基于多光子显微和光学相干层析术的皮肤组织多模态成像技术的研究

There are many kinds of skin diseases. The conventional histopathology is still the dominant method in dermatology by now, but it need to make pathological slice with in vitro tissue specimen, whose processing is complicated and patients suffering. In addition, it cannot repeatedly make slice from the same skin site. Therefore, studies for nondestructive, noninvasive and in vivo detection technologies are greatly concerned. Multimodal skin imaging with integrated optical coherence tomography (OCT) and multi-photon microscopy (MPM) will be studied in this project, which will be the potential comprehensive technology in dermatology. MPM can image cell and extra-celluar matrix with subcellular resolution and biochemical specificity. OCT detects backscattered light from tissue and can image tissue structure quickly. In this project, we will study the interaction mechanism between laser and skin. A integrated system will be developed. In order to improve the detection depth, we will select the appropriate parameters of the light source for skin and study optical clearing technique. The features of the multimodal images of diseased skin will be analyzed and extracted to be used in diagnosis of skin diseases, evaluation of treatment and monitoring the recovery of skin diseases. The results of the theoretical researches and the technologies in this project will promote the far-ranging application of this kind of multimodal skin imaging in clinic, and impulse the technological progress of biomedical optics in China.

皮肤病种类繁多。目前在临床上组织病理学图仍然是皮肤病诊断的金标准。组织病理的活检取材为有创操作，病人要遭受痛苦，制作病理切片费时费力，并且不能在同一位置重复取材。临床亟需无创、原位、非侵入的影像学技术来诊断皮肤病。本项目将集成多光子显微术和光学相干层析术开展皮肤组织的多模态成像研究，利用具有亚细胞分辨能力和生物化学特异性表征能力的多光子显微术和可快速实现结构成像的光学相干层析术的各自优点，探索诊断皮肤病的广泛适用的技术。研究内容包括：研究激光与皮肤组织的相互作用机理；研究建立集成的系统；针对皮肤组织的特点，选择合适的光源参数和光透明技术，研究提高光探测深度的实验方案；分析和提取皮肤病多模态图像的典型特征；开展皮肤病的诊断、药物疗效和皮损修复过程的监测。项目的研究成果将推动影像学成像技术在皮肤科临床的广泛应用，促进国内生物医学光学交叉技术的发展。

皮肤病种类繁多，组织病理的活检取材为有创操作，临床亟需无创、原位、非侵入的影像学技术来诊断皮肤病。光学成像技术具有无损、高分辨和高灵敏度等优点，但是现有的光学成像技术都存在一定的局限性，每种技术单独使用都不具有广泛适用性，限制了光学影像学技术在临床的推广应用。本项目以皮肤科的临床诊断需求为例，开展了基于光学相干层析术(Optical Coherence Tomography，简称OCT)和多光子显微术(Multiphoton Microscopy，简称MPM)的多模态成像技术的研究，完成了OCT/MPM系统开发及技术优化。搭建了800nm波段光谱OCT（纵向和横向分辨率分别为7和20微米）和MPM系统（分辨率0.1微米）及1300nm波段扫描光源OCT系统（纵向和横向分辨率分别为12和16微米）。基于OCT和MPM系统采集了不同生物组织的图像，证明了这种多模态成像技术在生物组织成像中的互补优势。完成了图像典型特征提取方法、红外图像的图像增强与静脉血管的提取、图像分割及基于纹理特征和人工神经网络的图像识别等研究，取得的研究成果提升了系统的成像效果和智能化，将有助于提高医生对病变诊断的准确性。针对光在生物组织中穿透深度浅的问题，分别研究了OCT和MPM成像中的光透明技术，结果表明，在液体石蜡和甘油的协同作用下，可以加快光透明起效时间，并可以减小由于甘油脱水造成的组织变形，并且发现液体石蜡和甘油的最佳比例是3:7 ~ 5:5，短波长的光透明效果更好。开展了激光与活体皮肤组织相互作用的理论研究，结果表明，对于多层结构的皮肤，波长是在激光与皮肤作用过程中的一个重要参数。本项目所获得的理论成果、搭建的硬件系统和建立的图像处理方法及光透明方法为生物组织高分辨光学无损影像学技术的发展及成像系统的开发奠定了坚实的基础。课题组在开展这种多模态成像技术研究中发现的现象及取得的重要成果将成为该技术未来进一步研究的重要基础，将加快这种影像学成像技术在皮肤科临床应用的研究进度。