臨床皮膚病學對成像工具的需求越來越大，以便能在人體不同皮膚部位進行活體、寬域的形態(tài)和功能檢查。傳統(tǒng)的基于光譜域光學相干層析成像的血管造影（SD-OCTA）系統(tǒng)受限于靈敏度滾降、成像范圍以及成像速度而難以滿足這些要求。為了減輕這些問題，華盛頓大學研究人員Jingjiang Xu等通過使用基于垂直腔面發(fā)射激光器的掃頻源，開發(fā)出了一種swept-source OCTA （SS-OCTA）系統(tǒng)，并比較了SS-OCTA和SD-OCTA之的性能。得益于高系統(tǒng)靈敏度、長成像范圍和*的滾降性能，SS-OCTA系統(tǒng)在對人體皮膚成像方面的性能優(yōu)于SD-OCTA系統(tǒng)，不僅允許結構和脈管系統(tǒng)的顯著深度可視化（穿透高達2 mm），同時具有更寬視野能力（高達18 × 18平方毫米），能夠更全面地評估從淺表表皮到深層真皮層的形態(tài)特征和功能性血管網(wǎng)絡。預計SS-OCTA系統(tǒng)的優(yōu)勢將為臨床轉變提供基礎，幫助現(xiàn)有皮膚病學實踐的進行。文章以“Long ranging swept-source optical coherence tomography-based angiographyoutperforms its spectral-domain counterpart in imaging human skinmicrocirculations”為題發(fā)表于Journal of Biomedical Optics。

  背景

 基于邁克爾遜干涉測量原理，開發(fā)了光學光相干斷層掃描（OCT）用于以微米級分辨率實時獲得生物組織的體內截面和體積式圖像。此外OCT也是一種非接觸和非侵入性的成像方式，非常適合生物醫(yī)學成像應用。眼睛是高度光學透明的，并且易于光學成像，因此在眼科的診斷和監(jiān)測方面OCT有*的優(yōu)勢。皮膚科中，臨床評估的金標準方法是皮膚活檢，但是具有侵入性，可能導致許多副作用包括疼痛、出血、結疤和感染等，對后續(xù)監(jiān)測皮膚變化和評估治療效果也有很大影響。就這一點而言，OCT可能很適合于皮膚應用。第一次OCT皮膚成像報告于1997年，展示了皮膚結構的可視化，如角質層、透明層、活表皮、乳頭狀真皮和汗腺。早期的皮膚OCT研究側重于形態(tài)學信息，但這通常不足以用于了解皮膚病的病理。

 基于OCT的血管造影術（OCTA）是通過測量由功能性血管中的移動血細胞引起的動態(tài)變化，使得三維血管網(wǎng)絡的體內可視化成為可能。由于其快速、無創(chuàng)、安全和成本效益高的特點，OCTA在眼科領域迅速進入臨床應用，用于診斷和評估各種疾病，如青光眼、糖尿病性視網(wǎng)膜病和年齡相關性黃斑變性。然而，與相對光學透明的眼組織相比，皮膚組織對入射的OCT光束具有高度的光學散射，光無法穿透到更深的皮膚層，這可能是限制OCTA目前臨床轉變到皮膚病學的一個重要因素。此外，皮膚病可能發(fā)生在人體的任何位置，并且可能面積很大，且通常具有不均勻的表面拓撲形態(tài)。在這種情況下，想要進一步擴大OCTA在皮膚病學中的應用，需要它具有高靈敏度、快速、大成像范圍、寬視野（FOV）以及靈活應用到不同皮膚部位的能力。

 與通過掃描參考臂產生干涉圖的第一代time-domain OCT（TD-OCT）相比，具有固定參考臂的第二代Fourier-domain（FD-OCT）在靈敏度和成像速度方面具有顯著優(yōu)勢。FD-OCT技術通常可分為兩類。一種是spectral-domain OCT（SD-OCT），采用寬帶光源并通過線性探測器陣列（如線性掃描照相機）對光譜干涉圖進行空間采樣。另一種是swept-source OCT（SS-OCT），利用波長掃描激光并通過光電探測器檢測光譜干涉圖時間變化。目前，SD-OCT是廣泛使用的系統(tǒng)，主要是由于寬帶超發(fā)光源和快速線陣照相機方面的技術較成熟，以及振幅和相位的出色穩(wěn)定性。然而SD-OCT也有缺點，首先，由于相機的像素寬度和光柵的線密度，SD-OCT中光譜儀的光譜分辨率相對較差，導致靈敏度會在幾毫米內快速下降。OCT靈敏度在表面不平坦皮膚的不同空間位置可能有所不同，會導致深度軸位置信息的可視化不一致。其次，商用線陣相機的像素數(shù)量相對較小，僅有幾千個采樣點（通常1-2 k）來記錄光譜。因此成像范圍只有幾毫米，還通常要求成像區(qū)域平坦平滑。而且，由于相機的根本限制，SD-OCT的成像速度很難進一步提高。目前商用線陣InGaAs相機的最快速度約150 kHz，對于功能性皮膚成像，大視場采樣既耗時又困難。

 另一方面，掃描源的發(fā)展似乎有望克服這些限制。掃頻源的瞬時線寬是決定相干長度和滾降性能的關鍵參數(shù)。放大光學時間展寬、傅立葉域鎖模激光器和基于多邊形掃描儀的濾波器等swept-source技術，都有足夠的窄線寬來實現(xiàn)20 mm以上的相干長度。垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）和無磁場掃頻源以單縱模工作，產生kongqian的相干長度和幾十厘米甚至幾米范圍內的靈敏度滾降。此外，得益于電信技術，光電探測器和數(shù)字化儀現(xiàn)在能夠實現(xiàn)超過千兆赫甚至幾十千兆赫帶寬的超高速數(shù)據(jù)采集。SS-OCT中干涉圖的大量采樣點允許極長的成像范圍（超過多探頭范圍），有利于需要寬FOV的皮膚成像應用。就成像速度而言，掃描源技術在過去十年中取得了顯著發(fā)展，掃描速率從數(shù)百千赫提高到數(shù)兆赫。這些高速SS-OCT系統(tǒng)在減少采集時間和增加大成像區(qū)域的采樣密度方面具有巨大潛力。

 本研究報告了新開發(fā)的SS-OCTA，使用VCSEL掃頻激光器，最終目的是應用于皮膚病學領域。手持掃描探針便于接近人的不同皮膚部位。為了證明它的優(yōu)點，在SS-OCTA和傳統(tǒng)的SD-OCTA之間進行了一系列比較，包括基本的靈敏度滾降性能，正常和異常皮膚部位的詳細評估，以及具有不平坦表面的大塊皮膚組織。

 
 圖1 用于皮膚病成像的SS-OCTA系統(tǒng)和SD-OCTA系統(tǒng)。

 結果

 01-靈敏度衰減性能
 通過使用參考臂中的平移臺來調節(jié)光學延遲，分別為SD-OCTA系統(tǒng)和SS-OCTA系統(tǒng)生成了系統(tǒng)靈敏度滾降曲線（圖2）。在線陣相機中，以1310 nm波長為中心全光譜跨度約120 nm，像素陣列2048，SD-OCTA系統(tǒng)成像范圍為7.3 mm，光譜分辨率約0.08 nm。在樣品臂5 mW光功率和147 kHz的A-line速率情況下，接近零延遲線的位置，SD-OCTA系統(tǒng)的測量靈敏度約102 dB。然而深度的增加使得OCT靈敏度快速下降，主要是由于光譜儀中的光譜分辨率相對有限。SS-OCTA系統(tǒng)方面，A-line速度為200 kHz（高于SD-OCTA系統(tǒng)），但在零延遲線附近測得的靈敏度為105 dB，仍優(yōu)于SD-OCTA系統(tǒng)。這在很大程度上歸功于雙平衡光電探測器的高效率、A/D卡的快速采集速度以及激光器的窄線寬。數(shù)字化儀在外部時鐘模式下運行，使用掃描激光器的光學時鐘提供線性k采樣。光學時鐘由內置的MZI產生，光學延遲為48 mm，成像范圍為12 mm，每個光譜有2560個采樣點。由于MEMS-VCSEL激光器以單縱模工作，因此瞬時線寬非常窄（< 3 pm），導致超長相干長度。如圖2b所示，在8 mm的深度范圍內，靈敏度保持在100 dB以上。超過8 mm距離靈敏度突然下降是由于平衡光電探測器的帶寬限制，只有400 MHz，如果采用更高的平衡探測器帶寬，這還可以進一步提高。如圖2所示的兩個系統(tǒng)之間的比較表明，SS-OCTA系統(tǒng)具有更高的靈敏度和更好的滾降性能，成像范圍也更大，這將非常有利于人體皮膚的寬域成像。

 
 圖2 系統(tǒng)靈敏度滾降的比較。（a）SD-OCT系統(tǒng)；（b）SS-OCT系統(tǒng)。

  02-正常皮膚的OCTA成像和比較
 在系統(tǒng)靈敏度滾降評估之后，進一步比較兩個系統(tǒng)之間的體內皮膚OCTA成像。首先對正常皮膚樣本進行了皮膚OCTA成像。為健康志愿者右手的手掌皮膚。為增強光學穿透力，皮膚表面滴一滴甘油溶液并覆蓋了薄玻片進行折射指數(shù)匹配。圖3顯示了血管網(wǎng)絡的正面最大強度投影（MIP），按深度進行顏色編碼，分別由SD-OCTA系統(tǒng)和SS-OCTA系統(tǒng)捕獲。由于線陣相機能夠以不同速度運行，為SD-OCTA系統(tǒng)設置了兩種成像A-line速率。其一為76 kHz，為大多數(shù)用于皮膚成像的SD-OCT系統(tǒng)的典型成像速度（圖3a）；另一個是147 kHz，為市售線陣照相機的最高速度（圖3b）。在160 Hz的B frame速率和80%的快速掃描占空比下，以76 kHz的A-line速率捕獲的正面血流圖像（圖3a）在X和Y方向上包含380 × 380像素，覆蓋3.8 × 3.8 mm²的FOV。而147 kHz的SD-OCTA采樣像素更多（735 × 735），F(xiàn)OV更寬（7.35 × 7.35mm²）（圖3b）。雖然A-line速率較低導致FOV較小，但較長的積分時間能夠收集更多從皮膚組織中出現(xiàn)的OCT光子。因此，與147 kHz SD-OCTA相比，76 kHz SD-OCTA的靈敏度更高、深層血管可視化效果更好（圖3a，b）。另一方面，SS-OCTA系統(tǒng)以200 kHz掃描速率運行，是本研究中的最高成像速度。在相同的B frame速率和采樣間隔下，SS-OCTA系統(tǒng)捕獲的血流圖像（圖3c）包含1000 × 1000個像素，提供10 × 10 mm²的寬FOV。此外，由于更高的OCT靈敏度和更好的滾降性能，SS-OCTA系統(tǒng)提供更多關于血管網(wǎng)絡的信息，不僅觀察到位于淺層的小血管（綠色），還觀察到穿透深層真皮層的大血管（紅色）。



  圖3 分別用SD-OCT和SS-OCT的人右手掌正面OCTA圖像，深度顏色編碼。（a）SD-OCTA系統(tǒng)76 kHz、3.8 × 3.8 mm² FOV拍攝的血管圖像。（b）SD-OCTA系統(tǒng)147 kHz、7.3 × 7.3 mm² FOV拍攝的血管圖像。（c）SS-OCTA系統(tǒng)200 kHz的A-line速率、10 × 10mm² FOV拍攝的圖像。

 圖4為圖3中白色虛線處的結構（灰色）和脈管系統(tǒng)（紅色）的代表性截面圖像。上面兩幅（圖4a和b）是SD-OCTA系統(tǒng)分別以76 kHz和147 kHz的A-line速率拍攝的，而下面一幅（圖4c）來自SS-OCTA系統(tǒng)。在這些圖像中，可以清楚地觀察到角質層、透明層、表皮-真皮結合部和真皮組織的生理結構。綠色虛線將表皮和真皮分開。比綠色虛線深約0.5 mm處畫了一條黃虛線，黃色虛線下的結構和血流在147 kHz的SD-OCTA系統(tǒng)中幾乎是看不見的。在較低的成像速度下，76 kHz SD-OCTA系統(tǒng)在這個更深的區(qū)域具有稍好的可視化。由于在軸向深層（圖2）的系統(tǒng)靈敏度高得多，SS-OCTA系統(tǒng)在皮膚中表現(xiàn)出顯著的穿透深度（圖4c），給出了更多的內部細節(jié)，能夠清楚地識別組織結構以及支配深層真皮層的功能血管。



 圖4 覆蓋了血流信號（紅色）的OCT結構（灰色）典型截面B-scan。為圖3a和b白色虛線位置。（a） SD-COT以76 kHz運行；（b） 147 kHz。（c）SS-OCT以200 kHz運行。（d）皮膚結構和脈管系統(tǒng)示意圖。

 研究還生成了人類手掌不同深度層的血液灌注圖（圖5）。自動分割軟件將3D圖像分割成深度分辨的生理層，從上到下分別對應76 kHz SD-OCTA、147 kHz SD-OCTA和200 kHzSS-OCTA。從左至右為三個深度層中的血管網(wǎng)絡。第一層是距皮膚表面0-0.5 mm，代表圖4中綠色虛線上方的表皮層。SD-OCTA系統(tǒng)和SS-OCTA系統(tǒng)都可見到豐富的表皮血管叢，包括滲透該層的毛細血管環(huán)。血管直徑相對較小，血管圖案與志愿者的掌紋吻合良好。第二層為0.5-1 mm，描繪了圖4中綠色虛線和黃色虛線之間的淺層真皮層。淺層真皮層中主要是相互連接的血管，可以通過OCTA系統(tǒng)清晰地觀察到。但圖像亮度方面SD-OCTA系統(tǒng)弱于SS-OCTA系統(tǒng)。第三層是1-2 mm的深層真皮層，在圖4的黃線下。這個深層區(qū)域的血管被稱為深層血管叢，其直徑相對較大，為皮膚代謝提供營養(yǎng)。147 kHz SD-OCTA系統(tǒng)拍攝的圖像難以識別深血管叢（圖5b3）。76 kHz SD-OCTA系統(tǒng)對這些大血管具有更好的圖像質量（圖5a3），但仍然不足以為它們提供良好的可視化。使用200 kHz的SS-OCTA系統(tǒng)，能夠在軸向深處以*的OCT靈敏度獲得如圖5c3所示的深血管叢的最佳可視化效果。可以清楚地觀察到大血管和一些相互連接的血管，提供了更全面的血管信息，這可能有助于了解臨床應用中的皮膚病理學。不同皮膚層中血管網(wǎng)絡的比較表明，在皮膚血液灌注成像方面，SS-OCTA系統(tǒng)優(yōu)于SD-OCTA系統(tǒng)。


 
 圖5 手掌不同深度的正面OCTA圖像。頂部（a1-a3）、中間（b1-b3）和底部（c1-c3）分別對應圖3a-3c。左側（a1–c1）是深度層0-0.5 mm的血液灌注圖，中間（a2–c2）是0.5-1 mm，右側（a3–c3）是1-2 mm。

 03-良性痣的OCTA成像和比較
 

使用兩個OCTA系統(tǒng)對異常皮膚部位進行了檢查。圖6a為志愿者前臂背側直徑約3.5 mm的黑色痣的照片，F(xiàn)OV為10 × 10 mm²。為了覆蓋這一大面積，以147 kHz運行SD-OCTA系統(tǒng)。圖6b是SS-OCTA系統(tǒng)拍攝的正面結構圖像，可以清楚地觀察到痣的位置和邊界、表皮嵴的曲線以及毛發(fā)。SD-OCTA系統(tǒng)的正面結構圖像非常類似。正面血管網(wǎng)圖像可見兩種系統(tǒng)的血管成像能力不同，SD-OCTA可識別約0-1 mm的淺表皮膚層中的血管，綠色占主導地位（圖6c）；相反，SS-OCTA對深層脈管系統(tǒng)的可視化效果更好，可描繪出淺皮膚層中的小血管以及深層真皮層中的大血管（圖6d）。此外還觀察到與周圍正常皮膚區(qū)域相比，痣中的血管密度較小，血管模式不同，表明痣是一種活的皮膚組織，但代謝活動較少。

 

 圖6 滲透良性痣的微血管網(wǎng)絡OCTA圖像。（a）帶痣的皮膚。（b）SS-OCTA系統(tǒng)獲得的正面結構圖像。（c）和（d）分別是SD-OCTA和SS-OCTA對同一皮膚區(qū)域深度進行顏色編碼的正面血管圖像。

 

圖7為結構（灰色）和脈管系統(tǒng)（紅色）的2D B-scan圖像，為圖6虛線位置。與圖4的人手掌的皮膚相比，前臂背側的角質層較薄。圖片中間的腫塊是黑色良性痣。盡管痣中含有豐富的色素，但這兩種系統(tǒng)都能觀察到痣內的真皮組織。可見SD-OCTA對皮膚深層區(qū)域的穿透較少（圖7a），而SS-OCTA具有更強的OCT信號，可視化效果更好（圖7b）。對血管的成像能力也受到OCT信號強度的很大影響。因此，SD-OCT中色素痣?yún)^(qū)域的血流信號較弱，在深層真皮層的血管更難觀察到，而SS-OCTA的成像質量更好。

 

 圖7 2D截面B-scan圖像，皮膚結構（灰色）覆蓋血管（紅色），分別由（a） SD-OCTA和（b） SS-OCTA捕獲。

 在不同深度層生成了痣的正面血液灌注圖（圖8）。皮膚由圖7中的綠色虛線分成兩層：深度0-0.8 mm的表層皮膚層和深度0.8-1.6 mm的深層真皮層。第一層的血管以綠色，第二層的血管以紅色顯示。SD-OCTA和SS-OCTA都能看到第一皮膚層內的豐富淺表血管叢，但SS-OCTA的圖像對比度和清晰度更好。至于深層真皮血管叢，SS-OCTA的可視化效果比SD-OCTA更好。SS-OCTA可清晰識別大血管的網(wǎng)絡（圖8b2），而SD-OCTA的第對比度和SNR幾乎無法看到（圖8a2）。皮膚不同層血管的分割提供了痣皮膚循環(huán)的信息，SS-OCTA在皮膚評估中的表現(xiàn)明顯優(yōu)于SD-OCTA系統(tǒng)。

 
 圖8 淺層0-0.8 mm（a1和b1）和深層0.8-1.6 mm（a2和b2）的良性痣皮膚的正面血管網(wǎng)。頂部：SD-OCTA。底部：SS-OCTA。

  04-對人手指的OCTA成像及比較
 

為進一步說明SS-OCTA的優(yōu)勢，對人類手指進行了成像比較，人類手指的拓撲特征更復雜，即表面不平坦。在這種情況下，SD-OCTA系統(tǒng)以147 kHz的最大速度運行，以產生更多的采樣點。手持掃描探頭采用長焦距（110 mm）大直徑透鏡，橫向分辨率約50 μm。成像FOV為18 × 18 mm²，覆蓋整個指尖區(qū)域。圖9中頂部圖像為147 kHz SD-OCTA系統(tǒng)拍攝，底部圖像為200 kHz SS-OCTA系統(tǒng)拍攝。正面結構圖像（左欄）幫助識別指尖的不同部分，包括指甲板、月突、角質層、指甲蓋和近端指甲褶皺。黃色箭頭所示的側甲褶皺通過SS-OCTA系統(tǒng)清晰呈現(xiàn)，但SD-OCT系統(tǒng)由于沿深度的快速靈敏度滾降和有限的測距距離，可視化效果不好。圖9d中手指結構的亮度相對均勻，但圖9a中部分較暗，這在解讀指尖形態(tài)時可能會產生誤導信息。中間圖像是指尖血管網(wǎng)絡的正面MIP。SD-OCTA系統(tǒng)能看到近端甲襞區(qū)域的血管，但甲板下的血管部分或幾乎觀察不到。使用SS-OCTA系統(tǒng)，單次掃描即可見指尖背側的整個皮膚循環(huán)網(wǎng)絡（圖9e），包括厚甲板下的血管、側甲襞和遠端邊緣的血管。右欄的2D橫截面圖像也很好地驗證了這兩個系統(tǒng)的成像能力。白色箭頭所示的側甲褶皺位于軸向深處，SD-OCTA系統(tǒng)幾乎無法可見。指甲板厚度約0.8 mm，也會削弱OCT的光，導致SD-OCTA系統(tǒng)中的血流信號相對較弱。圖9f可見指尖輪廓，從指甲板頂部到橫向指甲褶皺底部，深度范圍約5 mm。厚指甲下的皮膚真皮中的血管以及深層的側甲皺襞中的血管也識別良好。形態(tài)學和功能性脈管系統(tǒng)可視化方面的優(yōu)勢，使SS-OCTA有望成為臨床的有用工具，因為人的手指是很重要健康指標，與許多疾病相關，如糖尿病、貧血、甲狀腺、營養(yǎng)不良等。

 

 圖9 分別由SD-OCTA系統(tǒng)（上）和SS-OCTA系統(tǒng)（下）捕獲的人體指尖圖像。（a）和（d）為結構的正面MIP圖像。中間（b和e）為正面的血管網(wǎng)絡。（c）和（f）是分別為（a）和（d）中白色虛線處覆蓋有血管（紅色）的結構（灰色）圖像。

 結論
 本研究驗證了一個用于人體皮膚成像的高性能SS-OCT系統(tǒng)。選擇的光源是一個以1300 nm為中心、光譜帶寬為100 nm的MEMS-VCSEL掃描激光器，可提供高達200 kHz的A-line速率和窄的瞬時線寬。研究還建立了一個常規(guī)的SD-OCTA系統(tǒng)進行成像性能比較。根據(jù)對系統(tǒng)滾降曲線的評估，SS-OCTA系統(tǒng)可以在8 mm深度位置上實現(xiàn)12 mm的成像范圍，靈敏度超過100 dB，遠優(yōu)于SD-OCTA系統(tǒng)。還在良性痣的正常和異常皮膚上使用這兩種系統(tǒng)進行了成像，表明OCTA系統(tǒng)能夠從淺表皮膚層到深度達2 mm的深層真皮層進行更全面的結構和血管檢查。整個指尖的成像進一步證明了與SD-OCTA系統(tǒng)相比，SS-OCTA對于具有不均勻表面拓撲的大體積皮膚成像的優(yōu)勢。SS-OCTA系統(tǒng)的zhuoyue性能有望在皮膚科的臨床應用中發(fā)揮巨大價值。
 

 

參考文獻：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).