应用光学微血管造影技术对银屑病患者皮肤微循环进行活体成像

血管异常可能在皮肤病中起着至关重要的作用，如银屑病、葡萄酒色斑和皮肤癌。为了解这些肤状况下血管网络的情况，来自美国和中国的研究人员Jia Qin等使用基于OCT的UHS-OMAG成像系统，对银屑病患者的正常皮肤和病变皮肤进行了成像，并定性定量比较了正常与病变皮肤的微循环差异和结构差异。证明UHS-OMAG可用于皮肤微循环和量化微血管血管密度的可视化研究。该研究以“In vivo volumetric imaging of microcirculationwithin human skin under psoriatic conditions using optical microangiography”为题发表于Lasers Surg Med.。

 

研究背景
 

银屑病是一种慢性炎症性皮肤病，在西方国家影响着约2%的人口。有研究发现损伤皮肤的真皮微血管扩张突出，表明银屑病是血管生成依赖的。Ryan（1969）阐明了银屑病表皮微循环从萎缩到肥大的变化，明确描述了银屑病斑块中毛细血管随时间的延长过程。Creamer（2002）使用光学显微镜证明了浅表乳头状真皮中的微血管长度较短，以及银屑病病变皮肤中浅表毛细血管存在扩张和伸长。因此皮肤的微血管系统在临床诊断和治疗中具有重要的参考意义。

目前对皮肤内脉管系统进行体内成像的方法也有很多，如毛细血管镜和视频毛细血管镜，但成像深度较浅（< 100μm）。激光多普勒灌注成像（LDI）和动态激光散斑成像（LSI）技术在皮肤病学中被广泛用于评估血管异常，二者都是基于血管中运动粒子（如红细胞）反向散射的光所产生的多普勒效应，能够提供实时二维皮肤血流图。然而上述方法都存在深度不够的问题，无法用来准确评估病变皮肤微循环。光声显微镜能够以高穿透深度（> 1 mm）提取微血管信息。基于血红蛋白在500-600 nm范围内的内源性吸收效应，该方法可以无创地提供体积血管信息。但它对人体皮肤内的微循环成像的空间分辨率较低（> ~50 m），不足以可视化毛细血管。

光学相干断层扫描（OCT）能够以高分辨率和高灵敏度对生物组织进行无创3D成像。基于该技术开发出的相位分辨多普勒光学相干断层扫描（PRDOCT）能够获得功能血管中的血流速度信息。PRDOCT已被用于啮齿动物模型中的脑血流和心脏成像等研究。尽管PRDOCT具有高分辨率和对血流的高灵敏度，但其成像效果受样品光学均匀性和移动情况影响较严重。光学显微血管造影术（OMAG）也是基于OCT扩展出的成像技术，利用血管内流动血细胞的内源性光散射来产生成像对比度，能够对约2 mm深度的微循环组织内动态血液流进行无创3D成像。最新的超高灵敏度OMAG （UHS-OMAG）对血流的灵敏度可达4μm/s，已成功地用于对小鼠大脑皮层和人类皮肤以及人类视网膜内的微循环进行成像。

本文的主要目的是证明UHS-OMAG能够对正常和病变皮肤的皮下血管进行活体无创评估。选取了一名男性银屑病患者的一个银屑病斑块（图1），使用UHS-OMAG系统（图2）进行成像及定量统计分析。结果证实了UHS-OMAG能够区分银屑病病变和正常皮肤中的微血管网，二者的微血管网络存在显著差异。

图1 成像区域。黄色方框（1）为正常皮肤；红色方框（2）为银屑病病变皮肤；

 

图2 本研究中的UHS-OMAG系统示意图。SLD为超发光二极管；PC为偏振控制器；CCD为电荷耦合装置；

 

结果与讨论
 

01-横截面图像和三维体积图像
 

得到正常和病变部位的截面结构和血管图像（图4），其中较明显的特征是病变皮肤中的乳头血管（图4d红色箭头）比正常皮肤中的乳头血管（图4b黄色箭头）更丰富且更长。病变区域中扩张的浅表微血管紧邻着上覆的无血管表皮。

图4 正常和病变部位的截面图像。（a）正常皮肤结构；（b）正常皮肤对应血管；（c）银屑病病变皮肤；（d）病变皮肤对应血管；其中黄色和红色箭头为一些代表性的血管。
 

将横截面血流图像与连续的结构图像结合在一起实现组织形态和微脉管系统的三维可视化（图5）。图5 （a）和（b）分别为正常皮肤和病变皮肤的重叠三维视图，银屑病皮肤中的乳头环看起来比较细长，而且病变皮肤中的血管比正常皮肤中的血管密集得多。


 

 图5 使用HUS-OMAG获得的正常皮肤（a）和银屑病病变皮肤（b）的，融合了微循环的体积图像举例，尺寸2×2×2.2 mm³。

 

02-不同深度的正面微循环图像
 

图6为正常皮肤（上排）和银屑病病变皮肤（下排）不同深度位置微循环的正面成像图，病变皮肤内的微循环与正常皮肤完全不同。正常皮肤约210 μm深度处观察不到明显的血管网（图6a），表明该深度层一定属于表皮层，因为从解剖学上正常表皮层中没有血管。对应同深度病变皮肤，可以看到血管亮点（图6f），为表皮和真皮之间连接处的乳头状环。这意味着病变皮肤的表皮层比正常皮肤的表皮层薄。
 

图6b为正常皮肤约340 μm深度的毛细血管环，有一些代表性的乳头状环（1标记）。这些乳头环水平穿过乳头层，通过在乳头丛中形成毛细血管环来连接真皮小动脉和小静脉。在病变皮肤中，由于血管延长和微血管新生，乳头血管亮点（f中2标记，g中3标记）出现在相对较深的区域。在约530 μm深度，由于血管生成，病变皮肤中的血管网络（图6h）比正常皮肤中的血管网络（图6c）更密集。比较更深处的血管网络（图6d和i，e和j），也可以直接观察到这种血管生成现象。
 

图6 正常皮肤（上排）和银屑病病变皮肤（下排）不同深度的正面图像（x-y平面）。从左到右深度依次为：~210 µm （a和f），~340 µm （b和g），~530 µm （c和h），~720 µm （d和i），~870 µm （e和j）。

 03-量化和统计分析
 研究人员将血管密度（blood vessel density, BVD）量化，用于比较正常皮肤和病变皮肤内血管模式差异。本研究中BVD=血管面积（BVA）/组织断片总面积（SA），根据像素数确定数值。得到BVD值正态分布图（图7）。
 

图7 血管密度（BVD）直方图。蓝色为正常皮肤，红色为银屑病病变皮肤。

为统计评估正常皮肤和病变皮肤内血管密度的差异，使用了零假设（H0）和备择假设（HA）。H0为银屑病病变皮肤的BVD平均值与正常皮肤的BVD平均值没有区别。HA为银屑病病变皮肤的BVD平均值明显大于正常皮肤的BVD平均值。使用t检验进行统计分析。结果显示正常人和银屑患者皮肤中的血管密度之间差异显著，P值＜0.001（图8）。正常皮肤的血管密度（0.3687 ± 0.0422）明显小于银屑病皮损的血管密度（0.5286 ± 0.0603）。

 

图8 正常和银屑病病变皮肤的BVD误差柱形图。（n=50 per group, *P <0.001 at α=0.01）

 

全文小结
 

本文的成像结果表明，UHS-OMAG成像系统能够用于成像正常和银屑病病变皮肤下的微循环系统，且银屑病病变皮肤中的血管密度与正常皮肤中的血管密度相比具有统计学上的显著差异。因此UHS-OMAG成像系统的具有足够的灵敏度和成像速度来识别人体皮肤内的微循环，除银屑病外，在皮肤癌和葡萄酒色斑等皮肤疾病的诊断和治疗评估中也能够起到非常大的帮助作用。随着该技术的发展和应用，我们可以期望UHS-OMAG在人类皮肤临床诊断和治疗评估中发挥出巨大的价值。 

参考文献：Qin, Jia , et al. "In vivo volumetric imaging of microcirculation within human skin under psoriatic conditions using optical microangiography." Lasers in Surgery & Medicine 43.2(2015):122-129.