当使用光学相干断层扫描血管造影术（OCTA）对双折射样本成像时，由于正交信号中的血流，相位延迟可能出现与相位变化相反的情况，因此在导出OCTA信号时可能出现抵消效应。而这种效应会削弱OCTA探测血管信息的能力，导致对最终OCTA图像的错误解释。华盛顿大学研究人员PEIJUN TANG等演示了使用偏振敏感光学相干断层扫描（PS-OCT）成像活体样本中的微血管信息，而不产生偏振伪影。该系统配有扫描源OCT（SS-OCT），结合了两种成像模式：OCTA成像和偏振敏感成像。PS-OCT用于提供双折射对比度，其中颜色编码的斯托克斯参数用于获得高对比度偏振态图像。OCTA用于获取高分辨率的功能性微血管网络图像。利用双通道PS-OCT结构的优点，消除了OCTA血管成像中偏振伪影。所提出的PS-OCTA系统被用于在体内可视化人体皮肤的双折射组件和血管网络。在临床前和临床双折射组织样本的脉管系统研究中，将发挥出一定作用。文章以“Polarization sensitive optical coherence tomography for imagingmicrovascular information within living tissue without polarization-inducedartifacts”为题发表于Biomedical Optics Express。


  背景

 临床皮肤病学研究中，如果有一种非侵入性的，能够集成高成像对比和实时皮肤组织内3D显微解剖和微血管网络的成像工具，能够帮助更准确地评估皮肤病学中的病理状况，如皮肤烧伤、皮肤癌、糖尿病和整形外科手术等。光学相干断层扫描（OCT）是一种非侵入式成像技术，可以生成高度散射样品的横截面图像，从而能够以高分辨率（1-20μm）可视化3D微结构。因此其功能扩展可能是非常理想的工具，即基于OCT的血管成像（如Doppler OCT、OCTA）和偏振敏感光学相干断层扫描（PS-OCT）。如果集成在一起，可以显示深度分辨的血管系统和嵌入皮肤组织的双折射成分（肌腱、肌肉、胶原和神经纤维束）。

 已有将Doppler OCT/Correlation-mapping OCTA（cmOCTA）结合到琼斯矩阵PS-OCT中的双模成像系统的报道，可以同时提供双折射和血管信息。然而这些PS-OCT成像系统存在一些限制。由于使用了多普勒原理，其对血流的敏感度较低，因此很难观察到微循环，尤其是人体皮肤内毛细血管内的血流量约为0.1-0.9mm/s的微循环。cmOCTA可以提取微血管信息，但它对反向散射区域中的噪声较敏感，会在血流图像中引起残留的背景伪影。

 光学相干断层扫描血管造影术（OCTA）qiansuoweiyou的流量灵敏度可达毛细血管水平，可在皮肤内测绘高信噪比微血管方面发挥巨大作用。然而传统的OCTA成像中，由于样品光束和参考光束之间的偏振失配，可能会存在偏振伪影。系统本身和双折射样品都会产生偏振伪影。系统引起的偏振伪影也称为衰减效应，可以通过仔细对准样品光束和参考光束之间的偏振状态来消除。然而当对双折射样品成像时，这种预对准处理难以实现，因为从样品散射回来的光束的偏振态取决于样品的未知双折射特性。OCT的结构和血管图像都会受到这个问题影响，但血管成像受到的影响更严重。一个原因是两臂之间偏振态的不匹配会降低相干信号的信号强度（即衰减效应），从而降低OCTA测量的灵敏度。此外双折射样品的相位延迟也会影响OCTA信号。样品的双折射特性可能导致两条正交偏振的光线经历不同的光程长度（OPL）或相位延迟。在传统OCT中，只检测两个正交偏振光线在参考光偏振方向上的投影。由于两束射线之间的相位延迟，由血流引起的相移在正交信号中表现为相反的变化，因此在导出OCTA信号时会出现抵消效应。这种效应会削弱OCTA探测血管信息的能力，导致对最终OCTA图像的错误解释。虽然其他成像模式，如散斑方差和相关映射OCTA，仅利用强度来提取血管信号，可能受偏振诱导抵消效应的影响较小。但为了缓解这个问题，必须分别检测双折射样品发出的光的两个正交状态。因此PS-OCT成像配置较为理想。

 本研究提出了一个双功能成像系统，它将PS-OCT与OCTA相结合，以提供无偏振伪影（PA）的微血管图像以及皮肤的高对比度双折射图像。分别从PS-OCT配置中的两个通道获取OCTA图像，然后将其组合以生成最终无偏振伪影的OCTA图像。对于偏振敏感成像，使用颜色编码算法来获得高对比度偏振态图像，其中红、绿和蓝三原色分别用于编码Q、U和V的斯托克斯参数。利用这种方法，综合双折射信息（即相位延迟和三维轴取向）可以以高对比度同时呈现在一幅彩色图像中。以前的研究推导出的斯托克斯矢量很难在偏振状态和测量值之间提供一对一的对应关系，而颜色编码的参数可以在图像中以*的颜色呈现*的偏振状态。研究人员还通过人体组织的体内成像来展示了PS-OCTA成像系统提供双折射信息和微血管网络的能力。



 

图1 （a）双模态PS-OCTA系统和（b）传统SS-OCT系统示意图。

结果

 为证明双功能PS-OCTA成像系统能够提供无偏振伪影的微血管图像，进行了人体皮肤组织的体内OCTA成像，还进行了传统OCTA成像作比较。选择健康志愿者右手的高双折射手掌皮肤进行演示。为增强成像深度，将一滴覆盖有薄载玻片的甘油溶液涂在皮肤表面以进行折射率匹配。使用36 mm焦距物镜，可提供约20 μm的横向分辨率。采样间隔在X和Y方向上为10 μm，图像视场为8 × 8 mm²。为确保两个系统成像的区域（图1）相同，用一条非常小的胶带标记目标皮肤区域，在成像过程中用作对齐导向。

 图2显示了由两个系统捕获的OCTA和结构OCT图像。结构OCT图像中（图2e，g）很好的描绘出了角质层。角质层厚度测量约200 μm，其中没有血管（图2a-d）。角质层下方出现血管网。图2a是传统的正面最大强度投影（MIP）微血管图像，具有深度-颜色编码，以评估血管的深度位置，其中微血管可以如预期的那样可视化，显示的深度约2 mm。红色表示较深的血管，绿色表示较浅的血管。但有一些OCTA信号强度相对较弱的暗带（如底部区域），可以看出暗带的方向近似垂直于指纹的方向。选择穿过暗带的B-scan帧（图2a），其中微血管信号在该区域显得不太丰富。从图2a中黄色和红色方框中选定区域（2 × 2 mm²），计算血管密度（VD），由于健康手掌皮肤中血管分布相对均匀，预计会得出类似的计算值。然而上部和下部选择区域的血管密度值分别为43%和37%，表明由于组织的双折射，下部的部分血管信号被偏振伪影遮蔽。这些结果显示了常规OCTA图像可能出现的错误解释。

 

图2 从双折射皮肤组织（手掌）获得的OCTA和OCT结构图像。（a）传统SS-OCT获得的微血管OCTA正面图像和对应白色虚线位置的横截面图像。（b）和（c）为PS-OCTA成像系统的水平（CH1）和垂直（CH2）通道。（d）无偏振伪影的微血管OCTA正面图像和相应的截面图像。（e）传统SS-OCT获得的结构OCT正面图像和对应白色虚线位置的横截面图像。（f）和（g）为PS-OCT成像系统的水平（CH 1）和垂直（CH 2）通道。（h）组合结构正面图像和相应的横截面图像。右下角的三角为图像引导标记。

 

图2b和2c显示了分别从PS-OCTA系统中的两个正交偏振通道（通道1和通道2）获得的具有深度-颜色编码的正面MIP微血管图像。似乎两个正交偏振态提供了解剖学上不同的血管网络，位于双折射皮肤内不同的物理深度。与偏振敏感图像（图3）一起，在通道1中可以容易地看到血管以及指纹的脊，而在通道2中很难看到血管。通道2显示强血管信号，在通道1中相对较弱。水平和垂直通道中的OCTA信号的相反趋势与偏振理论框架一致，表明参考光束和样本光束的偏振状态的不匹配可以模糊血流信号。然而两个正交极化通道可以提供互补的OCTA信号。一个通道中被偏振伪影减弱的OCTA信号可以被另一个通道捕获。因此，组合两个通道中的OCTA图像可以帮助去除偏振伪影。

 

图2d分别示出了无偏振伪影的OCTA图像和相应的横截面图像，其中提供了丰富的血管信息，而没有图2a所示的由于偏振伪影而产生的暗带。图2b或2c中缺失的（或衰减的）血管信息在图2d中通过组合互补信息得到恢复。图2a中由偏振伪影导致OCTA信号减小的区域中的丰富血管信息也在图2d的截面图像中得到展现。由红色和黄色方框指示的上部和下部区域的平均VD值分别为45%和46%，符合健康手掌皮肤中血管均匀分布的预期。这些结果表明通过组合PS-OCTA系统中正交偏振通道捕获的OCTA图像，可以避免偏振伪影。

 PS-OCTA的优点在于，除了能获得无偏振伪影的OCTA图像之外，还可以同时获得扫描组织体积的偏振敏感图像。使用图2中的相同数据集来获得相位延迟的3D图像和相应的横截面图像（图3a）及偏振态图像（图3b）。图3a和b中PS-OCT的3D体积式图像由软件ImagJ创建。先参照组织表面把体积弄平，然后去掉低双折射的表层角质层（约100 μm）。测量延迟的产生可能是由于原纤维真皮胶原，预计真皮胶原的双折射约为0.3 μm^-1，因此积累正交状态之间的π相位差所需的物理距离应约为300 μm。为证明样品的相位延迟可引起偏振伪影，图3d的直方图中显示了从相位延迟区域（图3a和c中黄框）和非相位延迟区域（图3a和c中红框）获得的相位延迟值的分布。



 

图3 健康手掌皮肤的体内体积式偏振态图像。（a）通过使用相位延迟作为成像参数产生的图像；（b）使用偏振状态作为成像参数的结果；（c）传统的OCTA正面形象。（d）分别由a和c中黄色框（增强区域）和红色框（非增强区域）感兴趣区域获得的延迟值的直方图分布。

 

作为比较也展示了传统的OCTA结果（图3c），以显示双折射特性如何影响OCTA信号。在传统的OCTA 3D图像（图3c）中，血管信号相对较弱的区域由黄色虚线表示，其中相位延迟图像（图3a）中的主导颜色是绿色（约75°-90°），如图3d中直方图所示，其他区域具有较低的相位延迟值（约20°-60°）。由于往返测量，从该区域散射回来的两条正交光线之间的相位延迟接近π，这会减小OCTA信号并产生偏振伪影。从图3a-c中白色虚线区域选择截面图像，在图3a截面图像中，黑框区域的平均相位延迟值约为86.7°，这是造成偏振伪影的原因。该区域中的血管信号，尤其是微血管信号相对较弱（图3c），表明相位延迟引起的偏振伪影导致血管信号而减小。

 

偏振敏感结果（图3a和b）显示的结构类似于人手掌皮肤的指纹特征。在相位延迟图像（图3a）中，可近似识别脊和乳头。脊和乳头的相位延迟值接近，平均值分别为2.88 (rad)和2.76 (rad)。样品的偏振态图像（图3b）全面且较清晰地提供了人类手掌皮肤的结构图像。在偏振态图像中，可以方便去除组织内的无定形成分，因此可提取并区分强双折射成分的纹理：乳头和脊。纹理结构显示乳头和脊之间的胶原组织是交叉型的。

 虽然已经证明本研究中PS-OCTA成像系统的有用性，但还需要进一步改进，以包括减少由PM光纤内正交偏振模式之间的交叉耦合引起的伪影的处理。光纤中的这种交叉耦合效应可能会使OCT图像的垂直偏移拷贝出现在真实样本的上方和下方，从而可能降低图像质量并影响组织双折射和血流的定量测量。有两种解决方案预计可以改善这个问题：1）使用较长的PM光纤段将伪像移出OCT范围；2）使用wavelet-FFT滤波后处理算法去除伪影。这样，可以同时更精确地测量偏振参数和血流信息，对于评估样品的病理状态是有非常用的，如评估疾病发展过程中的烧伤病理模型。


  结论
 本文展示了一种双功能PS-OCTA成像系统，它可以通过一次测量同时提供3D无偏振伪影微血管图像和高对比度偏振敏感图像。通过实验也表明，利用PS-OCT配置的正交通道可以避免OCTA图像中的偏振伪影。所提出的PS-OCTA成像可能在临床前和临床上对微血管和双折射组织参与疾病发展的实际研究中发挥一定作用。

参考文献：Tang, P. , and  R. K. Wang . "Polarization sensitive optical coherence tomography for imaging microvascular information within living tissue without polarization-induced artifacts." Biomedical Optics Express 11.11(2020):6379.