王 平 張 洋 王曉燕 江宗星 張?jiān)?倪敬書 王貽坤 劉 勇

空間頻域成像(spatial frequency domain imaging,SFDI)作為一種新穎的光學(xué)成像技術(shù)，主要采用結(jié)構(gòu)光與特定的光傳輸模型相結(jié)合，在檢測(cè)組織形態(tài)結(jié)構(gòu)的同時(shí)能夠提供組織的光學(xué)和生理參數(shù)信息，具有快速、寬場、無創(chuàng)、非接觸、定量檢測(cè)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究和臨床診療等多個(gè)領(lǐng)域。本文就SFDI技術(shù)的基本原理和方法，以及其在臨床常見疾病中的應(yīng)用現(xiàn)狀與研究進(jìn)展作一綜述，旨在為臨床相關(guān)疾病的診療提供一種科學(xué)、新穎、可靠的評(píng)估方法。

1 SFDI的原理和方法

SFDI技術(shù)主要是通過寬場光源和空間光調(diào)制器與特定的光傳輸模型相結(jié)合來獲取樣品組織區(qū)域的光學(xué)特性參數(shù)——吸收系數(shù)(absorption coefficient，μa)和約化散射系數(shù)(scattering coefficient，μs’)，進(jìn)而反演出組織成分的生理參數(shù)，如氧化血紅蛋白、脫氧血紅蛋白、血氧飽和度水平等。不同空間頻率的結(jié)構(gòu)光源對(duì)組織的穿透深度不同，頻率越高，穿透深度越小，在組織中的傳輸距離越短，組織越易發(fā)生光的散射；反之低頻結(jié)構(gòu)光照射組織越易發(fā)生吸收?；谝陨显恚褂脙蓚€(gè)或兩個(gè)以上頻率的光源可以有效區(qū)分μa和μs’兩個(gè)參數(shù)。根據(jù)氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的光吸收差異特征，SFDI技術(shù)通常選擇650 nm和860 nm波長的光源來測(cè)定組織氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度[1]。將兩種不同波長的光源依次照射到特定的數(shù)字微鏡(digital micromirror device，DMD)裝置上，經(jīng)由DMD裝置空間調(diào)制形成寬場正弦圖像，投射出結(jié)構(gòu)光照射到待測(cè)組織上，待測(cè)組織的漫反射光被數(shù)碼相機(jī)捕獲形成漫反射圖像，根據(jù)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(modulation transfer function, MTF)和三相位移法求得的光子密度振幅來反演待測(cè)組織的漫反射率。再由光子漫射近似方程(diffusion approximation equation，DAE)通過非線性最小二乘法來反演組織的吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)[2]，最后通過朗伯-比爾定律可推算生物組織中各主要組織成分(常被稱為發(fā)色團(tuán))的濃度，該濃度不同于化學(xué)意義上的稀釋介質(zhì)中的濃度，它是指光照條件下單位組織體積內(nèi)各成分的定量測(cè)定值，即待測(cè)組織的生理參數(shù)[3]。

2 SFDI在臨床上的應(yīng)用

SFDI技術(shù)通過對(duì)組織氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白濃度的測(cè)定，計(jì)算局部組織的血氧飽和度，進(jìn)而評(píng)估組織的血流灌注和供氧水平情況，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，在疾病的預(yù)測(cè)、診療和預(yù)后評(píng)估過程中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

2.1 糖尿病和糖尿病足潰瘍 糖尿病患者由于對(duì)疾病的認(rèn)識(shí)不足和血糖控制不佳很容易導(dǎo)致各種并發(fā)癥的發(fā)生，糖尿病足是其最嚴(yán)重的并發(fā)癥之一[4]。由于足部血供的多源性，一條血管中的低血流量可能無法準(zhǔn)確反映潰瘍部位的血供情況，僅憑臨床檢查無法可靠地評(píng)估灌注不足的嚴(yán)重程度。另外，與糖尿病足潰瘍相關(guān)的臨床特征如感染、水腫和神經(jīng)系統(tǒng)病變等可能影響常規(guī)血管病變檢查的有效性。目前，糖尿病足的臨床常用輔助檢查方法包括神經(jīng)系統(tǒng)檢查和血管病變檢查，前者如10 g尼龍絲檢查、音叉檢查、痛溫覺檢查、震動(dòng)感覺閾值檢測(cè)(vibration perception threshold,VPT)、神經(jīng)傳導(dǎo)速度檢查(nerveconduction study ,NCS)等，后者包括踝肱指數(shù)(ankle brachial index, ABI)、彩色多普勒超聲檢查(color doppler flow imaging，CDFI)、經(jīng)皮氧分壓檢測(cè)(transcutaneous oxygen pressure，TcPO2)、數(shù)字減影血管造影(digital subtraction angiography,DSA)等。10 g尼龍絲檢查、音叉檢查和痛溫覺檢查成本低廉、易操作，但其精確度不夠理想[5]；VPT易受儀器設(shè)備和外界環(huán)境刺激的影響，穩(wěn)定性較差[5]；NCS和DSA屬于有創(chuàng)檢查，成本高，操作難度較大[6]；ABI易受主觀因素影響，差異性較大[7]；CDFI存在對(duì)血管狹窄程度高估或低估的問題,缺乏統(tǒng)一可靠的診斷標(biāo)準(zhǔn)[8]；TcPO2可反映微血管功能狀態(tài)，但不能反映血流情況和血管壁損傷程度，且儀器大、價(jià)格高[9]。SFDI與以上方法相比，具有快速、寬場、無創(chuàng)、非接觸、檢測(cè)方法簡單靈活[1]等優(yōu)點(diǎn)，其采用可見光和近紅外光照射組織，繪制大視場(15 cm×20 cm的視野上)的局部微循環(huán)圖像，測(cè)算足部組織中深達(dá)4 mm皮膚微循環(huán)光學(xué)和生理參數(shù)，用于評(píng)估糖尿病足的病程階段，為糖尿病足潰瘍風(fēng)險(xiǎn)分層提供了定量依據(jù)[10]。Murphy等[11]研究發(fā)現(xiàn)SFDI能夠在出現(xiàn)臨床可識(shí)別體征之前檢測(cè)出潰瘍風(fēng)險(xiǎn)部位明顯的微循環(huán)和氧合變化，這表明SFDI檢測(cè)技術(shù)可能為臨床診斷與治療以及縱向跟蹤隨訪提供參考依據(jù)。Li等[12]采用實(shí)時(shí)單快照多頻解調(diào)SFDI(single snapshot multiple-frequency demodulation SFDI,SSMD-SFDI)系統(tǒng)對(duì)健康志愿者、糖尿病患者和糖尿病足患者的足部進(jìn)行成像，并使用皮膚分層模型獲得光學(xué)和生理參數(shù)，其結(jié)果顯示隨著糖尿病病程的進(jìn)展，皮膚血紅蛋白濃度、血氧飽和度、表皮厚度均減少，黑色素含量增加，這表明SSMD-SFDI系統(tǒng)測(cè)量的光學(xué)和生理參數(shù)與糖尿病病程之間關(guān)系密切，SSMD-SFDI系統(tǒng)在預(yù)測(cè)糖尿病足的發(fā)生和嚴(yán)重程度以及監(jiān)測(cè)組織微循環(huán)和周圍血管疾病方面的有著重要的價(jià)值。

2.2 燒傷 燒傷是一個(gè)全球性公共衛(wèi)生問題，燒傷傷口若得不到及時(shí)救治，可能會(huì)導(dǎo)致感染、疤痕、毀容、長期住院、功能損害和殘疾等。燒傷創(chuàng)面的深度檢測(cè)和臨床愈合能力評(píng)估在臨床治療燒傷過程中起關(guān)鍵作用。目前，應(yīng)用最廣泛、成本最低的燒傷深度的評(píng)價(jià)主要依賴于外科醫(yī)師的主觀評(píng)價(jià)，如創(chuàng)面的顏色特征、毛細(xì)血管充盈狀態(tài)、燒傷創(chuàng)面的觸感和刺痛敏感度等，這使得臨床評(píng)估缺乏可靠性和穩(wěn)定性[13]。組織活檢病理切片一直被視為檢測(cè)燒傷深度的“金標(biāo)準(zhǔn)”，但其耗時(shí)長、費(fèi)用高、檢測(cè)范圍局限、專業(yè)要求高，并有可能對(duì)患者帶來二次傷害而未被廣泛使用[14]。前視紅外(forward looking infrared，F(xiàn)LIR)熱成像技術(shù)通過檢測(cè)燒傷皮膚的溫度來間接對(duì)創(chuàng)面深度進(jìn)行評(píng)估，但在評(píng)估Ⅲ度燒傷可修復(fù)組織時(shí)具有一定的局限性[15]。吲哚青綠(indocyanine green，ICG)血管造影可通過檢測(cè)真皮的活力來評(píng)估燒傷組織血流灌注情況，但由于實(shí)驗(yàn)條件復(fù)雜和基礎(chǔ)設(shè)施要求高，使得該方法在臨床應(yīng)用中未能普及[16]。激光多普勒(laser doppler perfusion imager，LDI)能夠?qū)齻麆?chuàng)面進(jìn)行無創(chuàng)掃描成像，定量分析皮膚特定區(qū)域的微血管血流量，但易受反應(yīng)性血管收縮、溫度及體位改變的影響，準(zhǔn)確性較低[17]。SFDI可以無創(chuàng)、定量描述皮膚燒傷傷口愈合過程中發(fā)生的皮下變化[1]。Kennedy等[18]對(duì)豬燒傷模型的研究表明，SFDI有可能在毫米空間尺度上提供皮膚和傷口光學(xué)特性的近實(shí)時(shí)廣域圖，用于評(píng)估各種皮膚修復(fù)干預(yù)措施的有效性。Ponticorvo等[19]在后來的臨床病例研究中應(yīng)用SFDI技術(shù)通過識(shí)別低散射組織來進(jìn)行燒傷程度評(píng)估，結(jié)果顯示SFDI技術(shù)可以減少患者的住院時(shí)間和降低手術(shù)費(fèi)用成本。Rebecca等[20]采用支持向量機(jī)(support vector machines，SVM)分類器在多個(gè)空間頻率上驗(yàn)證SFDI反射數(shù)據(jù)的可行性，該模型基于所有波長獲得的空間頻率圖像來預(yù)測(cè)24 h燒傷嚴(yán)重程度的準(zhǔn)確率為92.5%,這表明SFDI與機(jī)器學(xué)習(xí)的結(jié)合用于預(yù)測(cè)燒傷嚴(yán)重程度準(zhǔn)確性方面具有潛在優(yōu)勢(shì)。

2.3 皮膚疾病 在臨床中，皮膚病的診斷主要依賴于臨床醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)和組織病理學(xué)檢查。常見的皮膚病輔助診斷技術(shù)主要包括組織成像技術(shù)(如皮膚鏡)、高頻超聲成像技術(shù)、皮膚CT技術(shù)和MRI技術(shù)等。近年來，激光光譜檢測(cè)技術(shù)和光學(xué)相干層析術(shù)(optical coherence tomography，OCT)的應(yīng)用前景也普遍受到關(guān)注。與以上技術(shù)不同，SFDI 技術(shù)能夠定量得到皮膚組織的二維光學(xué)參數(shù)和生理參數(shù)信息，為臨床醫(yī)師對(duì)皮膚疾病的病理診斷、病情嚴(yán)重程度評(píng)估以及皮膚科手術(shù)指導(dǎo)提供有效依據(jù)[21]。Tracers等[22]應(yīng)用SFDI測(cè)量了從輕度光損傷到光化性角化病患者的皮膚組織光學(xué)性質(zhì)和生理參數(shù)的變化情況，發(fā)現(xiàn)光學(xué)和生理參數(shù)可用于光損傷程度分級(jí)，臨床醫(yī)師可使用這種非侵入性方法對(duì)高危人群進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和隨訪監(jiān)測(cè)。Yafi等[23]發(fā)現(xiàn)SFDI還可用于壓瘡的風(fēng)險(xiǎn)分層、分期和愈合評(píng)估，對(duì)可能產(chǎn)生壓瘡的部位進(jìn)行定量和縱向評(píng)估，既可以降低發(fā)病率和避免后遺癥，又可以為患者降低醫(yī)療成本。Rohrbach等[24]將SFDI技術(shù)與超聲成像定位相結(jié)合，可以量化組織血氧飽和度、總血紅蛋白和腫瘤病變部位的厚度，可用于非黑色素瘤皮膚癌術(shù)前定位指導(dǎo)和治療。在國內(nèi)，溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院皮膚科利用SFDI實(shí)驗(yàn)裝置采集不同類型皮膚病患者的光學(xué)參數(shù)和生理參數(shù)信息，結(jié)果表明帶狀皰疹、濕疹樣皮炎、過敏性皮炎、脂溢性皮炎和蕁麻疹等多種皮膚病的光學(xué)參數(shù)和生理參數(shù)信息與正常皮膚組織之間存在較大差異,SFDI可以觀測(cè)到病變皮膚的炎癥、增生和皮膚變厚生繭等[3]，為皮膚病的診治提供了一種新穎、可靠、科學(xué)的評(píng)估方法。

2.4 乳腺疾病 乳腺疾病最常見的篩查方法是超聲檢查和X射線乳腺鉬靶檢查，再根據(jù)BI-RADS分級(jí)進(jìn)行相應(yīng)處理，對(duì)于可疑陽性的乳腺病變情況進(jìn)行活檢確診，良性病變(0～Ⅲ級(jí))患者通常建議每半年隨訪一次，但X射線乳腺鉬靶檢查對(duì)機(jī)體具有一定的損害[25]。SFDI作為一種新型的非侵入性的無創(chuàng)檢測(cè)方法，對(duì)于乳腺手術(shù)和接受輔助放化療的乳腺癌患者來說意義重大[26]。Robbins等[27]研究表明，SFDI可在體外對(duì)乳腺手術(shù)標(biāo)本進(jìn)行實(shí)時(shí)成像，在初次手術(shù)時(shí)對(duì)手術(shù)邊緣進(jìn)行評(píng)估，保證手術(shù)切除樣本的完整性，以降低乳腺手術(shù)相關(guān)的二次切除率。Mcclatchy等[28]采用SFDI對(duì)31例人類乳腺組織進(jìn)行定量分析發(fā)現(xiàn)，通過光學(xué)參數(shù)預(yù)測(cè)的樣本平均基質(zhì)、上皮和脂肪體積分?jǐn)?shù)與從組織切片計(jì)算的體積分?jǐn)?shù)高度一致，且通過預(yù)測(cè)的上皮與基質(zhì)的比率對(duì)良惡性標(biāo)本進(jìn)行分類，其敏感性為90%，特異性為81%，這為機(jī)體的病理組織類型提供了診斷依據(jù)。

2.5 神經(jīng)系統(tǒng)疾病 由于SFDI技術(shù)的光源不能透過完整的顱骨而成像，因此SFDI對(duì)腦部神經(jīng)系統(tǒng)的研究主要集中在臨床前模型研究。Sunil等[29]研究發(fā)現(xiàn)，SFDI可以表征阿爾茨海默病等退行性疾病神經(jīng)組織和生理的動(dòng)態(tài)變化，SFDI可以對(duì)阿爾茨海默病模型中的功能區(qū)進(jìn)行定量，并且可能是研究阿爾茨海默病神經(jīng)組織成分和生理學(xué)動(dòng)態(tài)變化的有效方法。SFDI還可通過量化腦組織吸收和散射的變異量來監(jiān)測(cè)缺血性損傷引起的腦功能變化，用于診斷和治療缺血性腦卒中以及神經(jīng)元死亡和β淀粉樣蛋白斑塊引起的血管損傷[30]。SFDI還可利用缺血性腦卒中引起的光散射變化來準(zhǔn)確測(cè)量腦梗死的空間范圍，與光學(xué)相干斷層成像測(cè)定的梗死范圍高度一致[31]?；谝陨涎芯?，推斷SFDI還可以應(yīng)用于心臟驟停和心肺復(fù)蘇、癲癇、創(chuàng)傷性腦損傷、偏頭痛等腦皮層特性的監(jiān)測(cè)[32]。最近，Zhao等[33]研究的一種新的半色調(diào)SFDI在一系列具有廣泛光學(xué)特性的模型以及活體組織上得到了驗(yàn)證，半色調(diào)SFDI可以縱向監(jiān)測(cè)活體大鼠大腦皮層組織中功能性生色團(tuán)的絕對(duì)濃度和空間分布，在腦科學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)研究中具有較大的潛力。

2.6 外科手術(shù)指導(dǎo)和監(jiān)測(cè) SFDI技術(shù)在外科的應(yīng)用主要集中在術(shù)前評(píng)估、術(shù)中指導(dǎo)和術(shù)后的無創(chuàng)監(jiān)測(cè)方面。當(dāng)機(jī)體的細(xì)胞、組織或器官喪失原來的功能狀態(tài)而不能滿足機(jī)體正?；顒?dòng)，并出現(xiàn)功能衰竭時(shí)，移植成為了最終的選擇。目前，各類移植技術(shù)已經(jīng)日漸成熟和得到廣泛應(yīng)用，移植手術(shù)后的組織活力和血運(yùn)監(jiān)測(cè)通常是根據(jù)臨床經(jīng)驗(yàn)、感覺狀態(tài)和臨床診斷指南來評(píng)定，SFDI可以定量組織中的氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白和血氧飽和度，從而推測(cè)組織血管異常所致的缺血發(fā)作的可能性，有助于減少并發(fā)癥的發(fā)生[1]。SFDI能夠通過檢測(cè)皮瓣移植術(shù)后愈合過程中的血流動(dòng)力學(xué)變化，測(cè)量傷口的空間不均勻性，預(yù)測(cè)異質(zhì)性愈合,從而為臨床評(píng)估和預(yù)后提供參考依據(jù)[18]。類似的研究也適用于動(dòng)物腎臟、胃腸道以及肝臟的血管閉塞試驗(yàn)中[34]。Vargas等[35]通過對(duì)SFDI技術(shù)在面部移植過程中的應(yīng)用研究表明，其在重建顯微外科手術(shù)中提供有關(guān)血管完整性的術(shù)中指導(dǎo)方面有較大的應(yīng)用價(jià)值。SFDI還可用于縱向監(jiān)測(cè)小鼠股骨移植的股動(dòng)脈血管生成，動(dòng)態(tài)評(píng)估骨移植的愈合情況[36]。另外，SFDI還可以在手術(shù)期間提供術(shù)中實(shí)時(shí)氧合圖像，可以幫助外科醫(yī)師在單側(cè)乳房重建手術(shù)中進(jìn)行指導(dǎo)，以提高臨床效果和預(yù)防并發(fā)癥的發(fā)生[37]。SFDI與相移輪廓術(shù)相結(jié)合用于區(qū)分人前列腺組織(前基質(zhì)、增生、周圍帶)和前列腺外組織(尿道、射精管、前列腺周圍組織)，在根治性前列腺切除術(shù)中能最大限度地降低前列腺外組織受損的風(fēng)險(xiǎn)，并最終檢測(cè)殘留癌，從而向外科醫(yī)師提供準(zhǔn)確可靠的信息，提高手術(shù)的準(zhǔn)確性[38]。

2.7 其他 Singh-Moon等[39]將SFDI技術(shù)應(yīng)用于檢測(cè)藥物在大腦部位的運(yùn)輸分布情況，該研究顯示了繪制藥物分布圖的可行性，為以后進(jìn)行藥物標(biāo)記的載體沉積和藥代動(dòng)力學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。Li等[40]對(duì)一項(xiàng)人體結(jié)直腸組織的離體研究表明，SFDI能夠區(qū)分正常、腺瘤性息肉和癌癥標(biāo)本的光吸收和散射特征，有可能在未來優(yōu)化用于遠(yuǎn)端胃腸道疾病的腔內(nèi)篩查。

3 小結(jié)與展望

本研究簡要概述了SFDI的基本原理、方法以及其在臨床中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并與臨床疾病常用檢查方法進(jìn)行了比較，突顯出SFDI在快速、寬場、無創(chuàng)、非接觸、定量檢測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)。SFDI在糖尿病及糖尿病足監(jiān)測(cè)、燒傷評(píng)估、皮膚病診斷、手術(shù)指導(dǎo)監(jiān)測(cè)等方面已顯示出較高的臨床價(jià)值，但在實(shí)際臨床應(yīng)用中仍然面臨著各種挑戰(zhàn)。在未來的研究中，筆者希望通過對(duì)SFDI技術(shù)的不斷優(yōu)化與改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)原理、器件、儀器與應(yīng)用的創(chuàng)新，提高對(duì)組織狀態(tài)和疾病診斷的特異性和敏感性，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)體的動(dòng)態(tài)變化檢測(cè)，為臨床早期、精準(zhǔn)診斷與治療提供參考，從而改善疾病預(yù)后，提高患者生活質(zhì)量。