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光學(xué)相干斷層掃描成像人體皮膚自體移植物
閱讀：360 發(fā)布時(shí)間：2022-4-29
皮膚自體移植術(shù)是一種常見的臨床重建手術(shù)，應(yīng)用廣泛，但很少有研究對(duì)皮膚移植片的血管和結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行非侵入性評(píng)估及監(jiān)測(cè)。華盛頓大學(xué)研究人員Anthony J. Deegan等使用自制的臨床原型光學(xué)相干斷層掃描（OCT）系統(tǒng)，在多個(gè)時(shí)間點(diǎn)多個(gè)位置，采集了嚴(yán)重皮膚燒傷后，接受中厚皮片移植手術(shù)的患者的OCT/OCTA圖像。最終納入研究的兩名患者（患者#1和#2）中，患者#1的定量圖像分析結(jié)果表明，術(shù)后16天的整合層厚度明顯小于術(shù)后7天（~50%）。而患者#2術(shù)后6至14天，移植物和相應(yīng)整合層的血管面積密度顯著增加（~20%）。表明OCT/OCTA能夠在中厚皮片移植手術(shù)后幾天和幾周內(nèi)，成像并測(cè)量人體皮膚移植健康及整合情況。shouci證明了非侵入性成像技術(shù)在該臨床應(yīng)用中的適用性。文章以“Imaging human skin autograft integration with optical coherencetomography"為題發(fā)表于Quant Imaging Med Surg。
背景
皮膚自體移植是一種重建手術(shù)，可將健康的供區(qū)皮膚轉(zhuǎn)移到同一個(gè)人身上需要修復(fù)的受區(qū)，廣泛用于改善燒傷、創(chuàng)傷或癌癥患者的生活質(zhì)量。皮膚自體移植片可由中厚皮片或全厚皮片移植獲得，其中中厚度皮膚移植片包括表皮和不同數(shù)量的真皮，厚度在125-750μm，更常用于組織覆蓋。因此可視化整個(gè)皮膚移植片及其下受體組織，需要能夠提供細(xì)胞水平分辨率和至少1mm深度的成像技術(shù)。皮膚移植片最初沒有自身血液供應(yīng)，必須依賴傷口床獲得營養(yǎng)，因此其早期階段的生存能力*決定于它與下面受體組織的血液供應(yīng)的整合情況。由血腫、漿膜瘤或感染引起的皮膚移植片與傷口床之間的任何液體積聚都可能影響受體組織的血液供應(yīng)與移植片的連接，從而導(dǎo)致移植不完整甚至失敗。因此評(píng)估單個(gè)層（移植片）以及移植片和受體組織之間的中間層（整合層）的結(jié)構(gòu)和血管灌注，將極大地幫助早期識(shí)別并發(fā)癥、監(jiān)測(cè)皮膚移植片整合情況。
雖然針對(duì)皮膚移植的手術(shù)和術(shù)后評(píng)估及優(yōu)化方面已有很多研究，但很少有技術(shù)能客觀又準(zhǔn)確地評(píng)估術(shù)后皮膚移植片的情況。臨床環(huán)境中，常通過視覺檢查評(píng)估健康供體來評(píng)估移植片的健康情況。在移植失敗或整合不*的情況下，活檢是目前認(rèn)為weiyi準(zhǔn)確確定失敗原因的方法。但活檢會(huì)導(dǎo)致進(jìn)一步的組織損傷，可能會(huì)耗費(fèi)時(shí)間、增加感染風(fēng)險(xiǎn)，而且如果評(píng)估位置選擇錯(cuò)誤可能得到的結(jié)果也不準(zhǔn)確，此外重復(fù)活檢還可能引發(fā)疤痕并發(fā)癥。因此亟需一種非侵入性的成像方式來幫助監(jiān)測(cè)移植片的健康狀況。
光學(xué)相干斷層掃描（OCT）具有細(xì)胞級(jí)分辨率、約1.5mm成像深度和3D成像能力，有可能實(shí)現(xiàn)對(duì)皮膚移植片的無創(chuàng)成像和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。且隨著分辨率、靈敏度和掃描速度的提高，OCT正迅速成為皮膚科研究和臨床實(shí)踐的重要工具。基于OCT的血管造影（OCTA）可提供組織結(jié)構(gòu)以外的信息，如識(shí)別功能血管，通過快速連續(xù)測(cè)量同一位置多個(gè)時(shí)間點(diǎn)的OCT信號(hào)差異來區(qū)分血管和周圍靜態(tài)組織。此外算法開發(fā)的進(jìn)步，如衰減校正、分割、面內(nèi)繪圖、厚度測(cè)量和血管測(cè)量，允許對(duì)單個(gè)層中的結(jié)構(gòu)和血管特征進(jìn)行定性和定量的成像及分析。
本研究旨在探索應(yīng)用OCT/OCTA成像技術(shù)，觀察并監(jiān)測(cè)自體皮膚移植片愈合和整合的潛力。使用了能夠提取OCTA信息的原型OCT成像系統(tǒng)來可視化并分析移植片本身，及其下相應(yīng)的整合層的血管（OCTA導(dǎo)出血管映射）和結(jié)構(gòu)（OCT導(dǎo)出衰減校正映射）特征。
圖1 OCT系統(tǒng)的原型以及數(shù)據(jù)處理示意圖。（A）采集OCTA數(shù)據(jù)的OCT原型系統(tǒng)；（B）原始結(jié)構(gòu)橫截面B-frame圖像；（C）衰減校正截面B-frame圖像；（D）3D結(jié)構(gòu)圖像。紅線為移植層邊界（紅色箭頭為移植層），綠線為整合層邊界（綠色箭頭為整合層）。使用這些線進(jìn)行層分割；（E）血管橫截面B-frame圖像；（F）3D血管的原始en face投影；（G）用于量化血管面積密度的二值化血管圖像；用于血管直徑量化的骨架化血管圖像。
結(jié)果
圖2為患者#1右前臂背側(cè)移植片內(nèi)及其正下方的血管變化（通過en face血管圖獲得）。圖2A和F分別為術(shù)后第7天和第16天的移植前臂，標(biāo)示了大致的掃描位置和移植片分界線。對(duì)移植片、鄰近燒傷和同等健康部位（對(duì)側(cè)前臂）進(jìn)行了多次OCT以進(jìn)行比較。圖2D和放大插圖2E可見對(duì)照部位的血管形態(tài)、密度和分布都很均勻。相比之下，與移植片相鄰的燒傷部位（圖2I和J）顯示，燒傷受損皮膚的血管密度*，即使在燒傷后23天，也很難識(shí)別單個(gè)血管形態(tài)。移植片的表面血管雖然較少（圖2綠色血管），但脈管系統(tǒng)（圖2B和C）僅在術(shù)后7天其形態(tài)和分布已經(jīng)更接近正常對(duì)照組（圖2D，E）。圖2G和放大插圖2H顯示了術(shù)后16天移植片的脈管系統(tǒng)，與第一次成像相比，脈管系統(tǒng)看起來更像正常對(duì)照。
圖2 患者#1的en face OCTA成像。（A, F）術(shù)后7天和16天移植前臂的照片。G1、G2、G3和B1是大致掃描位置（黃色虛線框）。G1-G3是三個(gè)移植部位，B1是與移植片相鄰的燒傷部位。白色虛線為移植邊界。（B, C）掃描部位G2處術(shù)后7天的移植片脈管系統(tǒng)。（D, E）同一患者正常皮膚（對(duì)側(cè)前臂）的脈管系統(tǒng)。（G, H）掃描部位G2處術(shù)后16天的移植脈管系統(tǒng)。（I, J）掃描部位B1處最初燒傷23天后鄰近移植片的燒傷部位的脈管系統(tǒng)。（C, E, H, J）分別為（B, D, G, I）虛線矩形處的放大圖。
圖3為圖2中白色虛線位置組織結(jié)構(gòu)的代表性橫截面B-frame（衰減校正處理后），其中表皮-真皮連接和相鄰層的邊界清晰可見。黃色虛線為表皮和真皮的連接。紅色虛線為移植層的下邊界和整合層的上邊界。綠色虛線為整合層的下邊界和受體組織的上邊界。圖3B為正常對(duì)照，結(jié)構(gòu)平滑且均一。圖3D為燒傷后表皮粗糙的皮膚結(jié)構(gòu)。圖3A移植組織的表皮明顯厚于正常對(duì)照部位的表皮，整合層也清晰可見。圖3C顯示隨著時(shí)間的推移，表皮厚度恢復(fù)到接近正常對(duì)照組的水平，比較第二次成像和第一次成像也證明了這一點(diǎn)。此外，與第一次成像相比，第二次成像中整合層更薄且不明顯。
圖3 OCT結(jié)構(gòu)的代表性橫截面B-frame（衰減校正處理后），由圖2中白色虛線處獲得。（A）術(shù)后7天的移植片；（B）同一患者的正常皮膚（對(duì)側(cè)前臂）；（C）術(shù)后16天的移植片；（D）最初燒傷后23天鄰近移植片的燒傷部位。黃色虛線為表皮和皮膚的結(jié)合。紅色虛線為移植層和整合層之間的邊界。綠色虛線為整合層和受體組織之間的邊界。
圖4為同一移植片分割成兩個(gè)不同的層，即移植層和整合層，以分別顯示每層的脈管系統(tǒng)和厚度圖。對(duì)于患者#1，與第一次成像相比，第二次成像時(shí)移植片和整合層中的血管分布似乎更均勻。此外，在第一次和第二次成像期間，移植片和整合層似乎都變薄了。
圖4 患者#1的en face血管和層厚圖，跨越兩個(gè)成像階段。（A, C, E, G）分別從移植層和整合層得到的en face投影脈管系統(tǒng)圖。（B, D, F, H）分別從移植層和整合層導(dǎo)出的厚度圖。
圖5為患者#2右前臂腹側(cè)移植片內(nèi)及其正下方的血管（通過en face血管圖）和結(jié)構(gòu)（通過衰減校正圖的橫截面B-frame）變化。圖5A和E分別為術(shù)后第6天和第14天的移植前臂。圖5B和放大的插圖5C為術(shù)后6天移植的皮膚，血管密度稀疏。在橫截面的B-frame中，移植組織和受體組織之間的間隙清晰可見（圖5D）。圖5F和G顯示，與術(shù)后6天的血流相比，術(shù)后14天的血流分布更加均勻。圖5H可顯著發(fā)現(xiàn)與第一次成像相比，第二次成像的整合層不太明顯。圖5F黃色箭頭指示的是深色血管樣結(jié)構(gòu)。
圖5 患者#2的en face OCTA圖像和結(jié)構(gòu)（衰減校正處理后）橫截面B-frame。（A, E）分別為術(shù)后6天和14天移植前臂的照片。G1、G2和G3為移植和掃描位置（紅色虛線框）。（B, C, D）術(shù)后6天G2處的移植片。（F, G, H）術(shù)后14天G2處的移植片。（B, C, F, G）彩色編碼血管深度的en face投影血管圖。（C, G）在B和F中虛線矩形區(qū)域的放大圖像。（D, H）對(duì)應(yīng)B和F中白色虛線處的OCT結(jié)構(gòu)的橫截面B-frame。E，表皮；D，真皮；G，移植片層；I，整合層。
圖6為同一移植片掃描，分為兩層，即移植片層和整合層，分別顯示每層的脈管系統(tǒng)和厚度圖。對(duì)于患者#2，與第一次成像相比，第二次成像時(shí)移植片和整合層的血管更密集。但在第一次和第二次成像期間，移植片和整合層的厚度都沒有明顯變化。
圖6 患者# 2跨越兩個(gè)成像時(shí)段的en face投影血管和層厚圖。（A, C, E, G）分別從移植層和整合層得到的en face投影血管圖。（B, D, F, H）厚度圖分別來自移植層和整合層。
Table 1顯示了兩個(gè)患者在兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的層厚測(cè)量、血管面積密度和直徑測(cè)量的詳細(xì)量化結(jié)果。患者#1第二個(gè)時(shí)間點(diǎn)的整合層厚度明顯低于第一個(gè)時(shí)間點(diǎn)（P=0.0047）。在患者#2的兩次成像期間，移植片血管密度（P=0.042）和整合層血管密度（P=0.0052）均有顯著增長。在第一次和第二次成像期間，患者#2的整合層內(nèi)的血管直徑也顯著增加（P=0.042）。
討論
移植片血運(yùn)重建對(duì)于移植片存活至關(guān)重要。OCTA可通過識(shí)別血液中運(yùn)動(dòng)粒子（即紅細(xì)胞）和周圍靜態(tài)組織之間的差異來檢測(cè)功能性血管。也就是說，如果血管中沒有血流或者血流太慢而低于其檢測(cè)極限（通常小于約10μm/s），OCTA不會(huì)檢測(cè)到血流。已知皮膚移植片最初沒有自己的血液供應(yīng)，因此理論上不應(yīng)該在術(shù)后立即觀察到任何血流。第一次成像時(shí)，兩個(gè)患者的移植片和整合層中觀察到血流，表明患者#1和患者#2分別在術(shù)后7天和6天實(shí)現(xiàn)了血運(yùn)重建，與已有的術(shù)后3-7天進(jìn)行血管重建的理論一致，也證明了OCT/OCTA對(duì)皮膚移植片血運(yùn)重建的評(píng)估能力。由于皮膚移植片血運(yùn)重建背后的確切機(jī)制尚未*了解，在探索早期血管轉(zhuǎn)化機(jī)制和動(dòng)力學(xué)方面，OCT/OCTA可能發(fā)揮重要作用。此外患者#2兩個(gè)成像時(shí)間點(diǎn)間，移植片血管密度（P=0.042）和整合層血管密度（P=0.0052）均觀察到顯著增長，表明隨著時(shí)間的推移，皮膚移植片進(jìn)一步血運(yùn)重建。
從視覺上看，表皮增厚是移植片水腫的常見特征，在患者#1中很明顯，如移植片橫截面B-frame圖像所示（圖3A），隨后部分消退（圖3C）。水腫被認(rèn)為是由淋巴功能障礙和炎癥引起，后來的淋巴管生有助于水腫的減輕。患者#2的第二次成像過程中，可以看到黑色血管樣結(jié)構(gòu)（圖5H），患者#1移植層和整合層中也顯示了暗血管結(jié)構(gòu)，但不如患者#2明顯。這些結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是淋巴管，因?yàn)榱馨鸵簬缀跬该鳎沟肙CT圖像中淋巴管以血管樣形狀出現(xiàn)在黑暗區(qū)域（低散射強(qiáng)度）。因此OCT的結(jié)構(gòu)圖像及水腫減輕似乎可以為淋巴管生成提供證據(jù)。
從兩名患者中得到的血管和結(jié)構(gòu)信息可能允許臨床醫(yī)生或研究人員監(jiān)測(cè)愈合的各個(gè)階段，但比較二者的數(shù)據(jù)時(shí)，還是有其他發(fā)現(xiàn)。綜合考慮兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)，患者#1表皮較厚，使作者認(rèn)為術(shù)后7天水腫仍然存在，術(shù)后16天水腫部分消退。然而患者#2的表皮厚度在術(shù)后6天明顯更穩(wěn)定，術(shù)后14天測(cè)量結(jié)果無顯著差異。與第一次成像相比，患者#1第二次成像整合層的厚度顯著減少（~ 50%）（P = 0.0047），而患者#2由于在第一次成像期間整合層已經(jīng)變薄，第二次沒有減少。這可能是由于患者#1手術(shù)后最初幾天出現(xiàn)了一些并發(fā)癥，因此患者#1維持在發(fā)炎狀態(tài)的時(shí)間比患者#2長，這種長期炎癥似乎也影響了血管密度和整合層厚度。簡而言之，患者#1的并發(fā)癥和隨之而來的炎癥導(dǎo)致第一次成像期間血管密度增加。隨著該患者的康復(fù)，第二次成像期間的血管重建引起了同樣高的血管密度增加。相比之下患者#2沒有相同程度的炎癥，因此血管密度相對(duì)較低，隨著愈合，血運(yùn)重建導(dǎo)致第二次成像時(shí)血管密度顯著增加。雖然最初看起來好像兩個(gè)患者的血運(yùn)重建率不同，但僅僅是由于炎癥影響了第一次成像的數(shù)值結(jié)果。在第二次成像時(shí)，兩個(gè)病人都正常化。這也突出了非侵入性成像技術(shù)相對(duì)于其他侵入性方式的優(yōu)勢(shì)：可在不干擾愈合過程的情況下更容易地隨時(shí)間重復(fù)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)愈合進(jìn)行更深入的評(píng)估。
總的來說，本研究雖然存在一定局限性，如視野大小受限、參與者數(shù)量不足、OCT自身穿透深度限制。但也確實(shí)通過OCT和OCTA實(shí)現(xiàn)了對(duì)血管和結(jié)構(gòu)特征的觀察，這可能對(duì)臨床醫(yī)生在術(shù)后幾天和幾周內(nèi)確定移植皮膚的整合和成熟過程起一定幫助作用。此外從臨床角度來看，OCT和OCTA在移植片成像中的應(yīng)用潛力巨大，OCTA不僅可以用于監(jiān)測(cè)移植片整合，還可在切除前評(píng)估供區(qū)血管，幫助預(yù)測(cè)移植片的存活率、評(píng)估燒傷部位傷口愈合情況。從臨床前的角度看，OCT和OCTA可以用于評(píng)估移植操作和工程皮膚組織替代品，如偏振敏感OCT（PS-OCT）足夠靈敏，可以檢測(cè)不同的真皮層以及各向異性的生物結(jié)構(gòu)（如膠原蛋白），這將進(jìn)一步提高OCT在皮膚自體移植研究中的應(yīng)用。
結(jié)論
皮膚自體移植作為一種治療策略廣泛應(yīng)用于臨床，被納入包括燒傷、軟組織創(chuàng)傷和癌癥在內(nèi)的多種疾病的治療策略中，但仍有10-30%的失敗率。本文shouci展示了OCT和OCTA在中厚皮片手術(shù)后幾天和幾周內(nèi)，成像并監(jiān)測(cè)人皮膚自體移植手術(shù)后的健康及整合情況的能力。shouci證明了無創(chuàng)OCT/ OCTA成像技術(shù)在該臨床應(yīng)用中的適用性，對(duì)未來的外科手術(shù)和臨床結(jié)果有極大改善作用。
參考文獻(xiàn)：Imaging human skin autograft integration with optical coherencetomography. Quant Imaging Med Surg 2021;11(2):784-796. DOI: 10.21037/qims-20-750