用于光聲皮膚成像基于四維光譜-空間計(jì)算的光聲顯微技術(shù)

皮膚疾病是臨床醫(yī)學(xué)中一種常見疾病，影響人的外貌、身體健康和生活質(zhì)量。因此，皮膚疾病的精準(zhǔn)診斷及評估一直是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要研究方向。然而，傳統(tǒng)的皮膚檢查方法通常需要進(jìn)行切除或者穿刺，給患者帶來不便和痛苦。因此，非侵入性皮膚成像技術(shù)被廣泛研究和應(yīng)用。其中，光聲皮膚鏡（Photoacoustic dermoscopy, PAD）是一種新興的無損醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，可以通過獲取皮膚組織的光吸收信息來輔助皮膚疾病的診斷或評估，展現(xiàn)出了極好的臨床應(yīng)用前景。但目前PAD技術(shù)仍面臨一個(gè)極具挑戰(zhàn)的關(guān)鍵科學(xué)問題亟待解決：在皮膚多層次散射、激發(fā)光波長分布以及超聲探測器檢測性能等因素影響下，如何定量、準(zhǔn)確地、魯棒地獲取多光譜光聲體素?cái)?shù)據(jù)圖像。

為了深入探究人體皮膚結(jié)構(gòu)和光聲皮膚功能成像的定量準(zhǔn)確性，來自南京理工大學(xué)智能計(jì)算成像實(shí)驗(yàn)室（Smart Computational Imaging Laboratory, SCILab）研究團(tuán)隊(duì)及其合作單位（復(fù)旦大學(xué)、中國人民解放軍總醫(yī)院）提出了一種四維光譜空間計(jì)算的光聲皮膚成像方法，為光聲皮膚鏡的發(fā)展和臨床應(yīng)用提供了新的思路。相關(guān)成果以“4D spectral-spatial computational photoacoustic dermoscopy”為題發(fā)表于期刊Photoacoustics。碩士生高楊為文章第一作者，封婷研究員、左超教授、馬海鋼副教授為共同通訊作者。

主要研究內(nèi)容

為了實(shí)現(xiàn)PAD技術(shù)中對皮膚結(jié)構(gòu)和功能成像的定量分析和優(yōu)化，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種四維光譜-空間計(jì)算方法。整個(gè)過程中考慮了皮膚的多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)及各層的光學(xué)和聲學(xué)特性，并據(jù)此建立起空間模型，結(jié)合蒙特卡羅法和K空間偽譜法實(shí)現(xiàn)了光聲物理過程的精確計(jì)算。在這里，該空間模型被定義為一個(gè)三維體素網(wǎng)格（圖1），在該空間模型中構(gòu)建了七層皮膚解剖結(jié)構(gòu)的異構(gòu)體模型，并將其建模為多層平面介質(zhì)。這種精致的網(wǎng)格設(shè)計(jì)允許對光在組織中的前向傳播進(jìn)行精確計(jì)算。通過這種方式，能夠獲取光子在組織內(nèi)的沉積分布，并將其轉(zhuǎn)化為三維初始聲壓分布矩陣。

圖1皮膚的四維光譜空間計(jì)算模型

作為驗(yàn)證，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列研究性光聲皮膚成像實(shí)驗(yàn)，包括光束類型和光子數(shù)量對PAD成像性能的影響；不同中心頻率和帶寬的超聲換能器對PAD成像性能的影響；高斯光束聚焦于皮膚下不同深度的成像效果以及不同波長光束下的成像深度等，通過這些實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)不僅證實(shí)了所提出計(jì)算模型的可靠性，而且對PAD技術(shù)的理解和應(yīng)用提供了更深入的見解。同時(shí)研究人員還實(shí)現(xiàn)了對皮膚血管中的血紅蛋白（Hb）、氧合血紅蛋白（HbO2）、脂質(zhì)（Lipid）和葡萄糖（Glucose）四種特定生物分子的多光譜成像和解混，并得到與建模成分高度一致的成像結(jié)果（圖2）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了在不同光波長下生物分子吸收特性的變化，例如，在700 nm和800 nm的波長下，由于脂質(zhì)位于吸收谷，因此在成像中呈現(xiàn)較低的對比度。

相反，在900 nm和950 nm附近，HbO2位于吸收峰，在成像中顯示出更高的對比度。這種差異對于區(qū)分和識別皮膚組織中不同的生物分子至關(guān)重要。同時(shí)，光學(xué)正向模擬計(jì)算還考慮了組織的通量異質(zhì)性。這意味著各成分產(chǎn)生的光聲信號強(qiáng)度隨著進(jìn)入組織更深層而逐漸減弱，這一點(diǎn)在葡萄糖濃度較低的情況下尤為明顯?？傊?，該方法的多光譜成像和光譜解混能力有助于推動(dòng)多波長PAD系統(tǒng)的發(fā)展和優(yōu)化，而且結(jié)合光譜解混算法分析生化成分，可以更準(zhǔn)確地診斷皮膚疾病。

圖2皮膚的多光譜成像和光譜解混

深度學(xué)習(xí)已經(jīng)被廣泛研究用于醫(yī)學(xué)圖像的分析及處理。而PAD仍處于臨床轉(zhuǎn)化的早期階段，臨床PAD數(shù)據(jù)的缺乏是相關(guān)研究面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的模擬方法假設(shè)組織介質(zhì)的光通量是均勻的，這與真實(shí)情況存在較大偏差。研究團(tuán)隊(duì)提出的計(jì)算方法考慮了與波長相關(guān)的光學(xué)散射，能夠模擬真實(shí)皮膚異質(zhì)組織光學(xué)和聲學(xué)特性，用于生成多變量可控的光聲數(shù)據(jù)集，然后進(jìn)行相關(guān)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)PAD系統(tǒng)成像性能的顯著提升，尤其在空間分辨率和成像深度方面的突破（圖3）。

圖3 基于四維光譜空間計(jì)算模型的深度學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)集獲取及系統(tǒng)優(yōu)化

結(jié)論與展望

該研究開發(fā)了一種新的計(jì)算方法，可以實(shí)現(xiàn)對PAD成像的定量分析和優(yōu)化，為PAD技術(shù)的發(fā)展和臨床應(yīng)用提供了新的思路和方法。該方法考慮了異質(zhì)性皮膚組織的光學(xué)和聲學(xué)特性，更加深入探究了人體皮膚組織的光聲機(jī)制。此外，通過使用計(jì)算模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，該方法還可以進(jìn)一步提高PAD系統(tǒng)的成像質(zhì)量，有望為臨床醫(yī)生提供更準(zhǔn)確的皮膚病診斷及評估結(jié)果。因此，該研究具有重要的理論和實(shí)踐意義，對于推動(dòng)皮膚成像技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用具有積極的促進(jìn)作用。

研究團(tuán)隊(duì)介紹

南京理工大學(xué)智能計(jì)算成像實(shí)驗(yàn)室（SCILab）隸屬于南京理工大學(xué)光學(xué)工程國家一級重點(diǎn)學(xué)科帶頭人陳錢教授領(lǐng)銜的“光譜成像與信息處理”教育部長江學(xué)者創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、首批“全國高校黃大年式教師團(tuán)隊(duì)”。實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)帶頭人左超教授為國際光學(xué)工程學(xué)會會士（SPIE Fellow）、美國光學(xué)學(xué)會會士（Optica Fellow）、英國物理學(xué)會會士(IOP Fellow)，入選科睿唯安全球高被引科學(xué)家。

實(shí)驗(yàn)室致力于研發(fā)新一代計(jì)算成像與傳感技術(shù)，在國家重大需求牽引及重點(diǎn)項(xiàng)目支持下開展新型光學(xué)成像的機(jī)理探索、工程實(shí)踐以及先進(jìn)儀器的研制工作，并開拓其在生物醫(yī)藥、智能制造、國防安全等領(lǐng)域的前沿應(yīng)用。研究成果已在SCI源刊上發(fā)表論文200余篇，其中36篇論文被選作Advanced Photonics、Photonics Research等期刊封面論文，20篇論文入選ESI高被引/熱點(diǎn)論文，論文被引超過14000次。獲中國光學(xué)工程學(xué)會技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、江蘇省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)基礎(chǔ)類一等獎(jiǎng)、日內(nèi)瓦國際發(fā)明展“特別嘉許金獎(jiǎng)”等。培養(yǎng)研究生5人獲全國光學(xué)工程優(yōu)秀博士論文/提名獎(jiǎng)，5人獲中國光學(xué)學(xué)會王大珩光學(xué)獎(jiǎng)，8人入圍Light全國光學(xué)博士生學(xué)術(shù)競賽全國百強(qiáng)，獲“挑戰(zhàn)杯”、“創(chuàng)青春”、“研電賽”全國金獎(jiǎng)十余次，“互聯(lián)網(wǎng)+”全國總冠軍。

審核編輯：劉清