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
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)。
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。
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
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
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
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。
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
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。