Несмотря на достижения последних лет, сахарный диабет (СД) по-прежнему представляет важнейшую комбинированную медико-социальную проблему, что обусловлено неуклонным ростом заболеваемости и высокой вероятностью тяжелых осложнений [1]. В развитых странах СД страдают 6—9,3% населения, при этом трофические нарушения в области нижних конечностей с развитием диабетической стопы и язвенных изменений с высоким риском ампутации регистрируют у 25% больных [2, 3].

Кроме физических страданий и значительных ограничений жизненной свободы пациентов указанные осложнения требуют существенных затрат на лечение, а в случае ампутации конечности приводят к инвалидности ранее трудоспособных пациентов с увеличением финансовой нагрузки для здравоохранения и общества в целом.

Выявление трофических изменений кожи и ее сосудов, обусловленных метаболическими нарушениями при СД, на доклиническом этапе развития этих фатальных осложнений, с одной стороны, могло бы иметь прогностическое значение, с другой стороны, обеспечило бы проведение своевременной терапии на стадии обратимых расстройств.

Известно, что уровень структурных изменений и степень развития микроангиопатий в коже при СД являются отражением метаболических, сосудистых, неврологических и иммунных нарушений и позволяют оценивать глубину этих расстройств [4]. В эксперименте показана зависимость биохимических процессов и общего молекулярного профиля кожи при СД от уровня системных расстройств [5], а метаанализ, проведенный D. Fuchs и соавт., продемонстрировал достоверную зависимость между уровнем метаболических расстройств при диабете и дисфункцией сосудов кожи [6].

При этом известно, что патологические изменения кожных покровов (ксероз, снижение регенераторных возможностей, липоидный некробиоз, кольцевидная гранулема, лейкокластический васкулит, пиодермии, микозы и др.) часто выступают в качестве первых клинических признаков СД 2-го типа и считаются его своеобразными маркерами [7, 8]. Есть данные, свидетельствующие о том, что степень выраженности некоторых патологических изменений кожи при СД может служить показателем тяжести общего поражения сосудов, в частности индикатором эндотелиальной дисфункции, микрососудистых осложнений, и ранним признаком атеросклеротической трансформации сосудов, а в ряде случаев выступать в качестве независимого фактора риска развития атеросклероза сонных артерий [9—11].

Таким образом, внедрение в практику надежных, легко реализуемых неинвазивных методов оценки сосудистого русла и морфологического состояния кожи при СД могло бы способствовать раннему выявлению прогностически важных структурных ее изменений и диагностике ангиопатий с целью организации своевременной профилактики необратимых сосудистых осложнений [12], что особенно важно с учетом того, что сердечно-сосудистые заболевания являются при СД основной причиной смертности.

Из-за доступности кожа является оптимальным объектом для неинвазивных методов исследования [13, 14]. Один из них — оптическая когерентная томография (ОКТ) — высокоразрешающий (10—20 мкм) метод визуализации структуры ткани, по информативности близкий к гистологическому, позволяющий получать информацию о морфологии исследуемого объекта на глубину до 2 мм в режиме реального времени. В качестве зондирующего излучения используется низкоинтенсивный свет ближнего инфракрасного диапазона. Структура ткани визуализируется путем регистрации отраженной части зондирующего излучения от элементов тканей, которые различаются по показателю преломления и свойствам обратного рассеяния [15].

Полученные изображения представляют ОКТ-образы вертикального среза кожи в псевдокоричневой палитре, ориентированные аналогично традиционному гистологическому срезу. 3D-модификация ОКТ обеспечивает получение трехмерного изображения исследуемого фрагмента кожи площадью 5×5 мм на глубину до 2 мм с возможностью изучения как самой трехмерной модели, так и изображений произвольного числа срезов этого фрагмента во фронтальных, сагиттальных, горизонтальных и любых других плоскостях.

Метод способен дифференцированно визуализировать роговой и клеточные слои эпидермиса, сосочковый слой и верхнюю часть сетчатого слоя дермы, дермальные сосуды, размер которых сопоставим с разрешающей способностью метода, качественно и количественно оценивать их структурное состояние и осуществлять прижизненную диагностику основных патоморфологических процессов в коже [16].

Преимуществами метода являются возможность мультиочаговых и многократных исследований, способных обеспечить динамическое наблюдение за естественным течением патологического процесса и за ходом терапии для определения ее эффективности и контроля безопасности в реальных условиях. К достоинствам метода относится компактное, доступное оборудование, легкость в эксплуатации и интерпретации результатов, быстрота сканирования, возможность оценки состояния любого участка кожи в комфортном для пациента положении, независимость результатов от внешних условий и отсутствие необходимости длительной иммобилизации больного в процессе обследования.

Цель исследования — изучить возможность использования 3D-ОКТ для прижизненного исследования морфологических особенностей кожи и состояния кожных сосудов у больных СД 2-го типа.

Материал и методы

Работа выполнена на клинической базе кафедры кожных и венерических болезней, госпитальной хирургии им. Б.А. Королева и кафедры эндокринологии и внутренних болезней Приволжского исследовательского медицинского университета.

Обследованы 100 пациентов (29 мужчин и 71 женщина) с СД 2-го типа с клиническими проявлениями в виде трофических язв в области стоп и диабетической стопы в возрасте от 45 до 84 лет (средний возраст 61 год).

Комплексное обследование больных в соответствии с национальными стандартами включало ультразвуковое сканирование сосудов нижних конечностей, при наличии показаний — ангиографию, исследование гликемического и липидного профиля, оценку функции почек, печени, эхокардиографию.

Критерии исключения: наличие декомпенсированной полиорганной недостаточности, гемодинамически значимого атеросклеротического поражения проксимальных магистральных артерий, венозной и лимфатической недостаточности, тяжелой диабетической нейропатии нижних конечностей, кардиогенных и нефрогенных отеков.

Группу контроля составили 100 здоровых добровольцев (37 мужчин и 63 женщины) в возрасте от 19 до 75 лет (средний возраст 33 года).

Использовали оптический когерентный томограф для неинвазивного исследования внутренней структуры поверхностных тканей человека ОКТ-1300-Е (скоростная модификация 92 000 А-сканов в 1 с), разработанный ООО «БиоМедТех» (Россия) (серийное производство на базе ООО «МеЛСиТек»), снабженный специализированным зондом для исследования наружных биотканей с 3D-моделированием оптических срезов, 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.

Получали ОКТ-изображения участков кожи передней поверхности средней трети голени и тыла стопы здоровых добровольцев (590 изображений).

У пациентов с СД осуществляли сканирование участков видимо здоровой кожи той же локализации (получено 580 изображений).

Документировали информацию и анализировали полученные изображения с помощью специальных программ HF_OCTf_512Cuda+ViewKub, HF_OCTf_Viewer и Ratio Square Medical Image, разработанных в лаборатории высокочувствительных оптических измерений Института прикладной физики Российской академии наук (Нижний Новгород).

Величина принятого сигнала в каждом элементе полученных изображений (пикселе) характеризовалась яркостью и цветом. Каждое значение интенсивности сигнала соответствовало номеру цвета в палитре. Коричневый и белый цвета соответствовали первому и последнему номерам цвета в палитре и являлись отражением самого слабого и самого сильного значений сигнала.

Для оценки ОКТ-изображений использовали следующие понятия: слоистость (наличие на ОКТ-изображении контрастных горизонтально ориентированных зон, являющихся эквивалентами слоев кожи); характеристики каждого слоя в отдельности (высота слоя и уровень сигнала в пределах слоя (высокий, средний, слабой интенсивности; однородный, неоднородный); характеристика границ слоев (четкая — нечеткая); наличие включений в пределах слоя; контраст слоев с различной интенсивностью сигнала; глубина полезного сигнала.

Для математической оценки полученных изображений с помощью специальной программы измеряли высоту слоев изображения, соответствующих слоям эпидермиса, на основании чего судили о толщине слоев эпидермиса, и глубину полезного сигнала (расстояние от поверхности 1 слоя изображения до уровня, на котором сигнал переставал определяться), что позволяло судить о рассеивающих свойствах слоев эпидермиса и верхних отделов дермы. Измерение производили в условных единицах (УЕ). В нашем исследовании 1 УЕ соответствовала 1 пикселю изображения.

Помимо этого, оценивали интенсивность сигнала в пределах слоев изображения, определяемую рассеивающими свойствами соответствующих слоев кожи. Интенсивность сигнала выражали в условных единицах интенсивности сигнала (УЕИС) путем измерения максимального значения интенсивности сигнала на графике в пределах слоев изображения, построенном при помощи соответствующей программы (рис. 1).

Рис. 1. Окно программы с изображением графика интенсивности сигнала в пределах слоев изображения.

Состояние сосудистой сети кожи оценивали путем визуального анализа изображений и с помощью специальной программы Ratio Square Medical Image, позволяющей подсчитать соотношение суммарной площади визуализируемых сосудов и выделенной области полезной площади ОКТ-изображения, выраженное в процентах.

Полученные ОКТ-изображения кожи больных СД и данные их математической обработки сравнивали с изображениями кожи и характеризующими их показателями здоровых добровольцев.

Для выявления различия средних в группах больных СД и здоровых добровольцев использовали t-критерий Стъюдента для независимых выборок с неравными дисперсиями.

Результаты

ОКТ-изображения вертикальных срезов (фронтального и сагиттального) (рис. 2а, 2б) здоровой кожи голени и тыла стопы здоровых добровольцев, как и другие, ранее полученные, изображения здоровой тонкой кожи [17], характеризовались четко выраженной 5-слойной структурой:

— 1-й слой — тонкий, однородный, характеризуется сигналом высокой интенсивности (светлый), соответствует поверхностной части рогового слоя;

— 2-й слой — однородный, характеризующийся сигналом низкой или средней интенсивности (темный), соответствует нижней части рогового слоя;

— 3-й слой — однородный, характеризующийся сигналом высокой интенсивности (светлый), является эквивалентом надсосочковой зоны клеточных слоев эпидермиса;

— 4-й слой — более темный, неоднородный, характеризующийся чередованием зон сигнала высокой и низкой интенсивности, соответствует области взаимного проникновения сильно рассеивающих эпидермальных выростов и слабо рассеивающих сосочков дермы;

— 5-й слой — неоднородный, с выделением на фоне общего сигнала низкой интенсивности округлых, овальных и щелевидных еще более темных областей сигнала более низкой интенсивности, соответствует слабо рассеивающей верхней части сетчатого слоя дермы с сосудами.

Рис. 2. ОКТ-изображения здоровой тонкой кожи передней поверхности голени: вертикальные (а и б) и горизонтальные на уровне 3-го и 4-го слоев кожи (в) срезы; реконструированное трехмерное изображение фрагмента кожи — 3D-модель (г).

1 — 1-й слой; 2 — 2-й слой; 3 — 3-й слой; 4 — 4-й слой; 5 — 5-й слой.

Соотношение высоты слоев изображения, являющихся эквивалентом рогового и мальпигиевого слоев (клеточных слоев эпидермиса), в среднем составляло 1/1,5 в области голени и 1/1,4 в области стопы, что согласуется с общеизвестными данными [18].

На всех изображениях вертикальных срезов визуализировались придатки кожи — выводные протоки потовых желез и сально-волосяные комплексы (рис. 3).

Рис. 3. ОКТ-изображение вертикального среза кожи голени здорового добровольца с визуализацией придатков кожи: потовых желез (1) и сально-волосяных комплексов (2).

В качестве ОКТ-эквивалента сосудов в 4-м слое изображения вертикального среза (эквивалент сосочкового слоя дермы), на границе 4-го и 5-го слоев и в пределах 5-го слоя вертикального среза (эквивалент верхней части сетчатого отдела дермы) четко визуализировались округлые и овальные зоны сигнала низкой интенсивности (темные), иногда щелевидные, горизонтально ориентированные (в зависимости от плоскости сканирования), с четкими границами, соответствующие поверхностным сосудам артериолярной и венулярной сетей и терминальным артериолам и венулам, диаметр которых соответствовал разрешающей способности метода [19]. Подкожные артерии и вены определялись в пределах 5-го слоя в виде горизонтально ориентированных областей сигнала слабой интенсивности щелевидной формы с заостренными краями (венозные сосуды) и округлых или овальных с закругленными краями и контуром сигнала высокой интенсивности (артериальные сосуды) (рис. 4).

Рис. 4. ОКТ-изображение вертикального среза кожи тыла стопы здорового добровольца с визуализацией подкожных артерий (1) и вен (2).

Особенности ОКТ-изображений горизонтальных срезов здоровой кожи определялись уровнем среза [17]. На уровне сосочкового и верхней части сетчатого отделов дермы (соответствующих 4-му и 5-му слоям изображения вертикального среза) на фоне умеренно рассеивающей дермы сосуды визуализировались в виде линейных и древовидных зон сигнала слабой интенсивности (рис. 2в).

Перечисленные слои четко определялись на реконструированном трехмерном ОКТ-изображении исследуемого фрагмента кожи (рис. 2г).

При анализе ОКТ-изображений видимо здоровой кожи голени и тыльной поверхности стопы у больных СД выявлено достоверное истончение рогового слоя в области голени (средняя суммарная высота 1-го и 2-го слоев изображения в группе больных СД составила 11,0 УЕ, в группе здоровых добровольцев — 12,05 УЕ; p=0,03345) (рис. 5). При этом в области стопы исследования констатировали тенденцию к увеличению толщины рогового слоя (средняя суммарная высота 1-го и 2-го слоев изображения в группе больных СД составила 13,48 УЕ, в группе здоровых добровольцев — 12,98 УЕ; p=0,25124).

Рис. 5. ОКТ-изображения вертикальных срезов кожи голени (а) и стопы (б) здорового добровольца и кожи голени (в) и стопы (г) больного СД.

1 — роговой слой; 2 — клеточные слои эпидермиса; 3 — глубина полезного сигнала.

В 100% изображений кожи голени и стопы больных СД ОКТ-исследование выявляло значительное истончение клеточных слоев эпидермиса, что проявлялось в значительном уменьшении суммарной высоты 3-го и 4-го слоев изображения (см. рис. 5). В области голени средний показатель в группе больных СД составил 10,15 УЕ, в группе здоровых добровольцев — 18,45 (p=0,00001), а в области стопы — соответственно 9,41 УЕ и 18,65 УЕ (p=0,00001).

Таким образом, отмечено значительное изменение соотношения высоты слоев, характеризующей толщину рогового и клеточных слоев эпидермиса, которое в группе больных СД в среднем приобретало значение 1/0,9 в области голени и 1/0,7 в области стопы [20].

В группе пациентов с СД выявлено достоверное увеличение интенсивности сигнала в пределах слоев ОКТ-изображения, характеризующих роговой слой в области голени и стопы (на изображениях кожи голени больных СД — 144,85 УЕИС, здоровых добровольцев — 117,5; p=0,00000; на изображениях кожи стопы больных СД — 130,5 УЕИС, здоровых добровольцев — 115,2; p=0,00000) и клеточных слоев эпидермиса в области голени (в группе больных СД — 164,4 УЕИС, в группе здоровых добровольцев — 159,9; p=0,04661). Тогда как в области стопы наблюдалось достоверное уменьшение интенсивности сигнала в пределах слоев, характеризующих клеточные слои эпидермиса. В группе больных СД этот показатель составил 148,1 УЕИС, в группе здоровых добровольцев — 154,2 УЕИС (p=0,01954).

При определении глубины полезного сигнала на изображениях кожи больных СД этот показатель оказался достоверно ниже по сравнению с группой здоровых добровольцев как в области голени (в группе больных СД — 81,9 УЕ, в группе здоровых добровольцев — 93,14 УЕ; p=0,00000), так и в области стопы (в группе больных СД — 83,12 УЕ, в группе здоровых добровольцев — 103,52 УЕ; p=0,00000) (см. рис. 5).

На ОКТ-изображениях кожи голени и стопы больных СД практически не визуализировались железы и волосяные фолликулы.

В группе больных СД при исследовании кожи обеих локализаций установлено значительное ухудшение визуализации мелких сосудов дермы (в зоне расположения поверхностных сплетений), что проявлялось в уменьшении числа и диаметра округлых и овальных зон сигнала низкой интенсивности в пределах 4-го и 5-го слоев, являющихся эквивалентами сосудов. Результаты визуальных сравнений изображений кожи больных СД и здоровых добровольцев подтверждались достоверным уменьшением соотношения суммарной площади визуализируемых сосудов и выделенной области полезной площади ОКТ-изображений в группе больных СД. В области голени при СД этот показатель составил 1,34%, в группе здоровых добровольцев — 1,62% (p=0,01195), в области стопы — соответственно 1,26% и 1,83% (p=0,0008) (рис. 6).

Рис. 6. Соотношение суммарной площади визуализируемых сосудов и выделенной области полезной площади ОКТ-изображения вертикального среза кожи голени больного СД (а) и здорового добровольца (б).

Обсуждение

Использование 3D-ОКТ позволило нам прижизненно, без каких-либо вмешательств получить исчерпывающую информацию об изменениях морфологического состояния кожи и сосудов кожи голени и стопы у больных СД 2-го типа с трофическими нарушениями в области нижних конечностей, сопоставимую с информацией, предоставляемой инвазивным методом традиционной биопсии.

Получены достоверные данные об истончении в коже голени и стопы больных СД клеточных слоев эпидермиса, что является признаком атрофических процессов. При этом в области голени у больных СД одновременно зафиксировано и значимое истончение рогового слоя.

В области стопы толщина рогового слоя у больных СД незначительно превышала данный показатель в группе здоровых добровольцев, что может быть обусловлено анатомическими и функциональными особенностями данной области.

И в области стопы, и в области голени в группе больных СД наблюдалось значительное увеличение соотношения толщины рогового слоя и клеточных слоев эпидермиса, необычное для данной локализации (толщина рогового слоя превышала толщину клеточных слоев эпидермиса), что является признаком снижения интенсивности клеточной пролиферации [21]. Наиболее грубыми эти изменения были в области стопы, что может служить объяснением факта преимущественного развития трофических расстройств в группе обследованных больных именно в этой области.

Получены данные о достоверном увеличении рассеивающих свойств рогового слоя в области голени и стопы и клеточных слоев эпидермиса в области голени, что может быть связано со снижением гидратации кожи при СД и увеличением концентрации рассеивающих центров, приводящим к увеличению интенсивности отраженного сигнала тканями.

При этом в области стопы достоверно уменьшалась интенсивность сигнала в пределах слоя, характеризующего клеточные слои эпидермиса, что может быть обусловлено отечностью эпидермиса, связанной с повышенной проницаемостью сосудов и выраженными ишемическими расстройствами.

Приведенные выше данные вполне согласуются с результатами определения глубины полезного сигнала. В области голени снижение данного показателя могло быть следствием экранирующего эффекта сильно рассеивающих рогового слоя и клеточных слоев эпидермиса, а в области стопы — следствием отека эпидермиса и верхней части дермы с уменьшением концентрации рассеивающих центров в ткани, что подтверждается и уменьшением четкости границ между слоями соответствующих изображений.

Несомненно, что некоторое влияние на данный показатель оказывают и изменения рассеивающих свойств дермы, обусловленные характерными для СД изменениями ее состава и свойств.

Отсутствие визуализации на ОКТ-изображениях кожи больных СД волосяных фолликулов и желез может служить еще одним признаком атрофических изменений, вызванных метаболическими и нейропатическими процессами, усугубляемыми грубыми нарушениями микроциркуляции.

Проведенные исследования выявляли уменьшение числа и диаметра визуализирующихся в коже больных СД сосудов, что нашло достоверное подтверждение при математической обработке изображений. Наиболее значимыми нарушения микроциркуляции оказались в области стопы, что еще раз подтверждает бóльшую выраженность трофических расстройств в этой области по сравнению с областью голени и служит объяснением раннего развития трофических осложнений у больных СД именно в области стоп.

Заключение

Первый опыт применения 3D-ОКТ для прижизненного исследования морфологического состояния кожи и сосудов кожи голени и стопы больных СД с трофическими изменениями в области стоп свидетельствует о способности метода выявлять атрофические процессы в коже, нарушения микроциркуляции, явления дегидратации и отека, что позволяет рекомендовать использование 3D-ОКТ в диагностических и прогностических целях, а также для выбора своевременной коррекционной терапии, способной предотвратить развитие фатальных трофических изменений.

Более того, результаты проведенных исследований свидетельствуют о том, что математическая обработка изображений позволяет оценить и степень указанных изменений, это открывает возможности для использования метода как для прижизненного наблюдения за естественным течением процессов в коже больных СД, так и с целью мониторинга состояния кожи в ходе терапии для оценки ее эффективности, а следовательно, способствует реализации одного из основных принципов современной медицины — персонификации терапии.

Не исключено, что с учетом информативности метода и доступности кожи как объекта для исследования, простоты методики и сходства процессов, протекающих при СД в коже и в других органах и тканях, ОКТ-исследование кожи при СД сможет оказаться полезным и для оценки состояния микроциркуляции и трофических процессов в организме в целом. При этом необходимо отметить, что широкое внедрение метода в практику потребует дальнейших исследований с привлечением пациентов различных возрастных групп с разными типами СД и различной сопутствующей патологией.

Развитию данной методики и внедрению ее в клиническую практику, несомненно, будет способствовать разработка автоматизированных программ для обработки изображений и их математической оценки.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования: Петрова К.С., С.В. Немирова, Г.А. Петрова

Сбор и обработка материала: Л.Г. Стронгин, К.С. Петрова, С.В. Немирова, А.А. Карпенко

Статистическая обработка: Е.В. Пройдакова

Написание текста: К.С. Петрова

Редактирование: Д.А. Щукина, А.А. Карпенко

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Authors’ contributions:

The concept and design of the study: K.S. Petrova, S.V. Nemirova, G.A. Petrova

Collecting and interpreting the data: L.G. Strongin, K.S. Petrova, S.V. Nemirova, A.A. Karpenko

Statistical analysis: E.V. Proydakova

Drafting the manuscript: K.S. Petrova

Revising the manuscript: D.A. Shchukina, A.A. Karpenko