皮肤癌光学相干断层成像技术诊断应用研究

皮肤癌光学相干断层成像技术诊断应用研究

刘照玥

齐齐哈尔工程学院护理学专业黑龙江齐齐哈尔161005

摘要：在利用光学相干断层成像技术检测和诊断皮肤癌时，获取能够用于皮肤癌诊断的图像特征值。方法：应用差分盒子技术方法，提取色素痣、基底细胞癌和黑色素瘤的光学相干断层图像的二维分形维数。结果：从光学相干断层图像中提取出的二维分形维数能够有效地区分色素痣、基底细胞癌及黑色素瘤，色素痣和基底细胞癌的分形维数较黑色素痣小，具有统计学意义。结论：应用本方法计算的二维分形维数可以用于皮肤癌的诊断。

关键词:光学相干断层成像；分形维数；差分盒子计数法；皮肤癌；图像处理

背景：皮肤癌是全世界范围内最常见的癌症之一，在白色人种中较为常见。近年来，随着参加户外活动的人数逐年增加以及环境污染等因素，中国皮肤癌患者也逐年增多。根据影响细胞和组织的类型不同，皮肤癌可分为基底细胞癌（BasalCellCarcino-mas,BCC）、恶性黑素瘤（MalignantMelanoma,MM）、鳞状细胞癌、Bowen病和Paget病等，其中BCC和MM较为常见。作为一种恶性肿瘤，皮肤癌因其位于身体浅表层，如能开展早期的诊断并及时治疗，绝大多数患者的疾病进程可得到控制。根据肿瘤类型、发病部位、分化程度、侵袭程度、年龄等多种因素进行选择，可采取单纯切除、莫氏手术或放射治疗、免疫调节剂和光动力疗法等方法加以控制和治疗。控制和治疗皮肤癌的关键在于皮肤癌的早期诊断，组织病理活检是目前皮肤癌诊断的金标准。但组织病理活检具有创伤性，会遗留下瘢痕，无法定量检测。为了减少诊断过程中的复杂性，提高准确率，一些非侵入型的光学方法由于具有无损、高灵敏性等特点，被用于皮肤活检，光学相干断层成像技术。

一、（OpticalCoherenceTomography,OCT）就是其中之一。OCT集半导体激光技术、光学技术、超灵敏探测技术和计算机图像处理技术于一身，具有非接触性、非侵入性、非损伤性、高灵敏性、实用性强、可重复性好等特点。OCT能够提供高达1~15μm分辨率的生物组织轴向断层图像，OCT最初被应用于眼底疾病的诊断，随后OCT被应用到皮肤疾病的检测和诊断。在应用OCT进行人体皮肤研究的过程中，Schmitt等通过建立OCT外差信号随探测深度变化的单次光学散射模型，利用该模型对实际OCT信号曲线进行拟合，获取了人体皮肤活体状态下的散射系数。Thrane等提出了一种基于扩展Huygens-Fresne（lExtendedHuygens-Fresnel,EHF）原理的模型用以衡量多次散射效应对OCT信号的影响。Gambi-chler等应用OCT评估了紫外线照射下人体皮肤的形态学特征变化。Welzel等利用OCT研究了有外部条件刺激下的人体皮肤角质层厚度及有黑色素沉着、水肿和红斑的结构和功能的变化，通过实验研究表明角质层厚度不影响皮肤深层的光学特征量，且黑色素沉着导致光学衰减系数增加，而水肿和红斑则稍微降低了光学衰减系数。Boone等利用高清OCT获取了有炎症的人体皮肤的形态学特征量，并通过模式识别，用以区分不同炎症的皮肤疾病。Coleman等研究了人体皮肤的非黑色素瘤，研究表明可以通过OCT图像准确测量深度小于1mm表层皮肤中的基底细胞癌大小。国内已有的研究普遍是利用OCT观测皮肤各层的形态，缺少对表征皮肤变化的具体特征变量研究，这就需要我们找寻更多能够用于早期诊断包括皮肤癌在内的皮肤疾病的特征变量。而本文通过生物医学图像处理技术，计算二维分形维数，通过统计分析的方法，获取用于皮肤癌早期诊断的特征变量。

二、研究中所采用OCT系统为自制的频域OCT系统。该系统采用了输出功率为20mW，中心波长为840nm，带宽为25nm的光源；系统能够提供3.7μm轴向分辨率；系统中的CCD（ChargeCoupleDevice）相机具有29.3kHz的线速率及2048像素的分辨率。萨马拉国立研究大学（原萨马拉航天航空大学）和萨马拉国立医科大学共同批准并参与了此项研究，研究遵循了伦理学规范（赫尔辛基宣言）。研究中所采集的皮肤组织样本来源于人体，其中色素痣的皮肤组织来源于人体腹前壁的右侧，大小为11.5cm×7.0cm；基底细胞癌的皮肤组织来源于人体背面，大小为4cm×5cm，包含有直径大小为1.5cm的肿瘤；黑色素瘤的皮肤组织来源于脸颊，大小为8cm×3cm，包含有直径为1.5cm蘑菇状肿瘤。由OCT图像可见，痣是由特定的分层结构构成，而这可用于区分BCC和MM。BCC的OCT图像见图2b，可以观测到图像中右侧部分呈现圆形或椭圆形的“巢”形式的肿瘤结构，而在图像的左测

部分则是正常表皮结构。黑色素瘤的OCT图像见图2c，图中显示正常的表皮（包括角质层）呈现出一个明亮的条纹在皮肤组织表面上，表皮下方则是呈现漫散射包含有黑色素质的细胞，且OCT图像中可观测到与层状结构不同呈现出随机分布且光学密度不同的结构。随机分布的不同光学密度多种对象进行可视化的OCT图像而不是正常的层状结。由于OCT系统采用相干成像，因此OCT图像遭受称之为“斑点”的噪音侵扰。斑点噪声降低了OCT图像对比度，使得更难从OCT图像中提取出准确的图形特征。因此在定量分析OCT的图形特征前，有必要去除OCT图像中的斑点噪音。项研究中，使用的是间隔II型模糊各向异性扩散滤波器。在1967年，分形维数最早是由Mandelbrot提出，被用来测量海岸线长度的刻度，描述英国海岸线的自相似性。分形维数可以看作是一种用来描述一个表面粗糙度的特征。分形维数通常用于评估一个复杂的对象，其值越高，表示表面越粗糙。在OCT图像分析中，分形维数已经被用于研究生物组织内部结构的变化。Flueraru等使用的盒子计数法计算了猪的动脉组织的分形维数。Sullivan等利用盒子计数法计算了乳腺肿瘤的分形维数，并用之给乳腺癌分类。Gao等采用了频谱方法计算了视网膜组织内的分形维数。上述研究中，都是对每一个区域的A扫描方向上进行分形维数的计算，因而，计算出来的分形维数只反映了沿A扫描方向的不规则程度或粗糙度，忽略了其它方向上的不规则性或粗糙度。因此，有必要采用二维分形维数的算法，计算二维OCT图像中所有方向上的分形维数。为了计算二维分形位数，本文采用了差分盒子计数方法的A扫描方向上进行分形维数的计算，因而，计算出来的分形维数只反映了沿A扫描方向的不规则程度或粗糙度，忽略了其它方向上的不规则性或粗糙度。因此，有必要采用二维分形维数的算法，计算二维OCT图像中所有方向上的分形维数。

参考文献:[1]沈婷梅,顾瑛,马国江.光学相干层析系统对人体皮肤的成像［J］.中国激光医学杂志,2008,17(3):170-172.

[2]南楠,步鹏,郭昕,等.三维全深度复频域光学相干层析成像系统及其对人体皮肤的在体成像［J］.中国激光,2012,39(7):120-125.