长距离swept-source OCTA在皮肤微循环成像方面

临床皮肤病学对成像工具的需求越来越大，以便能在人体不同皮肤部位进行活体、宽域的形态和功能检查。传统的基于光谱域光学相干层析成像的血管造影（SD-OCTA）系统受限于灵敏度滚降、成像范围以及成像速度而难以满足这些要求。为了减轻这些问题，华盛顿大学研究人员Jingjiang Xu等通过使用基于垂直腔面发射激光器的扫频源，开发出了一种swept-source OCTA （SS-OCTA）系统，并比较了SS-OCTA和SD-OCTA之的性能。得益于高系统灵敏度、长成像范围和优越的滚降性能，SS-OCTA系统在对人体皮肤成像方面的性能优于SD-OCTA系统，不仅允许结构和脉管系统的显著深度可视化（穿透高达2 mm），同时具有更宽视野能力（高达18 × 18平方毫米），能够更全面地评估从浅表表皮到深层zhenpi层的形态特征和功能性血管网络。预计SS-OCTA系统的优势将为临床转变提供基础，帮助现有皮肤病学实践的进行。文章以“Long ranging swept-source optical coherence tomography-based angiographyoutperforms its spectral-domain counterpart in imaging human skinmicrocirculations”为题发表于Journal of Biomedical Optics。

  背景

 基于迈克尔逊干涉测量原理，开发了光学光相干断层扫描（OCT）用于以微米级分辨率实时获得生物组织的体内截面和体积式图像。此外OCT也是一种非接触和非侵入性的成像方式，非常适合生物医学成像应用。眼睛是高度光学透明的，并且易于光学成像，因此在眼科的诊断和监测方面OCT有独特的优势。皮肤科中，临床评估的金标准方法是皮肤活检，但是具有侵入性，可能导致许多副作用包括疼痛、出血、结疤和感染等，对后续监测皮肤变化和评估治疗效果也有很大影响。就这一点而言，OCT可能很适合于皮肤应用。第一次OCT皮肤成像报告于1997年，展示了皮肤结构的可视化，如角质层、透明层、活表皮、乳头状zhenpi和汗腺。早期的皮肤OCT研究侧重于形态学信息，但这通常不足以用于了解皮肤病的病理。

 基于OCT的血管造影术（OCTA）是通过测量由功能性血管中的移动血细胞引起的动态变化，使得三维血管网络的体内可视化成为可能。由于其快速、无创、安全和成本效益高的特点，OCTA在眼科领域迅速进入临床应用，用于诊断和评估各种疾病，如青光眼、糖尿病性视网膜病和年龄相关性黄斑变性。然而，与相对光学透明的眼组织相比，皮肤组织对入射的OCT光束具有高度的光学散射，光无法穿透到更深的皮肤层，这可能是限制OCTA目前临床转变到皮肤病学的一个重要因素。此外，皮肤病可能发生在人体的任何位置，并且可能面积很大，且通常具有不均匀的表面拓扑形态。在这种情况下，想要进一步扩大OCTA在皮肤病学中的应用，需要它具有高灵敏度、快速、大成像范围、宽视野（FOV）以及灵活应用到不同皮肤部位的能力。

 与通过扫描参考臂产生干涉图的第一代time-domain OCT（TD-OCT）相比，具有固定参考臂的第二代Fourier-domain（FD-OCT）在灵敏度和成像速度方面具有显著优势。FD-OCT技术通常可分为两类。一种是spectral-domain OCT（SD-OCT），采用宽带光源并通过线性探测器阵列（如线性扫描照相机）对光谱干涉图进行空间采样。另一种是swept-source OCT（SS-OCT），利用波长扫描激光并通过光电探测器检测光谱干涉图时间变化。目前，SD-OCT是最广泛使用的系统，主要是由于宽带超发光源和快速线阵照相机方面的技术较成熟，以及振幅和相位的出色稳定性。然而SD-OCT也有缺点，首先，由于相机的像素宽度和光栅的线密度，SD-OCT中光谱仪的光谱分辨率相对较差，导致灵敏度会在几毫米内快速下降。OCT灵敏度在表面不平坦皮肤的不同空间位置可能有所不同，会导致深度轴位置信息的可视化不一致。其次，商用线阵相机的像素数量相对较小，仅有几千个采样点（通常1-2 k）来记录光谱。因此成像范围只有几毫米，还通常要求成像区域平坦平滑。而且，由于相机的根本限制，SD-OCT的成像速度很难进一步提高。目前商用线阵InGaAs相机的最快速度约150 kHz，对于功能性皮肤成像，大视场采样既耗时又困难。

 另一方面，扫描源的发展似乎有望克服这些限制。扫频源的瞬时线宽是决定相干长度和滚降性能的关键参数。放大光学时间展宽、傅立叶域锁模激光器和基于多边形扫描仪的滤波器等swept-source技术，都有足够的窄线宽来实现20 mm以上的相干长度。垂直腔面发射激光器（VCSEL）和无磁场扫频源以单纵模工作，产生空前的相干长度和几十厘米甚至几米范围内的灵敏度滚降。此外，得益于电信技术，光电探测器和数字化仪现在能够实现超过千兆赫甚至几十千兆赫带宽的超高速数据采集。SS-OCT中干涉图的大量采样点允许极长的成像范围（超过多探头范围），有利于需要宽FOV的皮肤成像应用。就成像速度而言，扫描源技术在过去十年中取得了显著发展，扫描速率从数百千赫提高到数兆赫。这些高速SS-OCT系统在减少采集时间和增加大成像区域的采样密度方面具有巨大潜力。

 本研究报告了新开发的SS-OCTA，使用VCSEL扫频激光器，最终目的是应用于皮肤病学领域。手持扫描探针便于接近人的不同皮肤部位。为了证明它的优点，在SS-OCTA和传统的SD-OCTA之间进行了一系列比较，包括基本的灵敏度滚降性能，正常和异常皮肤部位的详细评估，以及具有不平坦表面的大块皮肤组织。

 
 图1 用于皮肤病成像的SS-OCTA系统和SD-OCTA系统。

 结果

 01-灵敏度衰减性能
 通过使用参考臂中的平移台来调节光学延迟，分别为SD-OCTA系统和SS-OCTA系统生成了系统灵敏度滚降曲线（图2）。在线阵相机中，以1310 nm波长为中心全光谱跨度约120 nm，像素阵列2048，SD-OCTA系统成像范围为7.3 mm，光谱分辨率约0.08 nm。在样品臂5 mW光功率和147 kHz的A-line速率情况下，接近零延迟线的位置，SD-OCTA系统的测量灵敏度约102 dB。然而深度的增加使得OCT灵敏度快速下降，主要是由于光谱仪中的光谱分辨率相对有限。SS-OCTA系统方面，A-line速度为200 kHz（高于SD-OCTA系统），但在零延迟线附近测得的灵敏度为105 dB，仍优于SD-OCTA系统。这在很大程度上归功于双平衡光电探测器的高效率、A/D卡的快速采集速度以及激光器的窄线宽。数字化仪在外部时钟模式下运行，使用扫描激光器的光学时钟提供线性k采样。光学时钟由内置的MZI产生，光学延迟为48 mm，成像范围为12 mm，每个光谱有2560个采样点。由于MEMS-VCSEL激光器以单纵模工作，因此瞬时线宽非常窄（< 3 pm），导致超长相干长度。如图2b所示，在8 mm的深度范围内，灵敏度保持在100 dB以上。超过8 mm距离灵敏度突然下降是由于平衡光电探测器的带宽限制，只有400 MHz，如果采用更高的平衡探测器带宽，这还可以进一步提高。如图2所示的两个系统之间的比较表明，SS-OCTA系统具有更高的灵敏度和更好的滚降性能，成像范围也更大，这将非常有利于人体皮肤的宽域成像。

 
 图2 系统灵敏度滚降的比较。（a）SD-OCT系统；（b）SS-OCT系统。

  02-正常皮肤的OCTA成像和比较
 在系统灵敏度滚降评估之后，进一步比较两个系统之间的体内皮肤OCTA成像。首先对正常皮肤样本进行了皮肤OCTA成像。为健康志愿者右手的手掌皮肤。为增强光学穿透力，皮肤表面滴一滴甘油溶液并覆盖了薄玻片进行折射指数匹配。图3显示了血管网络的正面最大强度投影（MIP），按深度进行颜色编码，分别由SD-OCTA系统和SS-OCTA系统捕获。由于线阵相机能够以不同速度运行，为SD-OCTA系统设置了两种成像A-line速率。其一为76 kHz，为大多数用于皮肤成像的SD-OCT系统的典型成像速度（图3a）；另一个是147 kHz，为市售线阵照相机的最高速度（图3b）。在160 Hz的B frame速率和80%的快速扫描占空比下，以76 kHz的A-line速率捕获的正面血流图像（图3a）在X和Y方向上包含380 × 380像素，覆盖3.8 × 3.8 mm2的FOV。而147 kHz的SD-OCTA采样像素更多（735 × 735），FOV更宽（7.35 × 7.35mm2）（图3b）。虽然A-line速率较低导致FOV较小，但较长的积分时间能够收集更多从皮肤组织中出现的OCT光子。因此，与147 kHz SD-OCTA相比，76 kHz SD-OCTA的灵敏度更高、深层血管可视化效果更好（图3a，b）。另一方面，SS-OCTA系统以200 kHz扫描速率运行，是本研究中的最高成像速度。在相同的B frame速率和采样间隔下，SS-OCTA系统捕获的血流图像（图3c）包含1000 × 1000个像素，提供10 × 10 mm2的宽FOV。此外，由于更高的OCT灵敏度和更好的滚降性能，SS-OCTA系统提供更多关于血管网络的信息，不仅观察到位于浅层的小血管（绿色），还观察到穿透深层zhenpi层的大血管（红色）。



  图3 分别用SD-OCT和SS-OCT的人右手掌正面OCTA图像，深度颜色编码。（a）SD-OCTA系统76 kHz、3.8 × 3.8 mm2 FOV拍摄的血管图像。（b）SD-OCTA系统147 kHz、7.3 × 7.3 mm2 FOV拍摄的血管图像。（c）SS-OCTA系统200 kHz的A-line速率、10 × 10mm2 FOV拍摄的图像。

 图4为图3中白色虚线处的结构（灰色）和脉管系统（红色）的代表性截面图像。上面两幅（图4a和b）是SD-OCTA系统分别以76 kHz和147 kHz的A-line速率拍摄的，而下面一幅（图4c）来自SS-OCTA系统。在这些图像中，可以清楚地观察到角质层、透明层、表皮-zhenpi结合部和zhenpi组织的生理结构。绿色虚线将表皮和zhenpi分开。比绿色虚线深约0.5 mm处画了一条黄虚线，黄色虚线下的结构和血流在147 kHz的SD-OCTA系统中几乎是看不见的。在较低的成像速度下，76 kHz SD-OCTA系统在这个更深的区域具有稍好的可视化。由于在轴向深层（图2）的系统灵敏度高得多，SS-OCTA系统在皮肤中表现出显著的穿透深度（图4c），给出了更多的内部细节，能够清楚地识别组织结构以及支配深层zhenpi层的功能血管。



 图4 覆盖了血流信号（红色）的OCT结构（灰色）典型截面B-scan。为图3a和b白色虚线位置。（a） SD-COT以76 kHz运行；（b） 147 kHz。（c）SS-OCT以200 kHz运行。（d）皮肤结构和脉管系统示意图。

 研究还生成了人类手掌不同深度层的血液灌注图（图5）。自动分割软件将3D图像分割成深度分辨的生理层，从上到下分别对应76 kHz SD-OCTA、147 kHz SD-OCTA和200 kHzSS-OCTA。从左至右为三个深度层中的血管网络。第一层是距皮肤表面0-0.5 mm，代表图4中绿色虚线上方的表皮层。SD-OCTA系统和SS-OCTA系统都可见到丰富的表皮血管丛，包括渗透该层的毛细血管环。血管直径相对较小，血管图案与志愿者的掌纹吻合良好。第二层为0.5-1 mm，描绘了图4中绿色虚线和黄色虚线之间的浅层zhenpi层。浅层zhenpi层中主要是相互连接的血管，可以通过OCTA系统清晰地观察到。但图像亮度方面SD-OCTA系统弱于SS-OCTA系统。第三层是1-2 mm的深层zhenpi层，在图4的黄线下。这个深层区域的血管被称为深层血管丛，其直径相对较大，为皮肤代谢提供营养。147 kHz SD-OCTA系统拍摄的图像难以识别深血管丛（图5b3）。76 kHz SD-OCTA系统对这些大血管具有更好的图像质量（图5a3），但仍然不足以为它们提供良好的可视化。使用200 kHz的SS-OCTA系统，能够在轴向深处以优越的OCT灵敏度获得如图5c3所示的深血管丛的最佳可视化效果。可以清楚地观察到大血管和一些相互连接的血管，提供了更全面的血管信息，这可能有助于了解临床应用中的皮肤病理学。不同皮肤层中血管网络的比较表明，在皮肤血液灌注成像方面，SS-OCTA系统优于SD-OCTA系统。


 
 图5 手掌不同深度的正面OCTA图像。顶部（a1-a3）、中间（b1-b3）和底部（c1-c3）分别对应图3a-3c。左侧（a1–c1）是深度层0-0.5 mm的血液灌注图，中间（a2–c2）是0.5-1 mm，右侧（a3–c3）是1-2 mm。

 03-良性痣的OCTA成像和比较
 

使用两个OCTA系统对异常皮肤部位进行了检查。图6a为志愿者前臂背侧直径约3.5 mm的黑色痣的照片，FOV为10 × 10 mm2。为了覆盖这一大面积，以147 kHz运行SD-OCTA系统。图6b是SS-OCTA系统拍摄的正面结构图像，可以清楚地观察到痣的位置和边界、表皮嵴的曲线以及毛发。SD-OCTA系统的正面结构图像非常类似。正面血管网图像可见两种系统的血管成像能力不同，SD-OCTA可识别约0-1 mm的浅表皮肤层中的血管，绿色占主导地位（图6c）；相反，SS-OCTA对深层脉管系统的可视化效果更好，可描绘出浅皮肤层中的小血管以及深层zhenpi层中的大血管（图6d）。此外还观察到与周围正常皮肤区域相比，痣中的血管密度较小，血管模式不同，表明痣是一种活的皮肤组织，但代谢活动较少。

 

 图6 渗透良性痣的微血管网络OCTA图像。（a）带痣的皮肤。（b）SS-OCTA系统获得的正面结构图像。（c）和（d）分别是SD-OCTA和SS-OCTA对同一皮肤区域深度进行颜色编码的正面血管图像。

 

图7为结构（灰色）和脉管系统（红色）的2D B-scan图像，为图6虚线位置。与图4的人手掌的皮肤相比，前臂背侧的角质层较薄。图片中间的肿块是黑色良性痣。尽管痣中含有丰富的色素，但这两种系统都能观察到痣内的zhenpi组织。可见SD-OCTA对皮肤深层区域的穿透较少（图7a），而SS-OCTA具有更强的OCT信号，可视化效果更好（图7b）。对血管的成像能力也受到OCT信号强度的很大影响。因此，SD-OCT中色素痣区域的血流信号较弱，在深层zhenpi层的血管更难观察到，而SS-OCTA的成像质量更好。

 

 图7 2D截面B-scan图像，皮肤结构（灰色）覆盖血管（红色），分别由（a） SD-OCTA和（b） SS-OCTA捕获。

 在不同深度层生成了痣的正面血液灌注图（图8）。皮肤由图7中的绿色虚线分成两层：深度0-0.8 mm的表层皮肤层和深度0.8-1.6 mm的深层zhenpi层。第一层的血管以绿色，第二层的血管以红色显示。SD-OCTA和SS-OCTA都能看到第一皮肤层内的丰富浅表血管丛，但SS-OCTA的图像对比度和清晰度更好。至于深层zhenpi血管丛，SS-OCTA的可视化效果比SD-OCTA更好。SS-OCTA可清晰识别大血管的网络（图8b2），而SD-OCTA的第对比度和SNR几乎无法看到（图8a2）。皮肤不同层血管的分割提供了痣皮肤循环的信息，SS-OCTA在皮肤评估中的表现明显优于SD-OCTA系统。

 
 图8 浅层0-0.8 mm（a1和b1）和深层0.8-1.6 mm（a2和b2）的良性痣皮肤的正面血管网。顶部：SD-OCTA。底部：SS-OCTA。

  04-对人手指的OCTA成像及比较
 

为进一步说明SS-OCTA的优势，对人类手指进行了成像比较，人类手指的拓扑特征更复杂，即表面不平坦。在这种情况下，SD-OCTA系统以147 kHz的最大速度运行，以产生更多的采样点。手持扫描探头采用长焦距（110 mm）大直径透镜，横向分辨率约50 μm。成像FOV为18 × 18 mm2，覆盖整个指尖区域。图9中顶部图像为147 kHz SD-OCTA系统拍摄，底部图像为200 kHz SS-OCTA系统拍摄。正面结构图像（左栏）帮助识别指尖的不同部分，包括指甲板、月突、角质层、指甲盖和近端指甲褶皱。黄色箭头所示的侧甲褶皱通过SS-OCTA系统清晰呈现，但SD-OCT系统由于沿深度的快速灵敏度滚降和有限的测距距离，可视化效果不好。图9d中手指结构的亮度相对均匀，但图9a中部分较暗，这在解读指尖形态时可能会产生误导信息。中间图像是指尖血管网络的正面MIP。SD-OCTA系统能看到近端甲襞区域的血管，但甲板下的血管部分或几乎观察不到。使用SS-OCTA系统，单次扫描即可见指尖背侧的整个皮肤循环网络（图9e），包括厚甲板下的血管、侧甲襞和远端边缘的血管。右栏的2D横截面图像也很好地验证了这两个系统的成像能力。白色箭头所示的侧甲褶皱位于轴向深处，SD-OCTA系统几乎无法可见。指甲板厚度约0.8 mm，也会削弱OCT的光，导致SD-OCTA系统中的血流信号相对较弱。图9f可见指尖轮廓，从指甲板顶部到横向指甲褶皱底部，深度范围约5 mm。厚指甲下的皮肤zhenpi中的血管以及深层的侧甲皱襞中的血管也识别良好。形态学和功能性脉管系统可视化方面的优势，使SS-OCTA有望成为临床的有用工具，因为人的手指是很重要健康指标，与许多疾病相关，如糖尿病、贫血、甲状腺、营养不良等。

 

 图9 分别由SD-OCTA系统（上）和SS-OCTA系统（下）捕获的人体指尖图像。（a）和（d）为结构的正面MIP图像。中间（b和e）为正面的血管网络。（c）和（f）是分别为（a）和（d）中白色虚线处覆盖有血管（红色）的结构（灰色）图像。

 结论
 本研究验证了一个用于人体皮肤成像的高性能SS-OCT系统。选择的光源是一个以1300 nm为中心、光谱带宽为100 nm的MEMS-VCSEL扫描激光器，可提供高达200 kHz的A-line速率和窄的瞬时线宽。研究还建立了一个常规的SD-OCTA系统进行成像性能比较。根据对系统滚降曲线的评估，SS-OCTA系统可以在8 mm深度位置上实现12 mm的成像范围，灵敏度超过100 dB，远优于SD-OCTA系统。还在良性痣的正常和异常皮肤上使用这两种系统进行了成像，表明OCTA系统能够从浅表皮肤层到深度达2 mm的深层zhenpi层进行更全面的结构和血管检查。整个指尖的成像进一步证明了与SD-OCTA系统相比，SS-OCTA对于具有不均匀表面拓扑的大体积皮肤成像的优势。SS-OCTA系统的卓越性能有望在皮肤科的临床应用中发挥巨大价值。
 

 

参考文献：Xu, J. , et al. "Long ranging swept-source optical coherence tomography-based angiography outperforms its spectral-domain counterpart in imaging human skin microcirculations." Journal of Biomedical Optics 22(2017).