Skin Res Technol：使用OCTA研究皮肤对机械应力的适应性

对于下肢义肢使用者来说，由肢体-义肢承筒界面应力引起的皮肤破损是一个严重问题。虽然皮肤可以适应压力变得更抗破损，但对此机制我们知之甚少。华盛顿大学研究人员Eric C. Swanson等使用光学相干断层扫描（OCT）无创评估了可能与皮肤适应性相关的一些皮肤微脉管系统特征。建立了研究皮肤适应性的模型，成功在参与者皮肤中诱发了可测量的反应性充血（RH）反应。血管结构评估显示出极好的视野重复性，提供了丰富的血管结构数据，且数据重复性良好。证明本研究建立的新技术可用于研究皮肤对机械应力的适应性，可能帮助对皮肤微血管功能和结构进行深入了解。文章以“Optical coherence tomography for the investigation of skin adaptation tomechanical stress”为题发表于Skin Res Technol。

背景

对截肢个体而言，多达63%的人会至少受到一次皮肤破损的影响。残肢皮肤破损通常由肢体和义肢承筒间界面处的重复机械应力造成，负重活动时影响更大。破损会导致疼痛、承筒使用减少，从而限制了个体的移动性和日常活动能力。

引发皮肤破损的机械诱因很多，由所施加的压缩、剪切和拉伸应力的组合以及应力的静态或动态性质决定。在与义肢相关的皮肤损伤方面，潜在的生理学因素研究尚浅，而通过大量对压疮研究可确定一些关键因素。压疮形成的两个主要机制是组织缺血和细胞变形，组织缺血机制中，流向组织的血流被阻断，导致细胞代谢改变、有害代谢副产物积累。变形机制中，细胞膜受到高强度机械应变的机械损伤，引发快速坏死性细胞死亡。如果皮肤在两次压力间没有足够的时间恢复，引起的细胞损伤将扩散到整个组织，导致皮肤破损。

已知皮肤可以适应施加在其上的机械应力，以更好地抵抗破损。当皮肤承受的机械应力高于其当前的维持应力阈值但低于其破损阈值时，就会出现这种适应情况。虽然皮肤适应性在防止皮肤破损方面起着重要作用，但对它的了解并不多，并且目前也还没有客观地确定皮肤是否变得更耐负荷的方法。而义肢临床实践依赖于主观测量，如视觉评估和触诊，来确定皮肤负荷耐受性并使患者逐步适应。因此非常需要能够客观监测患者皮肤负荷耐受状态的工具，还需要更有效的调节皮肤方法，使其能更好地抵抗破损。这些需求的根源是缺乏对皮肤适应机械应力的理解。

本研究的目标是开发出研究皮肤适应生物学的方法，因为它与下肢义肢使用有关。研究重点是皮肤微血管系统的适应性。假设微血管系统发生了适应性变化，增强了皮肤在闭塞压力下向组织供血的能力。这些适应可能包括血管结构、功能或两者的变化。结构调整如增加血管数量或血管直径，可能使血液供应更高效或提供更多路径，绕过组织闭塞区域。功能调整方面，使脉管系统能够更快地对闭塞应力做出反应，从而防止有害副产物的积累。

光学相干断层扫描（OCT）是一种基于光学的成像方式，能无创可视化并测量皮肤各种特征，捕获深度为2mm，分辨率可达1-10μm。OCT血管造影（OCTA）可使用红细胞流作为造影剂对皮肤微血管成像。虽然其他方法也可以测量皮肤微血管，如激光多普勒灌注成像和激光散斑对比成像，但只能进行单一测量。而OCTA通过捕获微血管三维图像可以提供丰富的数据，用于评估多项特征。此外还可以精确选择被分析血管的深度和区域，测量重复性更好，可以比较同一组织区域干预前和干预后的结果。

本文开发了两种基于OCT的皮肤微血管测试：功能评估和结构评估。此外利用不使用义肢的个体建立了一个研究义肢相关皮肤适应性的模型。利用“健全的模型”首次研究了皮肤对机械应力的适应。该模型还消除了截肢的患者中存在的混淆变量，如活动受限、缝合部位敏感性或组织水肿。本研究的目的是展示健全参与者皮肤适应性研究方法的实用性，了解这些方法的优势和局限性。

研究中身体健康的参与者8名（Table 1），参与者肢体ROI均不存在皮肤损伤。研究使用频域OCT成像系统（OCS1310V1, Thorlabs Inc），扫描协议如图1。实验方案及概要如图2-4。

 

图1 OCT成像示意。（A）红框为皮肤成像区域。（B）每个位置获取5个B-scan截面重复扫描。（C）生成的OCTA血管体积视图，随后MIP为二维正面图像。


 
图2测试步骤。（A）反应性充血测试。以仰卧适应期≥15min开始。周期性负载10min后OCT成像10min。（B）最大扩张测试。加热探针使皮肤升温至42-44℃保持≥25min引发最大程度的血管扩张。（C）负载耐量测试。获取基线图像，施加负载10min，负载后图像采集15min。

 
图3 健全参与者套筒设计。（A）参与者穿戴套筒。白色箭头为加速传感器计，用于活动分级。（B）套筒后面板，展示了每侧胫骨髁间嵴上的缓冲泡沫。泡沫上“＋”为ROI。



图4实验方案概要。

结果

01-健全参与者的套筒及活动情况监控
所有参与者都完成了为期两周的穿着方案，没有报告任何皮肤问题。活动分类算法表明，大多数参与者佩戴套筒的时间接近预期总时间，少数参与者佩戴时间比目标时间少几个小时。参与者进行更高层次活动（如散步）的时间也有显著差异。如参与者8最活跃，累计行走时间为11.6h，而下一名仅行走5.9h（参与者7）。力敏电阻器（FSR）测量表明，参与者间在测试肢体ROI由套筒施加的压力大小方面存在显著差异。行走期间的平均峰值压力测量值范围从参与者1的53.4kPa到参与者2的1.0kPa。
 

02-负载耐量测试
Table 2总结了负载耐量测试结果。参与者5和8表示测试ROI的负载耐受性增加。参与者6和7第0周的照片无法评估，因为早期最大扩张测试加热器引起皮肤持续发红。其余4名参与者在第0周的测试中，没有持续超过10min的发红现象，因此被认为对负荷刺激“耐受”。

 
03-反应性充血试验
反应性充血（Reactive Hyperemia, RH）测试数据如图5所示。在施加10min的压力后，48项测试中有40项产生了典型的RH反应，即灌注快速增加，然后逐渐恢复到基线灌注水平。对于未测量到RH反应的8项试验，整个反应期间VAD（vessel area density）保持在较低水平。其中6项测试仅来自两个ROI：参与者1和4的对照ROI。40项RH应答测试中，12项出现了应答峰值。其他28项测试载荷移除后的第一次测量的是峰值VAD，因此不清楚峰值出现在这一点上还是之前，也尚不清楚生理峰间时间是否小于测量值，或者峰值VAD是否大于测量值。尽管缺少这些信息，多数情况下三次测试中只有一次捕获到峰值时，仍可以发现周与周之间的关系。最终，虽然所有参与者的RH测量结果呈现的模式各不相同，但没有出现明显趋势。比较三周数据时，测试或对照ROI的RH测量值均不存在统计学显著关系（P＞0.5）。
  

图5 代表性RH测试结果。参与者8在第0周和第2周的测试ROI数据。（A）RH响应en-face成像(2.0×2.0 mm)。（B）VAD随时间变化图。（C）血管信号量化。峰值出现在第2周而非第0周。

04-最大扩张测试

最大扩张测试数据集如图6所示，不包括参与者1的数据，因为图像为降噪前收集。将参与者2-8的正面血管图像配准，产生的重叠ROI相当于7.0±0.3 mm²的平均成像面积，最小6.3 mm²。不同时间点间存在一些差异，但与测量的可变性相比，这些差异显得很小，大标准偏差就是证明。因此，对于任何一层（乳头状或网状）或任何一种比较（第0-1周和第0-2周）的血管结构测量，都不存在统计学上显著的关系（P＞0.5）。图像配准不但能精确控制测量深度及视野，还可用于识别测量错误，提供了一个额外的数据验证步骤，这是其他成像技术无法实现的。

 
图6 最大扩张测试结果，数据来自于参与者8的ROI。（A）血管配准并移除非共享像素后不同时间和深度的正面图像。（B）血管定量值。

05-表皮厚度

表皮厚度测量结果总结于图7。从第0周到第1周，表皮厚度均有小幅增加，到底2周也是如此，但不存在统计学上的显著关系（P＞0.5）。但这为微血管研究提供了一个思路，即基于真皮-表皮界面定义深度，而不是皮肤表面，可以确保所研究区域不受表皮厚度变化而发生改变，这对于皮肤微血管研究非常关键。如最大扩张测试中，可确保比较同一血管段。

图7第0-1及0-2周的表皮厚度差异。图示为所有参与者的平均值。

结论

本项研究证明了使用基于OCT的成像方法在研究皮肤对机械应力适应性方面的潜力。改进后，本研究的方法可用于无创地进行皮肤健康研究，这与下肢义肢使用者息息相关，而获得数据的详细程度也是前所未有。随着我们对机械诱导皮肤适应的生物学研究的深入，结合非侵入性方法跟踪进展，临床医生能够更客观地监测皮肤健康状态，降低下肢缺失个体皮肤破损的风险。在此基础上还可以开发新的治疗或康复策略，以促进皮肤适应、避免皮肤破损。此外，虽然本研究的重点是开发皮肤研究的方法，但也涉及对义肢承筒-肢体界面应力的适应，因此应用可能更广泛，如研究脊髓损伤或糖尿病足溃疡等其他人群的皮肤破损的风险。

参考文献：Swanson, E. C. , et al. "Optical coherence tomography for the investigation of skin adaptation to mechanical stress." Skin Research and Technology 26.5(2020).