3D-оптическая когерентная томография — новый этап в неинвазивном исследовании морфологии кожи

Для современной дерматологии и косметологии критически необходимы доступные методы морфологического исследования кожи, позволяющие прижизненно осуществлять диагностику, в естественных условиях динамически наблюдать за состоянием процессов, оценивать индивидуальные свойства кожи, эффективность и побочные эффекты препаратов и воздействий.

До последнего времени единственным методом оценки морфологического состояния кожи была эксцизионная биопсия [1]. Однако инвазивность и невозможность повторных и мультиочаговых исследований делают метод непригодным для динамических наблюдений и оценки индивидуальных морфологических параметров кожи.

Далеко не всегда биопсия решает и проблему постановки диагноза, что может быть обусловлено сочетанием патологических процессов, неправильным выбором участка для исследования, слишком поверхностным вмешательством или недостаточным количеством материала при стремлении врача минимизировать травму на косметически значимых участках, а иногда и просто неспецифичностью морфологических проявлений. В подобных случаях травма, нанесенная при заборе материала, оказывается напрасной, что не добавляет взаимопонимания в отношениях врача и пациента.

Опасение за последствия «неоправданной» биопсии или неуверенность в результатах исследования, сопровождающегося травмой, особенно на открытых и других косметически значимых участках, заставляет врача откладывать процедуру или совсем отказываться от нее даже в случаях очевидной необходимости, что является причиной многочисленных диагностических ошибок.

Нецелесообразна биопсия и для определения индивидуальных морфологических особенностей кожи, без чего невозможна реализация одного из основополагающих принципов современной медицины — принципа индивидуализации воздействий.

Составить альтернативу традиционной эксцизионной биопсии сегодня способна оптическая когерентная томография (ОКТ) — высокоразрешающий (10—20 мкм) неинвазивный метод визуализации структуры биотканей, приближающийся по информативности к гистологическому исследованию, за что ОКТ получила название «оптической биопсии» [2].

Визуализация структуры биоткани методом ОКТ осуществляется за счет регистрации, рассеянной от внутритканевых элементов, отличающихся по показателю преломления и рассеивающим свойствам, части зондирующего излучения, в качестве которого используется низкоинтенсивный свет ближнего инфракрасного диапазона [3]. Прижизненная информация о морфологическом состоянии любого, даже самого труднодоступного участка кожи, может быть получена в режиме реального времени. Метод разрешен к применению [4].

Накоплен позитивный опыт использования традиционной 2D-ОКТ для оценки морфологического состояния кожи в диагностических целях, динамического наблюдения за состоянием кожи в процессе лечения, определения индивидуальных особенностей [5].

Метод может заменить биопсию при невозможности или нежелательности ее выполнения или может быть использован для ее «наведения» с целью обеспечения гарантии информативности. Метод легко реализуется и доступен каждому дерматологу, знакомому с основами морфологии кожи.

Традиционные двухмерные (2D) изображения представляют собой двумерные образы поперечного среза кожи на глубину до 2 мм, имеют ту же ориентацию, что и вертикальный гистологический срез, позволяют дифференцированно визуализировать вертикальные срезы рогового и клеточных слоев эпидермиса, сосочковый и верхнюю часть сетчатого слоя дермы, придатков кожи. Однако получение исчерпывающей информации об исследуемом фрагменте кожи при использовании 2D-ОКТ возможно лишь в результате изучения большого числа изображений вертикальных срезов в пределах исследуемого участка путем передвижения зонда в различных направлениях, что требует достаточно больших временных затрат.

Новая модификация устройства обеспечивает получение трехмерных (3D) изображений фрагмента кожи площадью 5×5 мм на глубину 2 мм с возможностью изучения как самого реконструированного трехмерного изображения, так и произвольного числа срезов в пределах исследуемого фрагмента не только в вертикальных (сагиттальная и фронтальная), но и в горизонтальной и любых других плоскостях.

Информативные возможности метода пока не изучены.

Цель исследования — изучить информативность ОКТ-изображений горизонтальных срезов и реконструированного 3D-ОКТ-изображения здоровой кожи.

Материал и методы

Исследование проведено на базе клиник «Приволжского исследовательского медицинского университета» Минздрава России. В работе применяли оптический когерентный томограф для неинвазивного исследования внутренней структуры поверхностных тканей человека ОКТ-1300-Е (скоростная модификация 92 000 А-сканов в 1 с), разработанная ООО «БиоМедТех» (Россия; серийное производство на базе ООО «МеЛСиТек»), со следующими техническими характеристиками: длина волны излучения 1300 нм, мощность излучения на объекте 0,75 мВт (ниже уровня, допустимого по стандарту AMSI), пространственное разрешение 8—20 мкм, глубина сканирования до 2 мм, площадь сканирования 5×5 мм, время получения изображения 20 с (рис. 1).

Рис. 1. Оптический когерентный томограф ОКТ-1300-Е.

Прибор оснащен съемным гибким зондом с микросканером, внешний диаметр которого составляет 10 мм. Для управления томографом и записи изображений используют персональный компьютер. Автоматизация процесса получения, представления информации в реальном времени и ее дополнительной обработки достигалась при использовании специализированного программного обеспечения, разработанного в лаборатории высокочувствительных оптических измерений Института прикладной физики Российской академии наук (Нижний Новгород).

У 20 здоровых добровольцев (10 мужчин и 10 женщин) в возрасте от 34 до 60 лет обследовали здоровую кожу различной анатомической принадлежности. В ходе исследования получали 3D-ОКТ-изображения, из которых формировали стандартные протоколы.

Результаты

Получаемые в процессе 3D-ОКТ исследования изображения представляют собой комбинацию серий 2D-ОКТ-образов вертикальных (во фронтальной и сагиттальной плоскостях) и горизонтальных «срезов» кожи, а также реконструированного 3D-ОКТ-изображения исследуемого фрагмента кожи размером 5×5 мм на глубину до 2 мм, представленных в псевдоцветной коричневой палитре (рис. 2).

Рис. 2. ОКТ-изображение здоровой кожи предплечья со смешанным невусом с волосом. а — вертикальный фронтальный «срез»; б — вертикальный сагиттальный «срез»; в — горизонтальный «срез»; г — реконструированное трехмерное изображение (3D-модель).

Координаты представленных на рис. 5 вертикальных

Рис. 5. ОКТ-изображение толстой кожи ладони (а, б) и тонкой кожи лба (в, г) на уровне средней и нижней частей рогового слоя эпидермиса: вертикальные «срезы» (а, в); горизонтальные «срезы» (б, г).

и горизонтального срезов отмечены на 3D-реконструированном изображении изучаемого фрагмента кожи вертикальными (фронтальная и сагиттальная) и горизонтальной рамками. Произвольное перемещение исследователем рамок в заданном направлении позволяет отметить на 3D-изображении интересующий участок и получить множество вертикальных (фронтальные и сагиттальные) и горизонтальных срезов изучаемого фрагмента для детального изучения каждого из них, что обеспечивает возможность визуализации любой точки в объеме исследуемого фрагмента.

На вертикальных томограммах здоровой кожи любой анатомической принадлежности визуализировались пять горизонтально ориентированных оптических слоев (рис. 3).

Рис. 3. ОКТ-изображение здоровой кожи. 1 — первый оптический слой, 2 — второй оптический слой, 3 — третий оптический слой, 4 — четвертый оптический слой, 5 — пятый оптический слой.

Первый (в направлении сверху вниз) оптический слой характеризуется сигналом высокой интенсивности и соответствует поверхностной, сильно рассеивающей части рогового слоя с рыхлым расположением чешуек.

Второй оптический слой характеризуется сигналом низкой или средней интенсивности и соответствует среднему и нижнему слаборассеивающим отделам рогового слоя с плотно прилегающими чешуйками.

Для третьего оптического слоя типичен сигнал высокой интенсивности, однородный, одинаковой толщины на всем протяжении с четкой верхней границей и менее четкой волнообразной нижней. Он соответствует сильно рассеивающей надсосочковой зоне клеточных слоев эпидермиса.

Четвертый оптический слой характеризуется сигналом средней интенсивности. Он неоднородный с чередованием более ярких с сигналом большей интенсивности и менее ярких участков, характеризующихся сигналом меньшей интенсивности, неравномерной толщины с достаточно четкой верхней и недостаточно четкой волнообразной нижней границей, что соответствует зоне взаимного проникновения сильнорассеивающих эпидермальных выростов (эквивалент — более яркие участки, проявляющиеся сигналом большей интенсивности) и слаборассеивающих сосочков дермы (соответственно менее яркие участки отличаются сигналом меньшей интенсивности). На ОКТ-изображениях кожи без выраженных эпидермальных выростов такая отчетливая картина не визуализируется.

Отличительной особенностью пятого оптического слоя, имеющего нечеткую верхнюю границу, является сигнал низкой интенсивности с выделением в его пределах округлых и овальных еще более темных областей, характеризующихся сигналом еще более низкой интенсивности, — сосудов и желез. Этот слой соответствует слаборассеивающей верхней части сетчатого слоя дермы с сосудами. При этом его нижняя граница определяется дистальным пределом изображения.

Выводные протоки потовых желез на ОКТ-изображениях вертикальных срезов кожи визуализируются в виде вертикальных узких щелевидных областей, достаточно контрастных, характеризующихся сигналом слабой интенсивности, пересекающих первый, второй, третий и четвертый слои. В ряде случаев верхняя ороговевшая часть выводных протоков потовых желез, напротив, характеризуется сигналом высокой интенсивности и визуализируется в виде светлой/яркой узкой полосовидной зоны, вертикально пересекающей второй слой. Иногда в тонкой коже и практически всегда в толстой коже ОКТ-изображение ороговевшей верхней части потовой железы имеет в пределах второго слоя четко выраженную спиралевидную форму.

Сальные железы визуализируются на ОКТ-изображениях вертикальных срезов кожи в виде округлых или овальных областей сигнала высокой интенсивности с четкими границами в пределах четвертого и пятого слоев.

Особенности ОКТ-изображений горизонтального среза здоровой кожи определялись уровнем «среза».

На уровне верхней части рогового слоя ОКТ-изображение горизонтального среза толстой кожи характеризуется чередованием линейных зон сигнала высокой интенсивности с точечными зонами сигнала еще большей интенсивности (эквивалент гребешков эпидермиса с ороговевшими отверстиями потовых желез) и линейных зон низкой интенсивности (эквивалент бороздок эпидермиса). Неравномерность изображения на уровне верхней части рогового слоя обусловлена неровностью поверхности кожи (рис. 4, а,

Рис. 4. ОКТ-изображение толстой кожи ладони (а, б) и тонкой кожи лба (в, г) на уровне верхней части рогового слоя эпидермиса: вертикальные «срезы» (а, в); горизонтальные «срезы» (б, г).

б).

Изображения горизонтального среза тонкой кожи данного уровня характеризуются сигналом высокой интенсивности, на фоне которого визуализируются узкие линейные зоны сигнала низкой и средней интенсивности, пересекающие изображение в разных направлениях, соответствующие бороздкам эпидермиса, и округлые зоны сигнала слабой или средней интенсивности меньшего (соответствуют устьям потовых желез) и большего (соответствуют устьям волосяных фолликулов) размера (см. рис. 4, в, г).

На уровне средней и нижней трети рогового слоя толстой кожи с плотно прилегающими чешуйками ОКТ-изображение горизонтального среза характеризуется линейно ориентированными зонами сигнала слабой интенсивности с точечными зонами сигнала сильной интенсивности, соответствующими ороговевшей части выводных протоков потовых желез, разделенных узкими линейными зонами сигнала еще меньшей интенсивности, соответствующими бороздкам эпидермиса (см. рис. 5, а, б).

В тонкой коже изображение горизонтального среза данного уровня характеризуется достаточно равномерным сигналом средней интенсивности с визуализирующимися на его фоне округлыми зонами сигнала слабой интенсивности, соответствующими поперечным срезам протоков потовых желез (меньший диаметр) и поперечным срезам сально-волосяных комплексов (больший размер); на отдельных участках изображения могут визуализироваться линейные зоны сигнала большей интенсивности, пересекающиеся в различных направлениях, соответствующие бороздкам эпидермиса (см. рис. 5, в, г).

На уровне клеточных слоев эпидермиса ОКТ-изображения горизонтального среза толстой кожи характеризуются линейными зонами сигнала средней или высокой интенсивности с точечными зонами сигнала низкой интенсивности (поперечные срезы протоков потовых желез), разделенными узкими полосовидными зонами сигнала низкой интенсивности, соответствующими бороздкам эпидермиса (рис. 6, а,

Рис. 6. ОКТ-изображение толстой кожи ладони (а, б) и тонкой кожи лба (в, г) на уровне надсосочковой части клеточных слоев эпидермиса: вертикальные «срезы» (а, в); горизонтальные «срезы» (б, г).

б).

Изображения горизонтального среза тонкой кожи данного уровня характеризуются равномерным сигналом высокой интенсивности с визуализацией на его фоне округлых и овальных зон сигнала средней и слабой интенсивности, соответствующих поперечным срезам протоков потовых желез (с меньшими размерами, с сигналом слабой интенсивности) и поперечным срезам сально-волосяных фолликулов (с большими размерами, с сигналом средней интенсивности); часть округлых зон сигнала средней интенсивности большего размера соответствует поперечным срезам верхушек сосочков дермы, внедряющихся в эпидермис (см. рис. 6, в, г).

На уровне зоны взаимного проникновения эпидермальных выростов и сосочков дермы ОКТ-изображение горизонтального среза толстой кожи характеризуется чередованием одинаковых по ширине линейных зон сигнала средней интенсивности с точечными зонами сигнала слабой интенсивности, соответствующих эпидермальным выростам с протоками потовых желез, и линейных зон сигнала слабой интенсивности, соответствующих поперечным срезам сосочков дермы (рис. 7, а,

Рис. 7. ОКТ-изображение толстой кожи ладони (а, б) и тонкой кожи лба (в, г) на уровне зоны взаимного проникновения эпидермальных выростов и сосочков дермы: вертикальные «срезы» (а, в); горизонтальные «срезы» (б, г).

б).

В тонкой коже ОКТ-изображения горизонтального среза данного уровня характеризуются сигналом средней интенсивности с визуализацией на этом фоне более многочисленных округлых зон сигнала средней и слабой интенсивности, соответствующих поперечным срезам протоков потовых желез (с меньшими размерами, с сигналом слабой интенсивности), поперечным срезам сально-волосяных фолликулов (с большими размерами, с сигналом средней интенсивности) и поперечным срезам сосочков дермы, внедряющихся между отростками эпидермиса (на ОКТ-изображениях очень тонкой кожи без выраженных эпидермальных выростов могут не визуализироваться) (см. рис. 7, в, г).

На уровне верхней части сетчатого слоя дермы изображение горизонтального среза и в толстой, и в тонкой коже характеризуется достаточно однородной зоной сигнала слабой интенсивности с беспорядочными включениями неправильной формы без четких границ сигнала средней интенсивности, соответствующими волокнистым структурам и другим компонентам дермы, которые на этой глубине уже плохо дифференцируются (рис. 8).

Рис. 8. ОКТ-изображение толстой кожи ладони (а, б) и тонкой кожи лба (в, г) на уровне верхней части сетчатого отдела дермы: вертикальные «срезы» (а, в); горизонтальные «срезы» (б, г).

При исследовании информационных возможностей реконструированного 3D-ОКТ-изображения было установлено, что путем произвольного вращения 3D-модели возможно рассмотреть реконструированное 3D-изображение исследуемого фрагмента кожи с любого ракурса (снизу, сверху, сбоку, под любым углом) (рис. 9),

Рис. 9. Реконструированное 3D-изображение (3D-модель) фрагмента кожи бедра размером 5×5 мм на глубину до 2 мм с разными ракурсами обзора патологического очага (пустулы): до произвольного вращения модели (а); при исследовании фрагмента с другого ракурса при произвольном вращении модели (б).

что позволит точно выбрать интересующий участок для его детального изучения путем получения прицельных горизонтальных и вертикальных срезов.

Заключение

Полученные результаты свидетельствуют, что изображения горизонтальных срезов рогового слоя, надсосочковой части клеточных слоев эпидермиса, зоны дермо-эпидермального соединения и верхней части сетчатого слоя дермы здоровой толстой и тонкой кожи, полученные при 3D-ОКТ-исследованиях, характеризуются определенными признаками, отражающими морфологические свойства кожи и содержат информацию о ее придатках благодаря дифференцированной визуализации поперечных срезов разного уровня желез и волосяных фолликулов. Изучение изображений горизонтальных срезов кожи на разных уровнях, несомненно, увеличивает информативность ОКТ-исследований, а анализ изменений признаков, характеризующих каждый из слоев кожи, при развитии патологических процессов будет иметь диагностическое значение, что диктует необходимость дальнейших исследований возможностей 3D-ОКТ при различных дерматозах.

Использование реконструированного 3D-ОКТ-изображения значительно увеличивает информативность ОКТ-исследований за счет возможности получения представлений об архитектонике ткани в пределах исследуемого фрагмента в целом и возможности выбора наиболее интересующих участков исследуемого фрагмента для детального изучения в разных плоскостях и с нескольких ракурсов.

Немаловажно, что увеличение объема и повышение точности информации о морфологическом состоянии кожи при использовании 3D-ОКТ сопровождаются уменьшением временных и физических затрат.

Сведения об авторах

Петрова Г.А. — https://orcid.org/0000-0001-7155-093X

Петрова К.С. — https://orcid.org/0000-0002-4024-470X

Немирова С.В. — https://orcid.org/0000-0003-0142-6620

Карпенко А.А. — https://orcid.org/0000-0002-5452-3021

Автор, ответственный за переписку: Немирова С.В. —
е-mail: nemirova.info@gmail.com