空間頻域成像檢測組織生理參數技術在臨床中的應用與研究進展

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成像技術，主要采用結構光與特定的光傳輸模型相結合，在檢測組織形態結構的同時能夠提供組織的光學和生理參數信息，具有快速、寬場、無創、非接觸、定量檢測等特點，廣泛應用于生物醫學基礎研究和臨床診療等多個領域。本文就SFDI技術的基本原理和方法，以及其在臨床常見疾病中的應用現狀與研究進展作一綜述，旨在為臨床相關疾病的診療提供一種科學、新穎、可靠的評估方法。

1 SFDI的原理和方法

SFDI技術主要是通過寬場光源和空間光調制器與特定的光傳輸模型相結合來獲取樣品組織區域的光學特性參數——吸收系數(absorption coefficient，μa)和約化散射系數(scattering coefficient，μs’)，進而反演出組織成分的生理參數，如氧化血紅蛋白、脫氧血紅蛋白、血氧飽和度水平等。不同空間頻率的結構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，組織越易發生光的散射；反之低頻結構光照射組織越易發生吸收?；谝陨显?，使用兩個或兩個以上頻率的光源可以有效區分μa和μs’兩個參數。根據氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的光吸收差異特征，SFDI技術通常選擇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字微鏡(digital micromirror device，DMD)裝置上，經由DMD裝置空間調制形成寬場正弦圖像，投射出結構光照射到待測組織上，待測組織的漫反射光被數碼相機捕獲形成漫反射圖像，根據系統的調制傳遞函數(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和約化散射系數[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(常被稱為發色團)的濃度，該濃度不同于化學意義上的稀釋介質中的濃度，它是指光照條件下單位組織體積內各成分的定量測定值，即待測組織的生理參數[3]。

2 SFDI在臨床上的應用

SFDI技術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，可實現動態監測，在疾病的預測、診療和預后評估過程中具有獨特優勢。

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致各種并發癥的發生，糖尿病足是其最嚴重的并發癥之一[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的臨床特征如感染、水腫和神經系統病變等可能影響常規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系統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)、神經傳導速度檢查(nerveconduction study ,NCS)等，后者包括踝肱指數(ankle brachial index, ABI)、彩色多普勒超聲檢查(color doppler flow imaging，CDFI)、經皮氧分壓檢測(transcutaneous oxygen pressure，TcPO2)、數字減影血管造影(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易受儀器設備和外界環境刺激的影響，穩定性較差[5]；NCS和DSA屬于有創檢查，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,缺乏統一可靠的診斷標準[8]；TcPO2可反映微血管功能狀態，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、非接觸、檢測方法簡單靈活[1]等優點，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)的局部微循環圖像，測算足部組織中深達4 mm皮膚微循環光學和生理參數，用于評估糖尿病足的病程階段，為糖尿病足潰瘍風險分層提供了定量依據[10]。Murphy等[11]研究發現SFDI能夠在出現臨床可識別體征之前檢測出潰瘍風險部位明顯的微循環和氧合變化，這表明SFDI檢測技術可能為臨床診斷與治療以及縱向跟蹤隨訪提供參考依據。Li等[12]采用實時單快照多頻解調SFDI(single snapshot multiple-frequency demodulation SFDI,SSMD-SFDI)系統對健康志愿者、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和生理參數，其結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系統測量的光學和生理參數與糖尿病病程之間關系密切，SSMD-SFDI系統在預測糖尿病足的發生和嚴重程度以及監測組織微循環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生問題，燒傷傷口若得不到及時救治，可能會導致感染、疤痕、毀容、長期住院、功能損害和殘疾等。燒傷創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鍵作用。目前，應用最廣泛、成本最低的燒傷深度的評價主要依賴于外科醫師的主觀評價，如創面的顏色特征、毛細血管充盈狀態、燒傷創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，FLIR)熱成像技術通過檢測燒傷皮膚的溫度來間接對創面深度進行評估，但在評估Ⅲ度燒傷可修復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，但由于實驗條件復雜和基礎設施要求高，使得該方法在臨床應用中未能普及[16]。激光多普勒(laser doppler perfusion imager，LDI)能夠對燒傷創面進行無創掃描成像，定量分析皮膚特定區域的微血管血流量，但易受反應性血管收縮、溫度及體位改變的影響，準確性較低[17]。SFDI可以無創、定量描述皮膚燒傷傷口愈合過程中發生的皮下變化[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特性的近實時廣域圖，用于評估各種皮膚修復干預措施的有效性。Ponticorvo等[19]在后來的臨床病例研究中應用SFDI技術通過識別低散射組織來進行燒傷程度評估，結果顯示SFDI技術可以減少患者的住院時間和降低手術費用成本。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反射數據的可行性，該模型基于所有波長獲得的空間頻率圖像來預測24 h燒傷嚴重程度的準確率為92.5%,這表明SFDI與機器學習的結合用于預測燒傷嚴重程度準確性方面具有潛在優勢。

2.3 皮膚疾病 在臨床中，皮膚病的診斷主要依賴于臨床醫生的經驗和組織病理學檢查。常見的皮膚病輔助診斷技術主要包括組織成像技術(如皮膚鏡)、高頻超聲成像技術、皮膚CT技術和MRI技術等。近年來，激光光譜檢測技術和光學相干層析術(optical coherence tomography，OCT)的應用前景也普遍受到關注。與以上技術不同，SFDI 技術能夠定量得到皮膚組織的二維光學參數和生理參數信息，為臨床醫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指導提供有效依據[21]。Tracers等[22]應用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性質和生理參數的變化情況，發現光學和生理參數可用于光損傷程度分級，臨床醫師可使用這種非侵入性方法對高危人群進行風險評估和隨訪監測。Yafi等[23]發現SFDI還可用于壓瘡的風險分層、分期和愈合評估，對可能產生壓瘡的部位進行定量和縱向評估，既可以降低發病率和避免后遺癥，又可以為患者降低醫療成本。Rohrbach等[24]將SFDI技術與超聲成像定位相結合，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前定位指導和治療。在國內，溫州醫科大學附屬第一醫院皮膚科利用SFDI實驗裝置采集不同類型皮膚病患者的光學參數和生理參數信息，結果表明帶狀皰疹、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參數和生理參數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BI-RADS分級進行相應處理，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檢測方法，對于乳腺手術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標本進行實時成像，在初次手術時對手術邊緣進行評估，保證手術切除樣本的完整性，以降低乳腺手術相關的二次切除率。Mcclatchy等[28]采用SFDI對31例人類乳腺組織進行定量分析發現，通過光學參數預測的樣本平均基質、上皮和脂肪體積分數與從組織切片計算的體積分數高度一致，且通過預測的上皮與基質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。

2.5 神經系統疾病 由于SFDI技術的光源不能透過完整的顱骨而成像，因此SFDI對腦部神經系統的研究主要集中在臨床前模型研究。Sunil等[29]研究發現，SFDI可以表征阿爾茨海默病等退行性疾病神經組織和生理的動態變化，SFDI可以對阿爾茨海默病模型中的功能區進行定量，并且可能是研究阿爾茨海默病神經組織成分和生理學動態變化的有效方法。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還可以應用于心臟驟停和心肺復蘇、癲癇、創傷性腦損傷、偏頭痛等腦皮層特性的監測[32]。最近，Zhao等[33]研究的一種新的半色調SFDI在一系列具有廣泛光學特性的模型以及活體組織上得到了驗證，半色調SFDI可以縱向監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，在腦科學和流體動力學研究中具有較大的潛力。

2.6 外科手術指導和監測 SFDI技術在外科的應用主要集中在術前評估、術中指導和術后的無創監測方面。當機體的細胞、組織或器官喪失原來的功能狀態而不能滿足機體正?；顒?，并出現功能衰竭時，移植成為了最終的選擇。目前，各類移植技術已經日漸成熟和得到廣泛應用，移植手術后的組織活力和血運監測通常是根據臨床經驗、感覺狀態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作的可能性，有助于減少并發癥的發生[1]。SFDI能夠通過檢測皮瓣移植術后愈合過程中的血流動力學變化，測量傷口的空間不均勻性，預測異質性愈合,從而為臨床評估和預后提供參考依據[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技術在面部移植過程中的應用研究表明，其在重建顯微外科手術中提供有關血管完整性的術中指導方面有較大的應用價值。SFDI還可用于縱向監測小鼠股骨移植的股動脈血管生成，動態評估骨移植的愈合情況[36]。另外，SFDI還可以在手術期間提供術中實時氧合圖像，可以幫助外科醫師在單側乳房重建手術中進行指導，以提高臨床效果和預防并發癥的發生[37]。SFDI與相移輪廓術相結合用于區分人前列腺組織(前基質、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中能最大限度地降低前列腺外組織受損的風險，并最終檢測殘留癌，從而向外科醫師提供準確可靠的信息，提高手術的準確性[38]。

2.7 其他 Singh-Moon等[39]將SFDI技術應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研究奠定基礎。Li等[40]對一項人體結直腸組織的離體研究表明，SFDI能夠區分正常、腺瘤性息肉和癌癥標本的光吸收和散射特征，有可能在未來優化用于遠端胃腸道疾病的腔內篩查。

3 小結與展望

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用現狀，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、非接觸、定量檢測方面的優勢。SFDI在糖尿病及糖尿病足監測、燒傷評估、皮膚病診斷、手術指導監測等方面已顯示出較高的臨床價值，但在實際臨床應用中仍然面臨著各種挑戰。在未來的研究中，筆者希望通過對SFDI技術的不斷優化與改進，實現原理、器件、儀器與應用的創新，提高對組織狀態和疾病診斷的特異性和敏感性，實現對機體的動態變化檢測，為臨床早期、精準診斷與治療提供參考，從而改善疾病預后，提高患者生活質量。