Перспективы применения оптической когерентной томографии для визуализации заболеваний кожи

• ¹Вв едение. Одним из современных направлений в создании методов и устройств для неинвазивного исследования и диагностики морфофункционального состояния кожи в норме и при патологии является развитие методик ее зондирования излучением видимого и ближнего инфракрасного диапазонов [1–4]. Подобный интерес вполне объясним, поскольку создаваемые с их использованием оптические методы диагностики являются безопасными для пациента, обладают высоким пространственным разрешением, сравнимым с длиной волны зондирующего излучения и используют уникальную особенность оптики кожи — так называемые «окна прозрачности», или «диагностические окна», в диапазоне длин волн 650–1300 нм [5].

Совокупность оптических методов визуализации структуры кожи, использующих разнообразные эффекты взаимодействия света с рассеивающими средами носит название оптической томографии (ОТ). В настоящее время развиваются такие методы ОТ, как оптическая когерентная томография (ОКТ), модуляционная томография, ОТ нестационарных сред на основе спекл-корреляционных методов и др., а также методы, основанные на преобразовании светового излучения в поля другой природы (например, оптоакустическая томография) [6]. С точки зрения разработки оптических методов диагностики, кожа характеризуются как интенсивным рассеянием излучения видимого и ближнего ИК диапазонов, так и селективным поглощением, обусловленным наличием в составе тканей естественных хромофоров (в первую очередь гемоглобина и меланина).

ОКТ — высокоточный метод исследования, построенный на принципах световой низкокогерентной интерферометрии. Разработанная в самом начале девяностых годов прошлого века [7], ОКТ практиче-

ски сразу же стала объектом пристального внимания со стороны дерматологов [8].

ОКТ с пространственным разрешением 4–10 мкм в состоянии идентифицировать роговой слой, эпидермис и верхние слои дермы, а также придатки кожи и кровеносные сосуды [9]. По разрешающей способности методика ОКТ значительно превосходит метод ультразвукового исследования кожи, уступая лишь конфокальной микроскопии. С другой стороны, глубина зондирования у ОКТ выше, нежели у конфокальной микроскопии (рис. 1). Для сравнения на диаграмме приведены также относительные характеристики некоторых других неинвазивных методик исследования кожи — фотоакустической то-

Рис. 1. Сравнительная характеристика неинвазивных методов исследования кожи: разрешение и глубина зондирования.

мографии, лазерной допплеровской визуализации перфузии ( laser doppler perfusion imaging — LDPI) и лазерной спекл-визуализации перфузии ( laser specle perfusion imaging — LSPI), подробно рассмотренных в обзоре Leahy с соавт. [10].

Помимо визуализации и морфометрии кожи и ее придатков в норме [11–13], ОКТ широко используется для изучения разнообразных патологических состояний — как опухолевой (меланома, базально-клеточная карцинома, гемангиома и др.) [11], так и воспалительной природы (псориаз, буллезные дерматозы, контактный дерматит и др.) [14–16]. Обнадеживающие результаты получены при ОКТ-мониторинге эффективности различных фототерапевтических методов и лекарственных препаратов [17–19].

Вместе с тем следует признать, что ОКТ до настоящего времени не получила широкого распространения в дерматологии и не заняла свою «нишу» в ряду высокоинформативных и востребованных диагностических процедур, подобно, например, дерматоскопии и ультразвуковой диагностике [2, 3]. С нашей точки зрения, одной из возможных причин является несовершенство алгоритма обработки и представления диагностической информации в интуитивно малопонятном для врача-дерматолога виде.

Цель: отработка методики визуализации информации, полученной при ОКТ-исследовании кожи в норме и при ряде воспалительных заболеваний.

Материал и методы. Для ОКТ была использована установка OCS1300SS (производство Thorlabs Inc., США) (рис. 2), в которой источником зондирующего излучения является суперлюминесцентный диод с центральной длиной волны 1325 нм и шириной спектра на уровне половины от максимального значения, превышающей 100 нм, что соответствует длине когерентности зондирующего излучения, равной 6 мм. Максимальная глубина зондирования составляет 3 мм [13]. Штатное программное обеспечение позволяет осуществлять 1-, 2- и 3-D-визуализацию исследуемых объектов. Трехмерное изображение допускает визуализацию фрагмента исследуемого участка кожи с размерами 10x10x³ мм (длина х ширина х глубина). Продольное (по глубине) разрешение томографа составляет 12 мкм при зондировании сред с показателем преломления (n), близким к 1, и 9 мкм — для сред с показателем преломления, близким к показателю преломления воды (n~1,33). Соответственно, для биологических тканей с показателями преломления (n ~1,35–1,5) продольное разрешение будет несколько выше (до 8 мкм). Поперечное пространственное разрешение при 2-D- и 3-D- сканировании составляет 25 мкм.

При построении 2-D-изображений сечений биоткани (рис. 2) в вертикальной (В-скан) плоскости (по глубине) максимальное разрешение изображения составило 4000x512 пикселей при кадровой частоте в 25 Гц. Подобная комбинация параметров визуализации позволяет не только анализировать на надклеточном уровне особенности морфологии образцов биотканей, обусловленные различными патологиями, но и исследовать кинетику взаимодействия тканей с различными физико-химическими агентами (например, их оптическое просветление при диффузии в объем ткани иммерсионных агентов) [16].

Процедуру ОКТ выполняли в амбулаторных и стационарных условиях (рис. 3) на базе клиники кожных и венерических болезней СГМУ у 12 больных с разнообразными заболеваниями кожи (псориаз, акне, склеродермия и др.) и у 5 практически здоровых до-

Рис. 2. Схема получения плоскостных сечений кожи in vivo : A — оптический когерентный томограф; Б — серия вертикальных томограмм кожи с шагом 4 мкм; В — формирование 3D-фрагмента исследуемого участка кожи разметом 10х10х³ мм; Г — получение плоскостных томограмм.

Рис. 3. Оптическая когерентная томография кожи in vivo.

бровольцев. Возраст обследованных лиц варьировал от 20 до 40 лет.

В дальнейшем полученные данные подвергались компьютерной обработке с целью получения поперечных плоскостных сечений («срезов») исследуемого участка кожи (см. рис. 2).

Для сравнительной ультрасонографической оценки патологических изменений в эпидермисе и дерме применяли цифровую ультразвуковую систему высокого разрешения DUB (TPM GmbH, Германия). Прибор оснащен датчиком 33 МГц с разрешением 78 мкм. Глубина проникновения сигнала 10–13 мм. Длина сканируемого участка составляла 13 мм. Сканирование проводили в А- и В-режимах. Преобразование сигнала в цифровой с датчика 33 МГц производилось с частотой 100 МГц. Усиление 40 дБ. Получали двухмерную картину «среза» кожи.

Все измерения производились в соответствии с правилами, обеспечивающими стандартные условия: постоянство температуры (22-23оС) и влажности, обязательной 15-минутной акклиматизации испытуемого.

Результаты. На рис. 4 показаны В-сканы, полученные с помощью ОКТ с участков нормальной кожи (рис. 4 а) и очагов поражения при псориазе (рис. 4 б и в), акне (рис. 4 г) и склеродермии (рис. 4 е). Для

Рис. 4. ОКТ- и ультрасонографические изображения кожи: а — нормальная кожа в области предплечья; б — псориаз; в — псориатическая папула с выраженным гиперкератозом; г — пустулезный элемент при акне; д — ультрасонограмма очага псориатического поражения, представленного на оптической томограмме (б); е — очаг склеродермии.

Рис. 5. Горизонтальные плоскостные ОКТ-сечения кожи в норме и при ряде воспалительных заболеваний. а — норма; б — псориаз; в — акне; г — склеродермия: 1 — глубина 25 мкм; 2–150 мкм; 3–350 мкм; 4–600 мкм; 5–1000 мкм.

сравнения на рис. 4 д приведена ультрасонограмма участка кожи больного псориазом, предварительно измененная с помощью ОКТ (рис. 4 б).

Методика ОКТ демонстрирует существенно более высокую степень детализации объектов по сравнению с ультразвуковой диагностикой. На оптических томограммах хорошо видны все слои кожи: эпидермис и верхняя дерма, волосяные фолликулы и сосудистая сеть, потовые и сальные железы.

При псориазе (рис. 4 в) четко выделяются участки пара- и гиперкератоза, папилломатоз и полнокровие капилляров дермы. Оптическая томограмма при склеродермии (рис. 4 е) регистрирует истончение эпидермиса и дермы. При акне (рис. 4 г) удается детально изучить структуру и глубину залегания пустулезного элемента.

Плоскостные ОКТ-сечения кожи для тех же образцов, полученные нами в результате компьютерной обработки массива В-сканов, приведены на рис. 5. Они способны существенно дополнить информацию о структуре кожи в норме и при патологии на различных глубинах.

Изображения, полученные с помощью данной методики обработки данных, содержат ценную информацию о размерах морфологических элементов, состоянии сосудистых элементов и их плотности на различных глубинах. При достаточной скорости обработки сигнала возможно получать плоскостные сечения кожи в реальном масштабе времени. Для врача-дерматолога плоскостные сечения являются интуитивно более понятными и существенно дополняющими информацию, полученную при традиционном сканировании (В-скан).

Обсуждение. Для успешного внедрения современных методов оптической томографии в практическую дерматологию необходимо ориентироваться не только на количественные параметры, получаемые за счет использования высокочувствительных методик, но и на легкость восприятия врачом результатов исследования.

Классическим способом визуализации ОКТизображений кожи является В-скан — двумерная картина структуры ткани в вертикальном сечении. Она позволяет выполнить ряд важных для диагностики измерений морфометрических параметров кожи в условиях in vivo [8]. Для формирования представления об объеме того или иного морфологического элемента и его ориентации в горизонтальной плоскости необходимо иметь возможность «заглянуть» внутрь кожи с привычной для врача точки обзора. Для этого крайне важно иметь возможность как бы «пролистать» слои кожи, начиная с ее поверхности.

Заключение. Дополнение результатов ОКТ плоскостными сечениями исследуемого участка кожи повысит привлекательность данного метода для практического использования в дерматологической практике.