体内光学成像性能。使用啮齿类动物模型进行的研究也证明了这种OCA的安全性和能力，能够大大增强光学成像对大鼠背部皮下血管的可视化效果，同时不影响皮肤中的血流。施用OCA的皮肤在生理盐水处理后也很快恢复，反复使用对皮肤无副作用。在动物皮肤体内成像的光透明效果方面，这种OCA是表现最好的。然而还没有研究将这种OCA应用于人类皮肤。研究这种OCA在改善人类皮肤病OCTA效果中的表现，对临床皮肤病学有很大意义。
本研究使用光源中心波长1325nm，半峰全宽100nm的频域OCTA系统（图1），探究了OCA在光学成像中的有效性，并将OCTA和OCA技术结合用于人体皮肤评估中。通过观察和分析这种OCA穿透增强的OCTA在健康志愿者和PWS患者中获得结构和脉管系统，将OCTA和OCA技术从科学研究转化为临床实践。
首先研究OCA对OCTA成像性能的增强效果。对于健康参与者，测试了与面部皮肤具有相同结构信息的手背皮肤。在OCA施用15min后，OCT/OCTA图像的整体亮度得到改善，使得皮肤细节更加明显。正面OCTA图像中血管也更加清晰（图3 a1，a2）。使用OCA后角质层没有高反射，此外由于光线的深度穿透，可以清楚地看到深层真皮层中的血管（白色箭头）。为进一步定量评估图像质量改善情况，对图3a1和a2中所有像素的灰度值分布进行了统计分析（图3a5）。两条曲线在低亮度噪声区域（灰度值< 20的区域）基本重合。使用OCA后，灰度值< 100的像素的比率较小，而灰度值> 100的像素的比率明显比未处理皮肤中的比率大。OCA在不改变图像噪声水平的情况下，增加了高灰度值的像素数，从而有效提高了图像的信噪比。此外如图3a6所示，在施用OCA后，最高的光强度出现在皮肤的较深位置，表明OCA能够增强1.3 μm左右光源对人皮肤的穿透深度。
本文研究了在人体皮肤中应用一种新的OCA的优点和临床价值。展示了OCA对1.3 μm光源OCTA系统穿透深度的影响，验证了OCA可以改善OCTA成像的深度和对比度，并对增强效果进行了量化。首次将OCA与OCTA技术相结合，对PWS患者病变血管进行了深度可视化研究。获得的这些成果突出了OCA和OCTA技术的巨大潜力及其在PWS病变诊断中的贡献。进一步研究可考虑治疗领域中广泛使用的532nm、630nm和980nm光源。此外本研究只有三名PWS患者参与，不足以进行统计分析，未来需要对更多的参与者进行进一步研究。同时更强大的OCA也有望进一步提高OCTA及其他临床光学成像模式的成像能力。
背景
光学相干断层扫描血管造影术（OCTA）是一种新兴的强大成像方式，它是一种无标记技术，能够通过提取源自流动红细胞的动态信号来可视化活组织中的微循环信息。OCTA在眼科领域的临床应用非常完善，并在各种视网膜疾病的诊断和监测中发挥着重要作用。最近研究显示OCTA在其他生物医学领域也有巨大应用潜力，如皮肤病学、神经学和牙科。其中皮肤是人体最大的器官，是保护皮肤免受有害化学物质和病原体侵害的重要屏障。皮肤功能紊乱可能会导致严重的疾病，大大降低患者生活质量。
葡萄酒色斑（PWS）是一种先天性进行性疾病，由血管畸形引起，可导致皮肤变色，人群中发病率在0.3%-0.5%之间。PWS可以出现在身体的任何部位，但主要出现在面部，可能会对患者的外貌和心理发展产生较严重的损害。光动力疗法（photodynamics therapy, PDT）是目前公认的PWS治疗方法。然而一些PWS患者中可能存在畸形毛细血管较深人眼很难观察到的情况，因而对光动力疗法的敏感性相对较低。OCTA的应用已经从视网膜疾病的诊断扩展到各种皮肤病的评估中，如银屑病、硬皮病、创伤和基底细胞癌。以前也有一些研究使用光学相干断层扫描（OCT）表征过PWS。然而早期的OCT性能和血管造影算法有限，无法提供高质量的结构和血管图像以进行综合评估。随着算法、光源、检测和扫描协议的进步，OCTA技术得到了极大改进，使得它有望用于PWS的临床诊断，帮助医生优化PDT的治疗方案。
与眼科中自然透明的眼睛不同，皮肤存在很强的光散射，致使OCTA在皮肤病学中的穿透性大大降低，限制了它皮肤病学中的应用。Tuchin等人提出了一种光透明技术的概念，将组织浸入光透明剂（OCA）中来提高光的穿透深度。通过使用具有高折射率和高渗性的生物相容性化学试剂来匹配组织的折射率，光透明技术可以减少光的散射并增强光学成像的穿透深度。已经有不同类型的OCA开发出来，提高了各种光学技术的成像能力如OCT，流式细胞术，光声显微术和激光散斑对比成像。最近X. Wen等报道了一种适合皮肤特性的新型OCA，不同于其他对活组织有毒或有害的OCA，这种新型OCA含有的高效试剂不仅具有生物安全性，还可增强体内光学成像性能。使用啮齿类动物模型进行的研究也证明了这种OCA的安全性和能力，能够大大增强光学成像对大鼠背部皮下血管的可视化效果，同时不影响皮肤中的血流。施用OCA的皮肤在生理盐水处理后也很快恢复，反复使用对皮肤无副作用。在动物皮肤体内成像的光透明效果方面，这种OCA是表现最好的。然而还没有研究将这种OCA应用于人类皮肤。研究这种OCA在改善人类皮肤病OCTA效果中的表现，对临床皮肤病学有很大意义。
本研究使用光源中心波长1325nm，半峰全宽100nm的频域OCTA系统（图1），探究了OCA在光学成像中的有效性，并将OCTA和OCA技术结合用于人体皮肤评估中。通过观察和分析这种OCA穿透增强的OCTA在健康志愿者和PWS患者中获得结构和脉管系统，将OCTA和OCA技术从科学研究转化为临床实践。
图1 本研究所用OCTA系统示意图。
图2 健康志愿者手背皮肤的扫描区域和处理步骤。
结果
首先研究OCA对OCTA成像性能的增强效果。对于健康参与者，测试了与面部皮肤具有相同结构信息的手背皮肤。在OCA施用15min后，OCT/OCTA图像的整体亮度得到改善，使得皮肤细节更加明显。正面OCTA图像中血管也更加清晰（图3 a1，a2）。使用OCA后角质层没有高反射，此外由于光线的深度穿透，可以清楚地看到深层真皮层中的血管（白色箭头）。为进一步定量评估图像质量改善情况，对图3a1和a2中所有像素的灰度值分布进行了统计分析（图3a5）。两条曲线在低亮度噪声区域（灰度值< 20的区域）基本重合。使用OCA后，灰度值< 100的像素的比率较小，而灰度值> 100的像素的比率明显比未处理皮肤中的比率大。OCA在不改变图像噪声水平的情况下，增加了高灰度值的像素数，从而有效提高了图像的信噪比。此外如图3a6所示，在施用OCA后，最高的光强度出现在皮肤的较深位置，表明OCA能够增强1.3 μm左右光源对人皮肤的穿透深度。
图3 （a1-a2）深度彩色编码的正面血管图像和（a3-a4）横断面结构图像。（a5）施用OCA前后的正面血管图像中比率对灰度值的曲线，以及（a6）OCT强度对深度位置的曲线。
图4 （a1-a3，b1-b3）OCTA系统获得的正面血管图像。（a4，b4）每次处理前后的比率对灰度值曲线。
02-OCA在PWS患者OCTA成像中的应用
图6 PWS患者图像、病变区和对侧正常区的正面OCTA图像。红色框为 OCTA成像的病变区域。
结论
本文研究了在人体皮肤中应用一种新的OCA的优点和临床价值。展示了OCA对1.3 μm光源OCTA系统穿透深度的影响，验证了OCA可以改善OCTA成像的深度和对比度，并对增强效果进行了量化。首次将OCA与OCTA技术相结合，对PWS患者病变血管进行了深度可视化研究。获得的这些成果突出了OCA和OCTA技术的巨大潜力及其在PWS病变诊断中的贡献。进一步研究可考虑治疗领域中广泛使用的532nm、630nm和980nm光源。此外本研究只有三名PWS患者参与，不足以进行统计分析，未来需要对更多的参与者进行进一步研究。同时更强大的OCA也有望进一步提高OCTA及其他临床光学成像模式的成像能力。
参考文献：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.
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