空间频域成像检测组织生理参数技术在临床中的应用与研究进展

王 平 张 洋 王晓燕 江宗星 张元志 倪敬书 王贻坤 刘 勇

空间频域成像(spatial frequency domain imaging,SFDI)作为一种新颖的光学成像技术，主要采用结构光与特定的光传输模型相结合，在检测组织形态结构的同时能够提供组织的光学和生理参数信息，具有快速、宽场、无创、非接触、定量检测等特点，广泛应用于生物医学基础研究和临床诊疗等多个领域。本文就SFDI技术的基本原理和方法，以及其在临床常见疾病中的应用现状与研究进展作一综述，旨在为临床相关疾病的诊疗提供一种科学、新颖、可靠的评估方法。

1 SFDI的原理和方法

SFDI技术主要是通过宽场光源和空间光调制器与特定的光传输模型相结合来获取样品组织区域的光学特性参数——吸收系数(absorption coefficient，μa)和约化散射系数(scattering coefficient，μs’)，进而反演出组织成分的生理参数，如氧化血红蛋白、脱氧血红蛋白、血氧饱和度水平等。不同空间频率的结构光源对组织的穿透深度不同，频率越高，穿透深度越小，在组织中的传输距离越短，组织越易发生光的散射；反之低频结构光照射组织越易发生吸收。基于以上原理，使用两个或两个以上频率的光源可以有效区分μa和μs’两个参数。根据氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的光吸收差异特征，SFDI技术通常选择650 nm和860 nm波长的光源来测定组织氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度[1]。将两种不同波长的光源依次照射到特定的数字微镜(digital micromirror device，DMD)装置上，经由DMD装置空间调制形成宽场正弦图像，投射出结构光照射到待测组织上，待测组织的漫反射光被数码相机捕获形成漫反射图像，根据系统的调制传递函数(modulation transfer function, MTF)和三相位移法求得的光子密度振幅来反演待测组织的漫反射率。再由光子漫射近似方程(diffusion approximation equation，DAE)通过非线性最小二乘法来反演组织的吸收系数和约化散射系数[2]，最后通过朗伯-比尔定律可推算生物组织中各主要组织成分(常被称为发色团)的浓度，该浓度不同于化学意义上的稀释介质中的浓度，它是指光照条件下单位组织体积内各成分的定量测定值，即待测组织的生理参数[3]。

2 SFDI在临床上的应用

SFDI技术通过对组织氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度的测定，计算局部组织的血氧饱和度，进而评估组织的血流灌注和供氧水平情况，可实现动态监测，在疾病的预测、诊疗和预后评估过程中具有独特优势。

2.1 糖尿病和糖尿病足溃疡 糖尿病患者由于对疾病的认识不足和血糖控制不佳很容易导致各种并发症的发生，糖尿病足是其最严重的并发症之一[4]。由于足部血供的多源性，一条血管中的低血流量可能无法准确反映溃疡部位的血供情况，仅凭临床检查无法可靠地评估灌注不足的严重程度。另外，与糖尿病足溃疡相关的临床特征如感染、水肿和神经系统病变等可能影响常规血管病变检查的有效性。目前，糖尿病足的临床常用辅助检查方法包括神经系统检查和血管病变检查，前者如10 g尼龙丝检查、音叉检查、痛温觉检查、震动感觉阈值检测(vibration perception threshold,VPT)、神经传导速度检查(nerveconduction study ,NCS)等，后者包括踝肱指数(ankle brachial index, ABI)、彩色多普勒超声检查(color doppler flow imaging，CDFI)、经皮氧分压检测(transcutaneous oxygen pressure，TcPO2)、数字减影血管造影(digital subtraction angiography,DSA)等。10 g尼龙丝检查、音叉检查和痛温觉检查成本低廉、易操作，但其精确度不够理想[5]；VPT易受仪器设备和外界环境刺激的影响，稳定性较差[5]；NCS和DSA属于有创检查，成本高，操作难度较大[6]；ABI易受主观因素影响，差异性较大[7]；CDFI存在对血管狭窄程度高估或低估的问题,缺乏统一可靠的诊断标准[8]；TcPO2可反映微血管功能状态，但不能反映血流情况和血管壁损伤程度，且仪器大、价格高[9]。SFDI与以上方法相比，具有快速、宽场、无创、非接触、检测方法简单灵活[1]等优点，其采用可见光和近红外光照射组织，绘制大视场(15 cm×20 cm的视野上)的局部微循环图像，测算足部组织中深达4 mm皮肤微循环光学和生理参数，用于评估糖尿病足的病程阶段，为糖尿病足溃疡风险分层提供了定量依据[10]。Murphy等[11]研究发现SFDI能够在出现临床可识别体征之前检测出溃疡风险部位明显的微循环和氧合变化，这表明SFDI检测技术可能为临床诊断与治疗以及纵向跟踪随访提供参考依据。Li等[12]采用实时单快照多频解调SFDI(single snapshot multiple-frequency demodulation SFDI,SSMD-SFDI)系统对健康志愿者、糖尿病患者和糖尿病足患者的足部进行成像，并使用皮肤分层模型获得光学和生理参数，其结果显示随着糖尿病病程的进展，皮肤血红蛋白浓度、血氧饱和度、表皮厚度均减少，黑色素含量增加，这表明SSMD-SFDI系统测量的光学和生理参数与糖尿病病程之间关系密切，SSMD-SFDI系统在预测糖尿病足的发生和严重程度以及监测组织微循环和周围血管疾病方面的有着重要的价值。

2.2 烧伤 烧伤是一个全球性公共卫生问题，烧伤伤口若得不到及时救治，可能会导致感染、疤痕、毁容、长期住院、功能损害和残疾等。烧伤创面的深度检测和临床愈合能力评估在临床治疗烧伤过程中起关键作用。目前，应用最广泛、成本最低的烧伤深度的评价主要依赖于外科医师的主观评价，如创面的颜色特征、毛细血管充盈状态、烧伤创面的触感和刺痛敏感度等，这使得临床评估缺乏可靠性和稳定性[13]。组织活检病理切片一直被视为检测烧伤深度的“金标准”，但其耗时长、费用高、检测范围局限、专业要求高，并有可能对患者带来二次伤害而未被广泛使用[14]。前视红外(forward looking infrared，FLIR)热成像技术通过检测烧伤皮肤的温度来间接对创面深度进行评估，但在评估Ⅲ度烧伤可修复组织时具有一定的局限性[15]。吲哚青绿(indocyanine green，ICG)血管造影可通过检测真皮的活力来评估烧伤组织血流灌注情况，但由于实验条件复杂和基础设施要求高，使得该方法在临床应用中未能普及[16]。激光多普勒(laser doppler perfusion imager，LDI)能够对烧伤创面进行无创扫描成像，定量分析皮肤特定区域的微血管血流量，但易受反应性血管收缩、温度及体位改变的影响，准确性较低[17]。SFDI可以无创、定量描述皮肤烧伤伤口愈合过程中发生的皮下变化[1]。Kennedy等[18]对猪烧伤模型的研究表明，SFDI有可能在毫米空间尺度上提供皮肤和伤口光学特性的近实时广域图，用于评估各种皮肤修复干预措施的有效性。Ponticorvo等[19]在后来的临床病例研究中应用SFDI技术通过识别低散射组织来进行烧伤程度评估，结果显示SFDI技术可以减少患者的住院时间和降低手术费用成本。Rebecca等[20]采用支持向量机(support vector machines，SVM)分类器在多个空间频率上验证SFDI反射数据的可行性，该模型基于所有波长获得的空间频率图像来预测24 h烧伤严重程度的准确率为92.5%,这表明SFDI与机器学习的结合用于预测烧伤严重程度准确性方面具有潜在优势。

2.3 皮肤疾病 在临床中，皮肤病的诊断主要依赖于临床医生的经验和组织病理学检查。常见的皮肤病辅助诊断技术主要包括组织成像技术(如皮肤镜)、高频超声成像技术、皮肤CT技术和MRI技术等。近年来，激光光谱检测技术和光学相干层析术(optical coherence tomography，OCT)的应用前景也普遍受到关注。与以上技术不同，SFDI 技术能够定量得到皮肤组织的二维光学参数和生理参数信息，为临床医师对皮肤疾病的病理诊断、病情严重程度评估以及皮肤科手术指导提供有效依据[21]。Tracers等[22]应用SFDI测量了从轻度光损伤到光化性角化病患者的皮肤组织光学性质和生理参数的变化情况，发现光学和生理参数可用于光损伤程度分级，临床医师可使用这种非侵入性方法对高危人群进行风险评估和随访监测。Yafi等[23]发现SFDI还可用于压疮的风险分层、分期和愈合评估，对可能产生压疮的部位进行定量和纵向评估，既可以降低发病率和避免后遗症，又可以为患者降低医疗成本。Rohrbach等[24]将SFDI技术与超声成像定位相结合，可以量化组织血氧饱和度、总血红蛋白和肿瘤病变部位的厚度，可用于非黑色素瘤皮肤癌术前定位指导和治疗。在国内，温州医科大学附属第一医院皮肤科利用SFDI实验装置采集不同类型皮肤病患者的光学参数和生理参数信息，结果表明带状疱疹、湿疹样皮炎、过敏性皮炎、脂溢性皮炎和荨麻疹等多种皮肤病的光学参数和生理参数信息与正常皮肤组织之间存在较大差异,SFDI可以观测到病变皮肤的炎症、增生和皮肤变厚生茧等[3]，为皮肤病的诊治提供了一种新颖、可靠、科学的评估方法。

2.4 乳腺疾病 乳腺疾病最常见的筛查方法是超声检查和X射线乳腺钼靶检查，再根据BI-RADS分级进行相应处理，对于可疑阳性的乳腺病变情况进行活检确诊，良性病变(0～Ⅲ级)患者通常建议每半年随访一次，但X射线乳腺钼靶检查对机体具有一定的损害[25]。SFDI作为一种新型的非侵入性的无创检测方法，对于乳腺手术和接受辅助放化疗的乳腺癌患者来说意义重大[26]。Robbins等[27]研究表明，SFDI可在体外对乳腺手术标本进行实时成像，在初次手术时对手术边缘进行评估，保证手术切除样本的完整性，以降低乳腺手术相关的二次切除率。Mcclatchy等[28]采用SFDI对31例人类乳腺组织进行定量分析发现，通过光学参数预测的样本平均基质、上皮和脂肪体积分数与从组织切片计算的体积分数高度一致，且通过预测的上皮与基质的比率对良恶性标本进行分类，其敏感性为90%，特异性为81%，这为机体的病理组织类型提供了诊断依据。

2.5 神经系统疾病 由于SFDI技术的光源不能透过完整的颅骨而成像，因此SFDI对脑部神经系统的研究主要集中在临床前模型研究。Sunil等[29]研究发现，SFDI可以表征阿尔茨海默病等退行性疾病神经组织和生理的动态变化，SFDI可以对阿尔茨海默病模型中的功能区进行定量，并且可能是研究阿尔茨海默病神经组织成分和生理学动态变化的有效方法。SFDI还可通过量化脑组织吸收和散射的变异量来监测缺血性损伤引起的脑功能变化，用于诊断和治疗缺血性脑卒中以及神经元死亡和β淀粉样蛋白斑块引起的血管损伤[30]。SFDI还可利用缺血性脑卒中引起的光散射变化来准确测量脑梗死的空间范围，与光学相干断层成像测定的梗死范围高度一致[31]。基于以上研究，推断SFDI还可以应用于心脏骤停和心肺复苏、癫痫、创伤性脑损伤、偏头痛等脑皮层特性的监测[32]。最近，Zhao等[33]研究的一种新的半色调SFDI在一系列具有广泛光学特性的模型以及活体组织上得到了验证，半色调SFDI可以纵向监测活体大鼠大脑皮层组织中功能性生色团的绝对浓度和空间分布，在脑科学和流体动力学研究中具有较大的潜力。

2.6 外科手术指导和监测 SFDI技术在外科的应用主要集中在术前评估、术中指导和术后的无创监测方面。当机体的细胞、组织或器官丧失原来的功能状态而不能满足机体正常活动，并出现功能衰竭时，移植成为了最终的选择。目前，各类移植技术已经日渐成熟和得到广泛应用，移植手术后的组织活力和血运监测通常是根据临床经验、感觉状态和临床诊断指南来评定，SFDI可以定量组织中的氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白和血氧饱和度，从而推测组织血管异常所致的缺血发作的可能性，有助于减少并发症的发生[1]。SFDI能够通过检测皮瓣移植术后愈合过程中的血流动力学变化，测量伤口的空间不均匀性，预测异质性愈合,从而为临床评估和预后提供参考依据[18]。类似的研究也适用于动物肾脏、胃肠道以及肝脏的血管闭塞试验中[34]。Vargas等[35]通过对SFDI技术在面部移植过程中的应用研究表明，其在重建显微外科手术中提供有关血管完整性的术中指导方面有较大的应用价值。SFDI还可用于纵向监测小鼠股骨移植的股动脉血管生成，动态评估骨移植的愈合情况[36]。另外，SFDI还可以在手术期间提供术中实时氧合图像，可以帮助外科医师在单侧乳房重建手术中进行指导，以提高临床效果和预防并发症的发生[37]。SFDI与相移轮廓术相结合用于区分人前列腺组织(前基质、增生、周围带)和前列腺外组织(尿道、射精管、前列腺周围组织)，在根治性前列腺切除术中能最大限度地降低前列腺外组织受损的风险，并最终检测残留癌，从而向外科医师提供准确可靠的信息，提高手术的准确性[38]。

2.7 其他 Singh-Moon等[39]将SFDI技术应用于检测药物在大脑部位的运输分布情况，该研究显示了绘制药物分布图的可行性，为以后进行药物标记的载体沉积和药代动力学研究奠定基础。Li等[40]对一项人体结直肠组织的离体研究表明，SFDI能够区分正常、腺瘤性息肉和癌症标本的光吸收和散射特征，有可能在未来优化用于远端胃肠道疾病的腔内筛查。

3 小结与展望

本研究简要概述了SFDI的基本原理、方法以及其在临床中的应用现状，并与临床疾病常用检查方法进行了比较，突显出SFDI在快速、宽场、无创、非接触、定量检测方面的优势。SFDI在糖尿病及糖尿病足监测、烧伤评估、皮肤病诊断、手术指导监测等方面已显示出较高的临床价值，但在实际临床应用中仍然面临着各种挑战。在未来的研究中，笔者希望通过对SFDI技术的不断优化与改进，实现原理、器件、仪器与应用的创新，提高对组织状态和疾病诊断的特异性和敏感性，实现对机体的动态变化检测，为临床早期、精准诊断与治疗提供参考，从而改善疾病预后，提高患者生活质量。